工業(yè)設(shè)計是一門旨在探索工業(yè)產(chǎn)品的造型與色彩、形式與外觀、結(jié)構(gòu)與功能等相關(guān)關(guān)系，以實用、美觀為基礎(chǔ)對產(chǎn)品進行設(shè)計，實現(xiàn)藝術(shù)與技術(shù)交融結(jié)合的學(xué)科。在工業(yè)設(shè)計中，力學(xué)可以幫助設(shè)計師處理造型、結(jié)構(gòu)、功能等相關(guān)內(nèi)容。力學(xué)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用，至少具有以下幾個方面的意義：

一、利用力學(xué)原理拓展設(shè)計思路

圖1(a)所示是一架帶尾翼的直升機，實際上最初人們在設(shè)計直升機時，并沒有設(shè)計尾翼，只有旋翼（最初只關(guān)心飛起來）。后來發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋翼在機身上繞Z軸旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)作用力與反作用力關(guān)系，旋翼也將給機身一個反力矩，使得機身發(fā)生相反方向的旋轉(zhuǎn)。

圖1 從帶尾翼的直升機到雙旋翼直升機

毫無疑問，反力矩將使得坐在直升機內(nèi)的人繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，這將嚴(yán)重影響飛機的操控。為了解決這一問題，設(shè)計人員設(shè)計了在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的尾翼，這相當(dāng)于在尾翼處施加了一個水平力，從而產(chǎn)生了抵抗繞Z的矩，保證了機身繞Z軸的平衡問題。

顯然，尾翼的出現(xiàn)只是為了解決旋翼的“副作用”（反力矩）而設(shè)計的，本身對于直升機的升力、推力等效能方面并不起作用。從力學(xué)角度看，順時針旋轉(zhuǎn)的旋翼對機身產(chǎn)生逆時針的反力矩，那么逆時針旋轉(zhuǎn)的旋翼也將對機身產(chǎn)生順時針的反力矩，如果設(shè)計兩個相反轉(zhuǎn)向的旋翼，其反力矩就可以相互平衡。

因此，雙旋翼直升機出現(xiàn)了。不僅如此，由于反力矩只與轉(zhuǎn)向有關(guān)，而與布置位置無關(guān)（位置不影響繞Z軸的平衡），所以雙旋翼可以縱列、橫列、或者共軸（圖7(b)），只要雙旋翼施加在機身上的反力矩相當(dāng)，就可以確保機身繞Z軸的平衡，兩個旋翼產(chǎn)生“副作用”相互平衡，但雙旋翼都提升了機身的升力效能。

另一個例子是懸?guī)虻脑O(shè)計。我們在日常生活中常見到的拱橋大多如圖2(a)所示，這主要是為了充分利用混凝土優(yōu)良的抗壓性能。研究表明，混凝土的抗壓強度往往可以達到抗拉強度的10倍。

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圖2 從拱橋到懸?guī)?/p>

對比拱橋與普通的梁橋，梁式結(jié)構(gòu)以承受彎矩為主，梁的上下層“纖維”將表現(xiàn)出不同的受力特征：上層受壓、下層受拉。由于混凝土的抗拉性能較差，設(shè)計梁式結(jié)構(gòu)時就需要在梁的下側(cè)布置更多的鋼筋。而拱結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)特點，其內(nèi)力以軸力為主且為壓力，這樣就最大程度的發(fā)揮了混凝土的抗壓性能。

然而，受壓結(jié)構(gòu)也有一個不足，就是受壓結(jié)構(gòu)容易發(fā)生失穩(wěn)，這是一種材料受力還沒有達到最大強度時發(fā)生的結(jié)構(gòu)性破壞。例如，一根截面為30mm′5mm松木桿，長30mm時最大可承受壓力6000N，長度增加為1m時，壓力在30N時就會發(fā)生失穩(wěn)，僅為短柱破壞壓力的1/200。拱結(jié)構(gòu)為了抵抗這種失穩(wěn)，就不得不把拱的截面做的很大，我們通常見到的拱橋，都是比較粗大的。

