推薦單位：中國力學(xué)學(xué)會

轉(zhuǎn)化作者：魯妮

第十二屆全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽團體賽一共有3個考試項目，3個項目各有特色，但都非常有趣，在看似“不科學(xué)”、無法完成的背后，都是精妙的力學(xué)基本概念與知識點。我們一起來看看這三個題目究竟暗藏什么玄機，命題組老師的命題思路以及解題思路又究竟是什么樣的呢？

首先，來看一下這次大賽的3道命題！

命題一：利用組委會提供的材料，設(shè)計并制作一個圓筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其在有一定傾斜度的懸臂梁上表面自由運動，并自動停止在盡量靠近懸臂梁遠端的位置，如果圓筒未能停止掉下懸臂梁，則沒有成績。

命題二：利用組委會提供的材料，設(shè)計并制作一種具有特殊屬性的彈性結(jié)構(gòu)，使其上表面在承受外界豎直壓縮載荷時產(chǎn)生水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。

命題三：據(jù)傳中國古代有指南車和記里鼓車。指南車在直行或拐彎時，車上有木人始終手指南方;記里鼓車每走1里路，車上有木人擊鼓1次。選手觀看組委會統(tǒng)一提供的相關(guān)參考視頻，利用且只能利用組委會提供的材料，設(shè)計并制作具有指南功能和記錄里程功能的兩輪小車。

要求：1. 選手可選擇制作兩個小車，分別具有指南和記里功能;也可僅制作一個小車同時具有指南和記里功能;若指南和記里集成在一輛車上，有加分。2. 對指南功能，要求車輛在測試臺上直行和拐彎時，兩車輪著地滾動，車上部的指向部件水平指向不變。3. 對記里功能，要求車輛在測試臺上直行時，兩車輪著地滾動，車上擊打部件從第1次擊打到第4次擊打的距離應(yīng)為3米。

看完題目是不是覺得有些神奇，命題老師們是怎么想到這些又有趣又和生活聯(lián)系緊密的題目的呢？這些題目又要怎么入手解答呢？

3個題目都是對力學(xué)中的基礎(chǔ)概念、基礎(chǔ)理論的考察，考的不僅僅是一個知識點，而是多個知識的融合，3道題的理念都要求有力學(xué)的計算和力學(xué)的設(shè)計，注重設(shè)計，搭好框架，不盲目動手是這次團體賽3個題目的共同特點，“純靠盲目測試，我們預(yù)期選手們是不會拿到最高分?jǐn)?shù)的”，命題組老師李群仰說。團體賽不僅僅是動手制作那么簡單，真正決定成績好壞的還是各參賽隊的設(shè)計如何。

項目一命題組的李辰老師介紹，項目一主要是希望學(xué)生設(shè)計制作出一個質(zhì)心可變的系統(tǒng)，圓筒必須停在懸臂梁的后半部才有成績，如果學(xué)生只是做出了一個偏心的系統(tǒng)，但是它的質(zhì)心不可變的話，要么這個圓筒到不了有效區(qū)域，要么就無法自動停下來。所以需要學(xué)生去制作，去意識到這個系統(tǒng)必須是質(zhì)心可變的，而且什么時候變，也要能夠比較確定地知道。這道題目主要還是和理論相關(guān)，質(zhì)心位置的變化，甚至包括機構(gòu)的設(shè)計，這并不是一門課的知識，需要綜合很多門課程的知識。在2.5小時的考試時間里，最重要的是明確自己的設(shè)計方向，李辰老師認(rèn)為在最開始的半個小時內(nèi)要充分討論，拿出一個比較可行的設(shè)計方案，然后盡快分工協(xié)作實現(xiàn)方案并對它進行驗證，如果效果不是很理想，再對方案或制作進行調(diào)整。理論上講，如果設(shè)計比較出色，制作步驟就不會很復(fù)雜，出來的成品效果也會很好。

項目二則緊跟科技前沿，主要考察材料力學(xué)方面的知識。這個命題思路最早來源于現(xiàn)在科學(xué)界十分火的超材料，超材料具備大自然中的天然材料所不具備的力學(xué)屬性或力學(xué)特性，有著獨特的力學(xué)性能。項目二希望參賽選手們在有限的時間內(nèi)，用有限的材料，結(jié)合力學(xué)的概念和設(shè)計，將項目要求完成。命題組李群仰老師介紹，這道題主要是想考察參賽選手們對材料力學(xué)基礎(chǔ)知識的理解，包括應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)變形等，其次是考察選手們利用已有材料對系統(tǒng)的力學(xué)性能進行優(yōu)化的能力。這是一個非常有意思的固體力學(xué)優(yōu)化的開放性題目，希望選手們完成的系統(tǒng)的力學(xué)性能能達到指標(biāo)要求，旋轉(zhuǎn)的角度越大越好，高度越高越好，李群仰說。

