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读《结构——人类文明的脊梁》有感

已有 711 次阅读 2023-10-19 19:24 |系统分类:科普集锦

武际可,山西霍县人,北大退休教授。 

这是武际可老师常用的介绍自己的方式。然而就是这么简短的介绍,我却对武老师充满了亲近和敬仰。近期大众力学丛书推出武老师的电子书《结构——人类文明的脊梁》,这是武老师继《拉家常.说力学》《动脑筋.说力学》《谈科技.说力学》《力学史杂谈》《音乐中的力学》《伟大的实验与观察——力学发展的基础》之后出版的第7本大众力学丛书系列的著作。 

当人类使用自然工具时,人类文明是懵懂的;当人类可以自行设计、制造工具时,人类文明就成为了觉醒的文明;任何实体工具、以及后来发展的各类代表人类文明的人造物,其首先要利用某种材料、以一定的结构形式展现出来,其次才是代表文化范畴的装饰性。如果把人类文明成熟过程视为一个人站起来的过程,结构对于人类文明中的作用就像人的脊梁对于人体的作用,武老师称赞结构为“人类文明的脊梁”,让我深深的感受到结构对于人类文明史的重要意义。 

柏拉图将世界分为两个世界,一个是看的见的物质世界(现实世界),另一个是看不见的精神世界(理念世界),对于世界的认识,柏拉图认为只有通过物质世界到达精神世界才能算是真正的理解了世界。力学与结构的关系就是精神与物质的关系,现实中的结构并不是随意设置的,而是遵循一定的力学原理才具有了特定的结构形式。力学就是结构的精神世界,了解工程的外在形式是知其然,懂得其中的力学原理就是知其所以然。对于结构,学习力学是达到柏拉图理念世界的必然途径。 

《结构——人类文明的脊梁》一书列举了大量的工程结构形式,并详细介绍背后所遵循的力学原理。全书共27篇。第1篇漫谈结构,概述了“结构”一词的来源及其应用领域,通过古今中外的结构举例突出结构是人类文明的“脊梁”这一主题。第2篇谈构件,将构件分为三类:一类是细长构件;一类是板壳构件;再一类是块体构件。主要介绍了三类构件所设计的力学门类,以及它们的分析和求解方法,为理论分析打下基础。 

3篇到第7篇,依次介绍了梁、板、薄壳、榫卯连接与斗拱、金属连接等典型构件和结构的理论和工程应用,在介绍梁、板时,融入了相关理论的发展史,例如,在说梁一文中从伽利略梁到马略特梁,再到伯努利、帕朗、纳维、铁木辛柯等等,清晰地勾勒出梁理论的发展脉络。从中可以看到,我们司空见惯的梁中心层也经历了艰难的发展过程。相比于教科书上呈现的静态的梁理论,这种介绍让你看到了一个理论从萌芽、到成型的动态发展过程,让理论具有了生命。对薄壳的介绍,首先从鸡蛋的承载能力谈起,通过巧妙的设计鸡蛋受力有人可以踩在鸡蛋上再拖着汽车前进,然后从壳体的受力特征说起,说明薄壳结构在节省材料和提升强度方面的能力,再从自然中动物演化出薄壳结构到薄壳结构大量的工程应用,融趣味性、知识性于一体,环环相扣,引入入胜。榫卯连接是我国传统的构件连接方式,从木榫卯到石榫卯,介绍了榫卯的种类。在斗拱介绍中,将斗拱与马车挽具的受力相类比,一压一拉介绍斗拱的受力特点和结构功能,让大脑在“反向思维”下理解斗拱的同时,还获得了马车挽具知识点这一“副产品”,两者相互对照,让你印象深刻、记忆犹新。最后,金属连接介绍了现代工程中焊接、铆接、螺栓连接、粘结等工程技术,同时拓展读者的工程知识、力学知识和结构知识。 

8篇和第9篇介绍结构力学两个核心内容,一是结构力学的主要内容,即强度、刚度、稳定性;以及随着计算机技术的发展而逐渐发展起来的数值求解方法;另一个是结构力学的静定和静不定问题,很喜欢书中利用两人、三人、四人扛木头的例子来解释静定与静不定的概念,直观形象、一目了然。 

10篇和第11篇桁架和钢架,这两篇重点分析了两类结构节点到的简化,特别强调力学特点在简化过程中的作用。现有的力学教科书大多是直接给出力学模型,致使学生在学习时只会分析书上有力学简图的问题,缺乏对实际工程的分析能力。这两篇文章就是介绍工程模型与力学模型的对应关系,特别是桁架一文,详细介绍了桁架节点简化为铰接的原因。 