這種為了抵抗失穩(wěn)而制作的大截面拱實際并沒有發(fā)揮出材料的性能，為了避免這種材料上的浪費，懸?guī)虺霈F(xiàn)了，如圖2(a)所示。懸?guī)蚩瓷先?，像是一個反過來的拱，但是這樣一反，拱中的壓力在“懸?guī)А敝芯妥兂闪死Γ@意味著設(shè)計人員，只需要考慮強度，而不再需要考慮穩(wěn)定性問題，所以懸?guī)Ь涂梢宰龅谋容^“纖細(xì)”。

二、利用力學(xué)結(jié)果塑造結(jié)構(gòu)樣式

力學(xué)對于工業(yè)設(shè)計的意義，除了上述原理性指導(dǎo)意義外，也可以直接參與設(shè)計。如圖3(a)所示為法國滑鐵盧國際車站頂棚，該頂棚在設(shè)計時的限定條件是，右側(cè)要盡可能低，為了給緊貼右側(cè)的另一個建筑預(yù)留空間，如圖3(b)，左側(cè)迅速提升，滿足車站的空間要求。

圖3 法國滑鐵盧國際車站頂棚的設(shè)計靈感

為了實現(xiàn)這種變化，設(shè)計師采用了不對稱三鉸拱結(jié)構(gòu)，妙趣在于拱結(jié)構(gòu)的變化形式是基于三鉸拱的彎矩圖設(shè)計的，如圖3(c)。這不僅充分利用了材料的力學(xué)性能，同時還給予結(jié)構(gòu)連續(xù)變化的美學(xué)觀感。三鉸拱設(shè)計的另一個妙處在于，當(dāng)車站因車輛的動力效應(yīng)產(chǎn)生不均勻沉降時，靜定結(jié)構(gòu)可以做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保護結(jié)構(gòu)的安全性。

力學(xué)中的等強度結(jié)構(gòu)（如等強度梁）、優(yōu)化設(shè)計（如趙州橋）等概念都可以用于產(chǎn)品的外形塑造，而且這些結(jié)構(gòu)是在精確的數(shù)學(xué)計算的結(jié)果上得出的，在設(shè)計中融入精密科學(xué)，這樣的設(shè)計除了包含設(shè)計師的“感性”之外，還擁有了科學(xué)的“理性”。

三、基于力學(xué)分析進行科學(xué)設(shè)計

有些時候，力學(xué)為設(shè)計畫出了不可逾越的紅線。1950年代，英國德.哈維蘭公司推出了世界上第一個噴氣式民用機型——彗星號飛機(de Havilland Comet)，該飛機在設(shè)計之初，為了增加乘客體驗，窗戶設(shè)計為巨大的方形落地窗，這一設(shè)計看似給乘客帶來了豪華的享受，但實際卻是置乘客于危險之后，并讓航空公司承受了一系列的災(zāi)難事故。

歷史上彗星號飛機一共生產(chǎn)了114架，其中有13架因發(fā)生事故而損壞，其中有2架是在飛行中發(fā)生爆炸解體，有1架起飛時墜毀。在事故分析中，研究人員觀察到裂紋先在窗戶尖角處形成并向機身擴展，由此人們認(rèn)識到了應(yīng)力集中的重要性，這還導(dǎo)致了一門新的力學(xué)學(xué)科——斷裂力學(xué)的誕生。

圖4 應(yīng)力集中導(dǎo)致飛機窗戶設(shè)計上的改進

斷裂力學(xué)理論假定，任何材料都不可能是“完美無瑕”的，都會有或大或小、或多或少的含有缺陷。假定缺陷（等效為裂紋）長度為a，材料中局部最大應(yīng)力可表示為

其中，σ為遠(yuǎn)離缺陷的遠(yuǎn)端應(yīng)力，ρ表示結(jié)構(gòu)的局部曲率半徑，可以想象為結(jié)構(gòu)局部內(nèi)接圓的半徑。如果方孔的尖角是理想尖角，ρ將趨近于無窮小，最大應(yīng)力將趨近于無窮大，此時結(jié)構(gòu)必然破壞（大多數(shù)情況下由于塑性變形，尖角很難保持理想尖角）。

為此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要避免尖角，增大幾何變化處的曲率半徑，這就是大多數(shù)結(jié)構(gòu)中設(shè)計“圓角”（也稱倒角）的原因，飛機的窗戶也是采用這一結(jié)論設(shè)計為橢圓形（圖4(b)）。

