“力学是关于力、运动及其关系的科学。 力学研究介质运动、变形、流动的宏微观行 为，揭示力学过程及其与物理、化学、生物 学等过程的相互作用规律。力学是一门既经 典又现代的基础学科，以机理性、定量化地 认识自然、生命与工程中的规律为目标，是 工程科学的先导和基础，是一门交叉研究突 出的学科。”

　　看完上述定义，读者是不是觉得力学很“高大上”？普通老百姓看到这里就想翻篇 了。别着急， 其实力学更有“接地气”的一面， 生产生活中随处可见力学的应用。

　　有网友将中国称为“基建狂魔”。其实 力学一个很重要的应用就是建筑领域。任何 建筑物都是由很多构件按照一定的设计组合 而成。我们的日常生活中遇到最多的一种构 件是“杆件”，它们的几何特征是长度远大 于横向尺寸(例如直径) ，工程中的梁、轴、柱都属于杆件。例如，美丽的鸟巢(图 1) 是我们奥运会的代表性建筑，北京大兴国际 机场(图 2)也成为了北京的新名片。这些 建筑都是由各种形式、尺寸的杆件组合而成 的结构，在建造时都需要进行严格的力学设 计考核。

图 1 鸟巢外观和框架结构

图 2 北京大兴国际机场外观和内部结构

　　只有组成建筑物的所有构件能够正常工 作，才能保证整个建筑物在规定的服役期内 安全可靠地运行。例如，当大梁断裂时，建 筑物可能坍塌。所以， 工程师在进行设计时， 要求构件在受到外力作用时， 不发生破坏(用 力学的术语来说，就是构件必须具有足够的 “强度”) ，而且所发生的变形能限制在正 常工作许可的范围内(用力学的术语来说， 就是构件必须具有足够的“刚度”) 。此外， 工程师有时还会要求构件有足够的“稳定 性”，以便保持其原有形状下的平衡。科学 家和工程师把这三方面的要求，称为构件的 “承载能力”，就是它们承受外力(力学中 称之为“载荷”)的能力。其中，材料的选 用十分关键，如果材料的力学性能没有达到 构件的使用要求， 便可能导致“失效”。据此， 工程师提出了结构设计的基本要求。

　　当设计的构件满足上述的强度、刚度和 稳定性三个要求时，多数情况下可以认为设 计满足了基本的安全要求，可以正常工作。 一般而言，只要构件选用好的材料和大的尺 寸，安全总是能够保证的。但是，这样会造成财力、物力和人力的浪费，不符合经济原 则。甚至，有的工程结构不允许使用太重的 构件，例如飞机的构件都力求轻质，否则对 发动机的要求就太高了。因此， 一般情况下， 工程师们在保证安全的条件下尽力减少材料 的消耗。

　　那么什么是材料的力学性能呢？力学知 识告诉我们：任何一种材料都按照一定规律 进行着受力—变形—损伤—断裂这样一个破 坏过程材料。在整个破坏过程中，材料具有 一定承载与适应变形的能力，而且对变形与 断裂也有一定的抵抗能力。力学家对于材料 的这种力学行为，一般是采用图表或者解析 表达等方式予以表述，另外还定义了一系列 定量的评定指标。材料力学行为的定量评定 指标，通常称为“力学性能”。材料的基本 力学性能包括弹性性能、塑性性能等。所谓 “弹性”，是指材料在外力作用下保持固有 形状和尺寸的能力，以及在外力除去后恢复 固有形状和尺寸的能力。所谓“塑性”，是 指材料在外力作用下发生不可逆永久变形的 能力或容量。为了表示材料抵抗外力的能力， 提出了应力(单位面积上的受力) 和应变(单 位长度上的变形)的概念，可以方便地对比 不同材料力学性能的差异。图 3 中给出某些 材料的应力—应变曲线的示意，其中表示应 变，表示应力。这条曲线表示材料对外力的 反应能力，其中，代表“弹性”的主要力学 参数弹性模量、代表“塑性”的主要力学 参数屈服应力等都可以从这条关系曲线上得 出。

图 3 某些材料的应力 - 应变曲线示意图

　　其实，力学是一门交叉研究突出的学 科。除了建筑、机械、航空航天等领域，力 学在生命科学领域也发挥着重要的作用。例 如，骨科手术中经常使用钢板对骨折进行内 固定，就需要钢板和钉子等有足够的强度， 以保证在骨折完全愈合并能够承重前，由钢 板 / 钉子来承受骨折部位的外力。否则，则 会出现手术失败的情况(图 4) ，给患者带 来更大的痛苦。再例如，经常有洗发水广告 声称能“强韧”发质。而实际研究发现 [1]， 用洗发水对头发的性能并不能起到“强韧” 效果， 相反， 从研究中所涉及的样品来看(图 5) ，代表头发弹性、塑性指标的屈服应力、 抗拉强度、最大应变、杨氏模量等关键力学 参数都有不同程度的下降。

图 4 股骨骨折失效案例

图 5 某洗发水对志愿者头发力学性能的影响

　　力学在科技考古方面也有着重要的应 用。例如，考古学家已经发现，旧石器时代 的古人类已经开始使用火烧石头来制作石 器，但其动机一直存在争议。早期的研究认 为，用火烧石头可以改变石头的颜色，使原 本不起眼的石头变得绚烂多彩，从而引起人 们欣赏、交换需求。但在当时的物质条件下， 人们对精神层面的需求很弱，远远不足以维 持“烧石头”这一行为扩散、传递下去。古人类更关心石器切割加工食物的使用价值。 热处理石制品的出现以及流传必然和其使用 性能的改变有关。实际的力学研究证实了这 一猜想 [2]。实验数据显示，石头原料经过火 烧之后，在抗压强度、最大应变等多个力学 参数上发生了变化(图 6) 。对应外在表现上， 降低了打击石料所需的力度，使石料产生多 次开裂，不容易发生一次性灾变破坏，为古 人类调整打击点、打击方向和力度创造了更 多机会，从而降低了打制难度，提高了石器 的制作质量和效率。

图 6 石头样品热处理前后抗压强度和最大应变的变化情况

　　上面这些例子，可以看出力学是一门应 用性很强的科学，和我们的生产生活结合紧 密，随处可见，朴实无华。然而，力学的深 奥并非简单几句话就能解释的，他吸引着一 代又一代科学家为之奋斗，迄今，力学上仍 然有很多未解之谜。用“上的了厅堂，下得 了厨房”这句话来形容力学还是很贴切的。

　　参考文献：

　　[1] 杨芃芊，王素芳，郇勇 . 洗发水对头发力 学性能的影响 . 力学与实践 . 2019,41(1)：60-64

　　[2] 邵亚琪， 郇勇， 代玉静， 周振宇， 高星， 杨海陞 . 热处理对水洞沟遗址石器原料力学性能

　　的影响 . 人类学学报，2015, 34(3): 330-337