12篇到第15篇介绍计算机求解结构力学——计算力学的发展,主要介绍了能量法发展,为此首先介绍能量概念的诞生(第12篇),然后对势能和势能原理(第13篇)、动力学的能量法(第14篇)分别进行了介绍,特别是相关概念形成过程的介绍,让你不仅学习了一个知识点,而且还了解了这个知识点形成的背景,从科学家的争论中,还可以体会到相关知识的关键和核心,阅读这一部分对于理解相关内容有种“正中靶心”的感觉。有了前面的基础知识,书中在第15篇介绍了计算力学的诞生,其中一个小插曲,很多人以为计算机是属于电子工程、信息工程、自动化的范畴,然后世界上第一台电子计算机的诞生恰恰是为了求解力学问题而诞生。 

16篇到第18篇主要介绍工程材料力学性能与结构破坏。第16篇介绍混凝土和钢筋混凝土材料的发展历史和工程应用;第17篇讨论了一个力学趣话,从力学角度看,材料做成构件后,其极限长度有多长?这其实也设计了构件截面设计,如果设计恰当,理论上可以做到满足任意实际需要的长度。第18篇结合材料介绍了结构的破坏形式,主要有失去平衡破坏、材料断裂破坏、构件失稳破坏三类,这为我们在分析结构破坏时提供了选项,降低了分析难度。然后,书中还对结构破坏的原因进行了分析,并列举了大量的工程实例。 

19篇到27篇介绍了结构工程中若干典型案例。如第19篇解释了高楼边上为什么会感觉风大,书中给出了利用流体力学求得的高楼边上风速分布的数学表达式,再利用精确的数学结果来解释高楼边上风速大的原因,利用数学精确结果解释工程中的力学现象,体会力学作为数学与工程桥梁的伟大意义。第20篇集中分析大型冷却塔的结构特点和破坏特点,让读者理解大型冷却的工程价值和意义。第21篇普及了地震的震级和烈度两个概念;第22篇介绍了规范的工程中的作用;第23篇介绍复合材料的特性及其工程应用;第24篇和第25篇是两篇有关生物力学的内容,一是沃尔夫定律,该定理说明骨在需要的地方生长,在不需要的地方吸收,这一定量直接影响到骨损伤后康复治疗的指导思想;另一篇从柱和梁模型,介绍腰椎间盘突出,形象生动,稍懂一点力学知识就会对腰椎间盘有更深入的体会。第26篇介绍了近年来发展起来的智能结构;第27篇漫谈刀剑,从古到今,从厨房到车床,介绍了各类刀具的应用,从力学角度解释了刀具锋利的力学原理。 

从我自己的角度,我十分喜爱书中的选题和讲解方式。其一,书中特别注重力学史的讲解,与物理学教材相比,力学教材很少涉及到力学史的相关内容,一个概念、一个定理只教给学生是什么,从来不介绍概念和定理的理由,使得力学知识成为一种静态知识。《结构——人类文明的脊梁》一书中对许多力学概念的形成与发展进行了解释,从无到有,从不完善到完善,让知识变成了动态发展中的知识,赋予了知识以生命。这样的延展可以让读者的知识在空间(各类结构并列)和时间(发展史)两个维度延伸,使知识点成线再成面(图1),这与学习静态的知识相比,就成为了一种高纬度的学习方法,可形成一定的学习优势。

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1 时间和空间上的知识(高纬度学习法) 

其次,书中的科普性语言介绍,有许多类比介绍法,例如在讲解斗拱时将斗拱的受力与马车挽具、雨刷器的受力类比,介绍静定与静不定问题用几人扛木头、八抬大轿类比等等,让人在学习一个知识的同时,再附带赠送一个知识,我很享受这种知识点的“副产品”,它就像是主知识点的支撑,牢牢的支撑着主知识点的学习(图2)。

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图2 知识点的副产品是知识点的支撑 

再次,书中的选题融趣味性与知识性于一体。例如第19篇,我们在经过一座大楼的时候,总会感觉有的地方风大、有的地方风小,这是习以为常的事,日常生活中,经过风口时大不了紧走几步,快速通过达到一个风小的地方。本篇抓住这么一个大家习以为常的小事,利用精确的数学表达式解释为什么会出现风大、风小的差异,以及什么地方风大、什么地方风小。这类的选题极具知识性,让读者学习和掌握一些科学知识,明白了自然规律。趣味性又足以作为茶余饭后的谈资,抑或是恶作剧一下,将好朋友请到风口让他领略“凉爽的风”。 

对于教师,本书不仅是一本科普书,书中对“知识点的来龙去脉”的详细介绍,以及“用通俗的语言给学生介绍深奥的理论”,这是每一位教师值得学习的宝贵经验!对于学生,可以将知识融会贯通,从工程维度、力学维度、力学史维度丰富自己的知识体系,让自己的知识结构更加稳固!对于工程人员,学习一些结构中的力学原理,可以从了解结构的“物质世界”上升到了解结构的“精神世界”,理解结构的背后规律。全书图文并茂、语言生动,读本书,似作者与读者畅谈心扉。 

20231019日晨于家中

结构---人类文明的脊梁.pdf




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