遇境逢生的力学家英格里斯

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CharlesEdward Inglis (1875-1952)

英格里斯 (Charles Edward Inglis, 1875-1952)，英国著名的工程师、力学家。1875年7月31日，出生在苏格兰一个备受尊敬的家庭，他的父亲是一名医生，祖父曾是英国皇家海军的一名上将，曾担任HMS Belliqueux号的船长参加了Camperdown战役 (1797)。英格里斯出生时母亲难产，所有人都认为他活不成，只在客厅简单的进行了受洗仪式，母亲7天后去世。但谁也没想到，英格里斯遇境逢生，几乎在自己的每一个时期都做出了非凡的成就。

英格里斯1889-1894年 (14-19岁) 就读于Cheltenham学院（该校以古典、军事和体育传统而闻名，从年龄看可能类似于职业高中），毕业那年被评为“head boy”，这使他获得了奖学金以便进入剑桥大学深造。1897年，英格里斯参加了国王学院的Mathematics Tripos考试，并以最高分获得了第一名，以该校第22位“牧马人”身份毕业。这是一种数学考试，要在8天内完成16篇论文（1854年的情况），这门考试只公布排名不公布成绩（1909年后不再公布排名），但公布每名学生所解决问题的难度。

毕业后，英格里斯在John Wolfe-Barry & Partners 土木工程公司做绘图员，不久后成为了苏格兰著名土木工程专家Alexander Gibb (1872-1958) 的学徒，并担任了伦敦地铁Whitechapel– Bow 段的驻地工程师，20岁出头的英格里斯负责了该路段13座桥梁的设计和监督，这为他后来的工程贡献打下了良好的基础。

随着机车速度的提升，机车发动机的平衡以及桥梁在车辆载荷作用下的振动问题被凸显出来。1901年，英格里斯发表了The Balancing of Engines（发动机的平衡），提出了一种解决机械问题的几何方法，凭借这项研究，英格里斯被聘为剑桥国王学院的研究员，并在同年获得硕士学位，还是这项研究使他赢得了土木工程学会 (Institution of Civil Engineers，简称ICE) 的Miller 奖，并被接纳为该学会的准会员。

英格里斯在国王学院先是作为机械和应用力学教授James Alfred Ewing (1855-1935，磁滞曲线、解释了疲劳失效源于微缺陷和滑移带、开发了蒸汽轮机）的助手研究发动机的平衡问题，1903年Ewing 离开剑桥担任海军教育主任，英格里斯又与冲击动力学奠基人Bertram Hopkinson (1874-1918，霍普金森压杆实验的发明者，Ewing 的接替者）一起工作，研究振动对机械结构的振动影响。

AlfredEwing (1855-1935)

Bertram Hopkinson (1874-1918)

大概Hopkinson 十分认可英格里斯的学术能力，给他分配了所有教职员中最繁重的教学任务，涵盖了静力学、动力学、结构工程、材料工程、绘图、发动机平衡、钢梁和钢筋混凝土设计等多门课程。多年以后，英格里斯回忆这一时期时说到：“如果他希望在某个主题上能够学习的更多，他会自愿的教授一门课程”。这也许是英格里斯的治学之道，从讲课进入某个主题，并在该主题上做出新的贡献。这给予教师的启示在于，教学和科研并不是矛盾的两个方面，它们在英格里斯那里却成为了促成他腾飞的双翼。

1910年代，英格里斯注意到了在铆钉连接件中的孔总是沿着裂纹方向变成椭圆，这促使他开始研究椭圆边缘的应力集中现象，1913年发表了stresses in a plate due to the presence of cracks and sharp corners，这篇文章后来被Alan Arnold Griffith (1893-1963) 借鉴用来研究材料的计算强度和实际强度之间的关系，并由此诞生了新的力学分支——断裂力学。

1930年代，英格里斯还推导出了可以准确评估机车施加给桥梁的冲击作用所引起的桥梁振动理论，这套理论被纳入到桥梁设计计算中。英格利斯于1934年出版了A Mathematical Treatise on Vibrations in Railway Bridges《铁路桥梁振动数学论文》一书，被评论家描述为“数学家和工程师的宝贵财富”。1934年还担任了在剑桥大学举行的国际理论与应用力学大会（IUTAM，四年一次，被誉为力学界的奥林匹克）的大会主席。他于1945年在东北海岸工程师和造船学会帕森斯纪念演讲中提出了他的基本函数方法 (Basic Function Method)，这是一种替代傅立叶级数分析振动梁的有效方法。

英格里斯在工程上的贡献，除了前面提到他对发动机平衡问题的研究，他还发明了一种便于搭建和拆解的军桥。在剑桥，英格里斯加入了剑桥大学军官训练团，并于1909年被任命为少尉，在工程分遣队服役。他注意到分遣队除了在野外的工作经常无所事事，英格里斯就想发明一种可以由分遣队搬运、安装、拆解的军桥，这种桥可以重复使用，一般情况下40人可以在12小时内搭建好一座18m长的桥梁。