此外，還必須考慮應(yīng)力集中的影響范圍。以結(jié)構(gòu)中的圓孔為例，通常情況下，在距離圓孔3倍孔半徑的地方，應(yīng)力集中影響將變的非常微弱，可以忽略不計，這說明在構(gòu)件中開孔時，兩孔之間的距離至少要大于3倍的孔半徑，因為這個原因，在飛機上設(shè)置巨大的落地窗，就不具有科學(xué)性。

四、借助力學(xué)設(shè)計融通裝飾與科學(xué)

還有的時候，為了達到一定的結(jié)構(gòu)功能，會在結(jié)構(gòu)上設(shè)計一些功能結(jié)構(gòu)，這些功能結(jié)構(gòu)也充當(dāng)起了設(shè)計作品的裝飾品。在我國臺灣臺北市，有一座101大廈，如圖5(a)所示，101大廈每8層為1個結(jié)構(gòu)單元，彼此接續(xù)、層層相疊，構(gòu)筑整體結(jié)構(gòu)。

圖5 臺北101大廈及其懸掛球

101大廈最引人矚目的是在大樓的87-92層之間懸掛了一個重大660噸的大鐵球。超高層建筑不得不面臨橫風(fēng)，以及地震產(chǎn)生的橫向變形，當(dāng)變形過大時，將會對結(jié)構(gòu)造成破壞，因此，超高層建筑都需要有自己的抗振設(shè)計。

根據(jù)振動力學(xué)知識可知，當(dāng)主結(jié)構(gòu)上再附加一個次要結(jié)構(gòu)，如在101大廈主體結(jié)構(gòu)上（主結(jié)構(gòu)）懸掛一個大鐵球（次要結(jié)構(gòu)），如圖5(b)，當(dāng)次要結(jié)構(gòu)自振頻率接近主結(jié)構(gòu)振動頻率時，一旦主結(jié)構(gòu)被激振，振動能量將被傳遞到次要結(jié)構(gòu)上，從而減小主結(jié)構(gòu)的振動，這個次要結(jié)構(gòu)被稱為調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned mass damper，簡稱TMD），這是超高層建筑中經(jīng)常使用的一種減震技術(shù)。

一般情況下，高層建筑的第一階的振動頻率就是主振頻率（高階振動能量較小可忽略），測算101大廈的控制頻率約為0.15Hz（周期約6.8s），懸掛的重球可視為單擺，依據(jù)單擺的周期求解公式

這里，l 為擺長。將控制周期代入，求出擺長，大約為11.5m，這就是101大廈重球的懸掛長度。鐵球的重量需要和大廈振動能量相協(xié)調(diào)，當(dāng)振動能量大時，就需要較大質(zhì)量的重球。

在101大廈中，依據(jù)力學(xué)原理設(shè)計的大鐵球不僅具有重要的減震功能，同時也成為大廈的重要“裝飾品”，每天吸引著來自世界各地游客，使得101大廈成為了臺北的地標(biāo)。

結(jié)束語

在設(shè)計史，英國著名的紡織設(shè)計師、藝術(shù)家、工藝美術(shù)運動倡導(dǎo)者莫里斯（William Morris, 1834-1896）曾提出“美學(xué)與技術(shù)結(jié)合”的工業(yè)設(shè)計原則，主張設(shè)計必須對相關(guān)技術(shù)有所了解，這一原則也成為現(xiàn)代設(shè)計的基本原則。

我國當(dāng)代著名工業(yè)設(shè)計大師，清華大學(xué)美術(shù)柳冠中教授（我國第一個工業(yè)設(shè)計系的創(chuàng)始人）將科學(xué)視為第一種智慧，是理性智慧；藝術(shù)視為第二種智慧，感性智慧；他稱設(shè)計是有別于科學(xué)和藝術(shù)的第三種智慧，典型特征是科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合。

這些說明設(shè)計具有交叉屬性，科學(xué)與藝術(shù)的融合是工業(yè)設(shè)計發(fā)展的內(nèi)在需求。力學(xué)作為一門基礎(chǔ)科學(xué)，可以為設(shè)計開拓思路、提供方法，在工業(yè)設(shè)計中掌握一定的力學(xué)原理，將有助于設(shè)計提升科學(xué)品質(zhì)。

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