變著魔術教力學 浙大86歲老教授帶你玩轉奇妙實驗室

2020-09-20 11:46 |起航號 |浙江大學

高層建築如何在強震颶風中巋然不動？虎門懸索大橋發生異常振動原因何在？彩虹彈簧無心，怎能似孩童般拾階而下？……這些問題的答案盡在工程力學強基實驗室，並且將以「看得見，摸得著」的方式被呈現出來。

剛剛過去的這個暑假，對航空航天學院86歲的退休教授莊表中而言，意義非凡，過得忙碌而充實。他與王永和金肖玲副教授一道，籌建了工程力學強基實驗室。實驗室「神秘面紗」初揭，我們不妨先睹為快！

小魔術、大奧秘：

八旬教授用魔術講力學

「我在這裡表演一個魔術——『喜結良緣』。」實驗室展櫃前的莊表中教授左手取過鏈條，右手託住穿過鏈條的鋼環。他鬆開手，鋼環卻並未按自由落體落到地上，而是神奇地被鏈條套住。「這是基礎力學中動量矩定理的運用，鋼環受衝量後，動量矩發生了改變。」

緊接著，莊表中教授又演示了骰子魔術。「123456，你想變哪個數字？」「想要6？咱們就變6！」他將裝著6顆骰子的長方體塑料盒用力衝擊一下。當塑料盒打開時，盒中整齊排列的6顆骰子全部呈現點數6。而讓骰子「聽話」的奧秘，恰恰就在不對稱衝擊使骰子轉動90°。

這不是莊表中教授第一次表演魔術。每次作講座、上課，他都會帶上魔術道具。他通過變魔術這一寓教於樂的方式講授力學的事跡，曾被中央電視臺、中國教育電視臺、人民網、錢江晚報等媒體廣泛報導，他也因此被稱為「用魔術包裝力學的網紅教授」。

今年已86歲高齡的莊表中教授，1954年畢業於浙江大學機械工程學系，1959年畢業於清華大學力學研究生班。從上世紀五十年代開始工作直至退休，他一直在浙江大學力學系任教，從事基礎力學的教學與科研工作，出版了著作11本、光碟4張。

2008年，莊表中教授偶然在電視上看到劉謙表演的鋼環魔術，對魔術產生了濃厚興趣。他迅速看穿了背後的力學原理，也敏銳地察覺到藉由魔術和玩具道具講授力學原理的意義。有一次出差，他看到火車上在售賣鋼環和鏈條的魔術道具，覺得有意思想買，卻不巧售完買不到。回家後，莊老師自製了魔術道具並對此進行了系統地實驗研究，還把相關結果寫成論文發表在力學雜誌《力學與實踐》上。也是從那時起，莊表中教授與魔術結下了不解之緣。

在大學課堂、科普講座中藉助魔術講解力學知識，化抽象為形象，使深奧的力學理論變得通俗易懂，加深學生的印象；每年跑幾趟義烏小商品市場，淘些體現力學原理的新玩具、新魔術，給老師和學生當教具；自製一些浙大獨有的教具，如屈曲失穩模型，零剛度、負剛度模型，啄木鳥模型等；與青年教師共同錄製實驗課程慕課，將教育理念和成果分享給更多人……退休後的莊表中教授，心心念念的仍是教書育人。他還加入了浙大關工委宣講團，面向不同群體上科普課和黨課。與時俱進、心系學子的他，儘自己所能發揮著餘熱。

強基礎，重實效：

強基實驗室讓人直呼「百聞不如一見」

說起實驗室，大家的第一印象或許是冷冰冰的儀器和設備。但在紫金港校區西四A-344這個不大的工程力學強基實驗室，你卻能感受到不一樣的「溫度」。

除了寓教於樂的魔術和玩具，這裡還有許多精巧的布置，如近六十年前莊表中任王仁東教授助教時，為練基本功整理的兩千多道理論力學和材料力學習題卡片；上世紀八十年代的多種多樣的力學教具；可完成6個實驗的理論力學多功能臺等。這些都讓人感到既新鮮、有趣，又有實用價值。

「這是實驗室中的一個重要實驗——通過掛單擺來減振。暑期，王永和金肖玲花了許多時間調試好了，我們來看看。」隨著莊表中教授的指引，我們看到了布置於導軌上的激振器、底座和夾持於底座上的豎梁。豎梁模擬的是高層建築結構（如高樓、電視塔等），激振器激勵底座模擬的是水平地震。「地震」作用下，「高層建築」的劇烈振動被置於頂部的一個小鐵球徹底抑制下來。