在項目二的比賽中，出題老師們陸續(xù)得到各個參賽隊的成績，他們展現(xiàn)出的性能指標(biāo)，也是一次又一次刷新了出題老師們對這個項目的認(rèn)識。李群仰說，因為這是一個開放性題目，很多選手們做出來的材料的性能指標(biāo)已經(jīng)超出了他們當(dāng)時的一些想象。很多團隊做出來的作品性能非常優(yōu)異，其中有一隊的成績非常棒，他們的設(shè)計非常獨特，從結(jié)構(gòu)、設(shè)計理念來講都非常好，以至于出題組的一位老師說他們碾壓了其他參賽隊，一枝獨秀。

項目三把指南車和記里鼓車融為一體，讓學(xué)生設(shè)計一個復(fù)合裝置。在古代就有一些關(guān)于指南車的傳說，實際上這并不是傳說，指南車在漢代已經(jīng)有記載。在古代皇帝出行的時候，一般有兩輛車跟著他，一輛是指南車，一輛是記里鼓車。指南車走的時候上面有個小人總是指向南方，這樣來定方向;記里鼓車走1里路會敲1下，等于是古代的計程車。項目三命題組的高云峰老師正好以前對這兩個都做過研究，他就把兩個功能融合在一起，設(shè)計了項目三的題目。高云峰說，設(shè)計這個題目出于三方面的考慮，一是文化自信，好像很多科學(xué)技術(shù)都是從西方來的，但其實中國古代也有很多技術(shù)很先進，例如漢代就有記載的指南車、記里鼓車;二是希望讓學(xué)生掌握工匠精神，成為工業(yè)強國需要很多設(shè)計者、工匠，項目三需要仔細(xì)地設(shè)計、加工、制作，是很好的訓(xùn)練;三是讓學(xué)生學(xué)會理論聯(lián)系實際，把所學(xué)的力學(xué)知識和實踐相關(guān)聯(lián)，去進行分析計算，實現(xiàn)項目。

在長達9小時的比賽時間中，高云峰建議參賽隊伍先別急著動手，先分析討論，前半小時到1小時之間把問題本身的科學(xué)性搞明白;第二步詳細(xì)地計算，計算齒輪之間的關(guān)系、打鼓怎么打等;第三步分工合作進行具體制作。9小時說來很長，但是在比賽的時候很快就過去了，在比賽過程中，高云峰發(fā)現(xiàn)過了一半的時間，大部分隊伍還沒有明顯的結(jié)果出來，還在東拼西湊地考慮，這說明他們的經(jīng)驗還不太足。一般來說，設(shè)計和分工好的話，時間過半至少有個雛形出來。當(dāng)然也有隊伍讓高云峰印象深刻的，例如四川大學(xué)隊，他們得了滿分，整個項目三得滿分的只有這一個，在高云峰看來這是非常不容易的，四川大學(xué)隊理論分析做得比較到位，動手配合也很好。

項目三題目不僅涉及運動學(xué)，還涉及動力學(xué)，比如說有的參賽隊考慮不周全，齒輪大小不匹配，這樣的話雖然按照運動學(xué)來說沒問題，但是帶動的時候會出現(xiàn)打滑的情況，這里面其實是有很多科學(xué)因素的。高云峰說，出題的時候要考慮到盡可能把知識融合在一起，變成一個趣味的裝置，或者是以一個游戲的形式給學(xué)生。其實，高云峰作為力學(xué)方面的專家，從事力學(xué)科普工作多年，開發(fā)了許多有趣的力學(xué)實驗，例如手機吊冰箱、鴨子下坡等等，他喜歡將科學(xué)知識融入趣味性，把科學(xué)原理和知識融在有趣的裝置里面，以趣味性來傳播它。高云峰說，其實科學(xué)是一個整體，包含科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)精神，怎么在教學(xué)中把科學(xué)的三位一體都教會學(xué)生，需要老師進行專門設(shè)計。通過力學(xué)競賽，學(xué)生們動手實踐，再回去反思改進，其實是一個很好的學(xué)習(xí)和實踐融合的過程。

此次力學(xué)競賽的3道題目兼具趣味性與科學(xué)性，緊跟時代前沿，充分體現(xiàn)出了力學(xué)之趣。其實力學(xué)并不是像一些人想象的那么枯燥，一些神奇的裝置，例如能夠自動停止在斜面確定位置的圓筒、受到垂直荷載在水平方向旋鈕的超材料以及既能指南又能記里的小車，都能通過力學(xué)知識和力學(xué)計算實現(xiàn)。