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浅谈在产品设计中物理力学知识发挥的作用

2020-02-18 388 上传者：管理员

摘要：随着研究的不断深入，作为自然科学基础学科的物理学，逐步成长为了当前最精密的学科之一。物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都做出了重要贡献。基于此，本文从物理力学基础知识入手，对力学知识在建筑设计、工业设计、园林设计等方向的应用与发展进行了分析和探讨，为弘扬物理力学的魅力奠定了基础。

关键词：
园林设计
工业设计
应用
建筑设计
物理力学
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如果把高中物理比作是一部电影，那么“力先生”绝对是戏中的不二主角，高中阶段80％的光阴都是它陪伴我们渡过的。从基本的受力分析，到力和运动的相互关系这些全都是力学基础，不论是匀速直线运动，匀变速直线运动，平抛／类平抛运动，匀速圆周运动，还是电场，磁场，电磁感应都是“力先生”的主场。带电粒子在电场中运动主要有两种：匀加速直线运动和类平抛运动，新知识只有一个电场力F＝Eq；磁场中则是匀速圆周运动，洛伦兹力F＝qvB；电磁感为F＝BIL，而核心的解题思路通通都是基础力学模型。除了是课堂上的“明星”，生活中物理力学知识的应用范围也非常广泛。

1、物理力学知识在建筑设计中的应用

随着时代的不断发展，各种各样的建筑物不仅满足了我们居住的需求，而且很多造型独特的建筑，彰显着文化与艺术的多重魅力装点着我们的生活。一座建筑物的面板、屋架、吊梁、柱子，甚至一枚小小的螺丝对于建筑设计而言都非常关键，建筑物本身的每一部分都需要承担载荷，这样才可以促成整个建筑的协调稳固。

很多世界瞩目的建筑，如：赵州桥、纽约世贸中心、上海世界环球金融中心、悉尼歌剧院、三峡大坝等，这些建筑设计不仅仅追求了造型美，而且其中还蕴含着诸多力学原理，只有在满足力学平衡的基础之上，这些建筑才会稳固安全。所有这些设计都需要参考高中力学所接触的受力分析相关知识，如：二力平衡、共点力、作用力与反作用力、力的平行四边形法则、力的合成与分解等，在深入分析建筑构力平衡的基础之上展开的造型设计才是有意义的建筑设计，否则只能是空中楼阁，华而不实。

2、物理力学知识在工业设计中的应用

工业是国家发展的基础，而对工业产品的设计与开发则是推动工业进一步发展的助推器。对工业产品的设计可以分为造型设计、功能设计、艺术设计等多个方向，但无论哪个方向都需要参照基础力学知识来不断创新与突破。

工业设计的首要目的，就是通过对产品的合理规划，而使人们能更方便地使用它们，使其更好地发挥效力。所以在合理的规划其结构的基础上，后续的工作才可以顺利开展。以简单家具吸尘器为例，决定它的造型的除了电磁感应的核心组件———电机动力外，更多的力学知识也参与其中。工业设计的第一步就是确定材质，根据其材质的力学特性，如受力变形、机械强度、膨胀系数、摩擦因素等，综合设计材料的连接方式和作用骨架，这样才可以保证整个商品结构与功能的有序性和结构稳定性。如果单纯从外表来设计，那就是一件“花瓶”摆件，导致各个部件配伍不稳无法使用，吸尘过程中极易出现灰漏、气流不均、运行不平稳等多种问题和瑕疵。尤其是很多部件包含连杆机构、凸轮机构、折叠机构等，对力学平衡的要求非常高，华而不实的设计不仅影响产品的结构形态，给用户的带来不良使用体验，更影响整个产品的销售和品质。所以，对于工业产品的设计首先要实现功能，其次才是形式。

3、物理力学知识在景观设计中的应用

生活品质的不断提升，使得人们对于美好生活的需求日益提升。尤其温室效应、生态恶化等环境问题的影响之下，人们对园林景观的要求日益提升，公众在追求原生态的基础上，迫切希望人与自然和谐相处，因此很多依山傍水地段的绿色生态园林成为了居住和工作的首选，而这类园林的驳岸设计就需要兼顾工程力学和景观美学的双赢。