這涉及到單擺調諧減振的知識點。調諧減振原理在工程中有重要應用。例如，穩住臺北101大樓的是懸掛於88至92樓的一顆金黃色大鋼球。這顆「定樓神球」又稱調諧質量阻尼器（TMD），即是利用單擺來協調大樓平衡，減輕晃動。

「我們的演示和實驗裝置除了能給學生更直觀的體驗，更好地掌握理論知識外，還能用於實驗研究。」莊表中教授補充說道。在這裡，可用於實驗研究的裝置就有11個。例如，單擺掛什麼地方，單擺的質量多少，繩子長度多少，阻尼多少，這四個參數可以演化出重要的研究課題，相信同學們一定能在鑽研過程中有所收穫。不僅如此，實驗室還進一步發展到了頂部裝液體罐減振的調諧液體阻尼器，又稱TLD。

工程力學強基實驗室是為了配合工程力學強基計劃和一流本科專業建設而設置。深感基本知識、基本理論、基本實驗、基本訓練重要性的莊表中教授認為，「強基」理念有利於「立德樹人」根本任務的落實，應大力倡導。他說：「『百聞不如一見』是千百年來傳播知識的訣竅，它可以提升教學效率與效果。看得見、摸得著的東西使人印象深刻，在工程力學強基實驗室，學生能見識一百種以上的力學概念、演示實驗等。我們希望藉此幫助學生加深對力學基本概念、基本理論的認識，了解力學在生活中的應用，完成力學相關基本習題、基本實驗，錘鍊紮實的基本功，並進一步探索、明晰創新性研究問題，為國家、社會發展貢獻自己的聰明才智。」

勤耕耘，厚積澱：

頂著高溫天連續奮戰不言苦

從3月中旬開始籌備，到6月裝修動工，再到9月規模初具，實驗室從無到有，除了學院領導和老師們的支持，更離不開莊表中、王永和金肖玲三人的不懈探索和傾注的無數心血。暑期，頂著高溫酷暑加班加點，對他們來說是家常便飯。事實上，看似短短數月籌建的背後，更有著力學人數十載的深厚積澱。

「莊老師是我國隨機振動領域的先行者之一，是理論和應用、科研和教學相結合的踐行者。在莊老師身上，我們能感受到一個時代的偉大精神。」在王永看來，莊老師的敬業與奉獻精神深深感染著自己。

而面對兩位青年教師，莊表中教授亦是充滿讚許：「王永、金肖玲兩位老師年輕有為，任勞任怨，敬業於教學和科研。從規劃到布置，他們付出了很多。」

在三位老師的通力合作下，工程力學強基實驗室已初露真容。「目前，實驗室包含了歷史傳承、實驗演示、開放實驗、玩具魔術特色和作品展示等五個模塊。」王永介紹道。

其中，歷史傳承模塊通過實物展示力學前輩們在基礎力學學習和教學過程中所耗費的巨大心血，具有歷史厚重感，希望勉勵同學們擺脫浮躁風氣、孜孜以求真理；實驗演示模塊演示一系列與理論力學、材料力學和流體力學有關的實驗和實物，使學生深入理解基礎力學的概念、方法和應用；開放實驗模塊包含多個開放性實驗，如單軸和雙軸機械式激振器、高層建築調諧減振等，並提供了大尺寸實驗操作臺；玩具魔術特色模塊展示與力學密切相關的玩具和魔術，揭示其力學原理和巧妙運用，配合高教社大眾力學叢書，體現教學特色；優秀作品展示模塊則計劃保存每屆學生中最有創意的作品，為後繼學生樹立榜樣。

「新學期開學，實驗室將率先對我和王永老師的《理論力學》課同學開放，進行初測。」金肖玲說，「後續，我們將根據反饋做進一步優化。2020級工程力學強基班同學的相關課程、實驗也將在明年於此開展。」

這樣讓枯燥的理論學習變得妙趣橫生的實驗室，你是不是很期待？

（原標題《有趣、有料！浙大變著魔術教力學的86歲老教授，帶你玩轉奇妙實驗室！》。編輯 林婧）

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