英格里斯桥的设计要求每个组件都可以由单人移动，桥梁由一系列的等边三角形（边长4.6m）的桁架组成，这种形式最早由英国工程师James Warren (1806-1908) 在1846年发明，并申请了专利，最大的英格里斯桥可以扩展到6个桁架单元 (27m)。英格里斯桥经历了三个版本，最初的管子是可以伸缩的（主要考虑便于搬运），第二版管子的长度固定（考虑桥梁的承载能力），第三版使用了高强度钢管使得管径变小（最大载重可达26吨）。英格里斯桥梁在随后到来的第一次世界大战（1914-1918，约6500万人参战，士兵死亡约900万，平民死亡约700万，经济损失难以估量）中发挥了重要作用，战争后期坦克的投入更倚重于英格里斯桥梁。

在Monnow 河上幸存的一座英格里斯桥

1916年，英格里斯申请了桥梁的美国专利，1917年又获得了桥梁中接头类型的美国专利（为什么他总申请美国专利？）。英格里斯还与Giffard Le Quesne Martel（1889-1958，英国军事工程师和坦克战略家）在1918年一起发明了架桥坦克。

1919年3月，英格里斯从军队退役回到剑桥大学，担任机械与应用力学教授，并成为剑桥大学工程系的负责人（前任Hopkinson 于1918年8月驾驶飞机从Martlesham Heath 飞往伦敦，途中飞机失事坠亡）。第一次世界大战后，欧洲满目疮痍，百废待兴，英格里斯立刻扩大工程部门以满足对工程师的培养需求，1923年左右买下了Trumpington 大街的Scroope House ，建造了一座4600㎡的实验室，1931年又建造了学术交流中心和绘图室。

英格里斯总是希望为学生提供尽可能广泛的工程教育，在这一点上，英格里斯说工程通识教育可以防止学生“因过早的专业化而陷入困境”。实际上，专业是工业革命和市场化的产物，过早的专业化，必将使人异化为社会的附属品，当供求关系发生变化时，过早专业化了的人才就会陷入困境。而广泛的工程通识教育是对人的培养，合格的人可以最大范围的适应社会的变迁，成为社会的主体，引导并推动社会的进步。

很多人在力学学习上，数学总是一只拦路虎，英格里斯对于工程师如何学习数学打了一个精彩的比喻。在1947年的《机械工程师学会学报》上，英格里斯阐述了他对工程数学教学的思想，他说：“工程师所需要的数学并不必像数学家那样，保证数学的完备性和准确性，也不必具有数学家那样将数学视为艺术和崇高品质的心态。工程数学对于工程师，就像吃罐头时用到的开罐器，与真正的数学家相比，工程师理应更加关心罐头内的东西，并不需要关注开罐头的姿势是否优雅” (Mathematics [required by engineers] though it must be sound and incisive asfar as goes, need not be of that artistic and exalted quality which calls forthe mentality of the real mathematician. It can be termed mathematics of thetin-opening variety, and in contrast to real mathematicians, engineers are moreinterested in the contents of the tin than in the elegance of the tin-openeremployed)。这一比喻形象地告诉我们工程多么依赖于数学（吃罐头要先打开），同时如何将数学变成工程的开罐器，又是值得每一位工程师和力学教师深入研究的课题。

对于工程教育的意义，英格里斯做过深刻的诠释。1941-1942年，英格里斯担任了土木工程学会 (ICE) 的主席，他在就职演说中讲到：“教育的灵魂和精神在于学生忘记了在大学所学到的一切时所剩下的思维习惯”(the soul and spirit of education is that habit of mind which remains when astudent has completely forgotten everything he has ever been taught)。这句话后来有了更多的版本用来说明教育的意义和重要性（爱因斯坦也说过类似的话）。我的一位化学老师对思维和知识之间的关系说的更加直白，他说：“你们学到的知识是次要的，我更看重你们是否具备了知识体现出来的思维方式。因为知识只能在特定的场合使用，思维却可以使你们终身受益”。

阅读英格里斯的一生，总给人一种无限的激励。自幼聪明，成绩优异，在土木工程公司做学徒时，20岁出头就负责13座桥梁的设计和监督，还主动探索工程中的科学问题，研究了发动机的平衡问题。在国王学院工作时，一面开展科学研究，一面从事力学教育。当Hopkinson 给他布置繁重的教学任务时，他却把教学视为了解某个主题的最佳途径。在军队服役时，看到士兵无所事事，便组织士兵开展便携式行军桥的开发，从而诞生了军桥设计理念。服役结束后，返回剑桥担任工程系主任，在这一岗位上不但使剑桥的工程学科发展壮大，还提出了多项至今都价值非凡的教育理念。

英格里斯一生从事过多项工作，扮演过很多角色，学生、学徒、工程师、学会领袖、力学教授等等，在他所有的角色中，他没有放弃任何一个角色。一心向上，遇境逢生，英格里斯几乎在他所有的岗位上都能发现问题、做出贡献。在他去世的前一年 (1951年)，还出版了培养工程师的力学教材《工程师应用力学》(Applied Mechanics for Engineers)，1952年4月1日他的妻子去世，18天后英格里斯去世。剑桥大学为了纪念他，将工程学院中的一栋大楼以他的名字命名。

参考文献：
https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Inglis_(engineer)
https://military-history.fandom.com/wiki/Charles_Inglis_(engineer)
https://en.wikipedia.org/wiki/Bailey_bridge
https://www.gracesguide.co.uk/Charles_Edward_Inglis

来源：力学酒吧微信公众号（ID：Mechanics-Bar），作者：张伟伟。