沿河地面以下，保护河岸（阻止河岸崩塌或冲刷）的构筑物称为驳岸，称为驳岸。在园林工程中驳岸建于水体边缘和陆地交界处，是保护风景园林中水体的设施。驳岸设计要能够承受得住水体水流的冲刷和打击，要保证驳岸构筑物的自身强度和刚度。另外，由于不同形式的驳岸在遭受到水流的大力冲刷时，水流的方向和大小可能会不同，从而导致驳岸的受力情况也有所差异，这就要求在进行驳岸设计时，结合施工地点的实际情况来正确采用不同的驳岸设计。如东西向活水的驳岸设计南北两侧也不相同，如北侧向阳，冲击力度不大，则可以在底部修筑加固的同时，上层铺就一些原生态水生植物填充保护地面景观，这样既保证了建筑强度，又兼顾了景观美学；而对岸则可根据水流对两侧冲击力度的不同，选择全填充或鹅卵石镂空等多种方式。这种绿植搭配的景观，不仅是天然氧吧，在蒸腾散热方面也非常优越。

4、物理力学知识在服饰设计中的应用

服饰是一种带动鲜明地域特色与时代气息的形象设计艺术，在服饰设计的过程中不仅需要满足服装制品外观的美观及实用性，还需要尊重材质的力学性能，从美学、材料力学、人体工程学、运动科学等角度出发，在设计的过程中体现出科技与艺术的完美融合。

现代服饰种类繁多，材质各异，但是中学生接触比较多的还是运动服饰，以校服为例，在设计上多是运动型校服，既适合于户外运动，进行相对剧烈的跑步、跳跃等体育活动，同时室内一般性的行走坐卧、书写、卫生清洁等活动也非常方便。校服所用的材质一般都是经编面料和棉纤之物的拼接体，在设计的过程中设计师会根据中学生的行为特点，把肩部、肘部、臀部、腿关节部等部分多选用经编面料，这是由面料的力学特性决定的。因为经编面料所用的纱线本身富有弹性，因此织造后的面料舒适爽滑有弹性，非常适合肢体的活动。以打乒乓球为例，在打球过程中需要发球、接球、快攻、扣杀等多种动作交互进行，关节部分活动频繁，对于衣服的弹性、耐磨损性都有较高要求，经编面料就满足了轻便柔软、弹性大的特征，使人运动自如而不会产生很强束缚感。而棉纤织物本身虽然弹性不足，但是吸汗透气，因此穿着非常舒服，贴身或者外穿都不会有黏腻感，而且棉纤布料不易产生力学形变，所以在校服的其他部位采用这类材质，就可以让校服的整体工整美观，不会显得拖沓累赘。

5、物理力学知识在室内设计中的应用

室内设计是打造舒适优美室内环境的重要一步，现代人对室内设计的要求已经逐步攀升，不仅对光线、用色有了更高的要求，而且设计的过程中越来越强调个性化，但是在室内设计进行中有很多力学要素必须要兼顾，不然就会观赏性有余而实用性不足。

以墙面装潢为例，墙面虽然对于承重性能要求不高，但是因为墙面也需要悬挂装饰品，而且居住过程中难免需要对墙面进行倚、靠、压等动作，这就对墙面装饰物的弹性、塑形、弯曲性能等有一定要求，在设计过程中如果使用木质板材，这些性能虽然都能得到满足，但是费用高昂，而且木片板材吸水容易发生形变，因此在装修过程中大家一般都选择木塑复合材料，从力学特征来分析，它的弹性、耐弯曲、吸水膨胀、拉伸性能等都更为优异，而且材质本身轻便、阻燃、耐腐蚀，清洁起来也非常方便，因此具有更强的实用性。

6、结语

物理力学的知识在建筑设计、工业设计、景观设计、服装设计、室内设计等多种产品设计中都具有重要参考价值。力学是关于力、运动及其关系的科学。它为人类认识自然和生命现象、开拓工程设计提供理论和方法，是人类科学知识体系的重要组成部分，对科学技术发展具有重要的引领、支撑和推动作用。物理力学的魅力在人们对它深入研究的过程中不断被发掘，而且它正以越来越迷人的姿态影响着人们的生活。

参考文献：

[1]孙学娟.谈力学知识在机械结构设计中的运用[J].天津职业院校联合学报,2006,8(05):34~37.

[2]韩云山,耿少波.土木类力学分析与结构设计课程建设的探索[J].绿色科技,2015(08):356~357.

张驰.物理力学知识在产品设计中的应用初探[J].中国高新区,2019,(1):257,259.