Прикладная механика

Прикладная механика — это отрасль науки, изучающая движение любого вещества, которое человек может ощутить или воспринять без помощи инструментов. ^[1]Короче говоря, когда концепции механики выходят за рамки теоретических и применяются и реализуются, общая механика становится прикладной механикой. Именно это резкое различие делает прикладную механику важным пониманием практической повседневной жизни. ^[2] Он имеет множество применений в самых разных областях и дисциплинах, включая, помимо прочего, строительную инженерию , астрономию , океанографию , метеорологию , гидравлику , машиностроение , аэрокосмическую технику , нанотехнологии , проектирование конструкций , сейсмическую инженерию , гидродинамику , планетарные науки и т. д. другие науки о жизни. ^[3]^[4] Объединяя исследования между многочисленными дисциплинами, прикладная механика играет важную роль как в науке , так и в технике . ^[1]

Чистая механика описывает реакцию тел (твёрдых тел и жидкостей) или систем тел на внешнее поведение тела, находящегося либо в начальном состоянии покоя, либо в движении, под действием сил. Прикладная механика устраняет разрыв между физической теорией и ее применением в технике .

Прикладную механику, состоящую из двух основных категорий, можно разделить на классическую механику ; изучение механики макроскопических твердых тел и механики жидкости ; изучение механики макроскопических жидкостей. ^[4] Каждая отрасль прикладной механики содержит подкатегории, образованные также своими подразделами. ^[4] Классическая механика , разделенная на статику и динамику , подразделяется еще дальше: исследования статики делятся на твердые тела и твердые конструкции, а исследования динамики делятся на кинематику и кинетику . ^[4] Как и классическая механика , механика жидкости также делится на два раздела: статику и динамику. ^[4]

В практических науках прикладная механика полезна для формулирования новых идей и теорий, открытия и интерпретации явлений, а также разработки экспериментальных и вычислительных инструментов. ^[5] Считалось , что в применении естественных наук механика дополняется термодинамикой , изучением тепла и, в более общем смысле, энергии , и электромеханикой , изучением электричества и магнетизма .

Обзор [ править ]

Инженерные проблемы обычно решаются с помощью прикладной механики посредством применения теорий классической механики и механики жидкости . ^[4] Поскольку прикладная механика может применяться в таких инженерных дисциплинах, как гражданское строительство , машиностроение , аэрокосмическая инженерия , материаловедение и биомедицинская инженерия , ее иногда называют инженерной механикой. ^[4]

Наука и техника взаимосвязаны в отношении прикладной механики, поскольку научные исследования связаны с исследовательскими процессами в гражданских, механических, аэрокосмических дисциплинах, материалах и биомедицинской инженерии. ^[1] В гражданском строительстве концепции прикладной механики могут применяться к проектированию конструкций и различным инженерным подтемам, таким как структурное, береговое, геотехническое, строительное и сейсмическое проектирование . ^[4] В машиностроении его можно применять в мехатронике и робототехнике , проектировании и черчении, нанотехнологиях , элементах машин, структурном анализе, сварке трением с перемешиванием и акустической инженерии . ^[4] В аэрокосмической технике прикладная механика применяется в аэродинамике, аэрокосмической строительной механике и двигательной технике, конструировании самолетов и механике полета. ^[4] В области материаловедения концепции прикладной механики используются в термоупругости, теории упругости , механизмах разрушения и разрушения, оптимизации структурного проектирования, разрушении и усталости, активных материалах и композитах, а также вычислительной механике. ^[6]Исследования в области прикладной механики могут быть напрямую связаны с областями биомедицинской инженерии, такими как ортопедия; биомеханика; анализ движений человеческого тела; мягкотканое моделирование мышц, сухожилий, связок и хрящей; механика биожидкостей; и динамические системы, повышение производительности и оптимальное управление. ^[7]

Краткая история [ править ]

Первой наукой с теоретической основой, основанной на математике , была механика ; основные принципы механики были впервые изложены Исааком Ньютоном в его книге 1687 года Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. ^[3]. Одной из первых работ, определявших прикладную механику как отдельную дисциплину, был трехтомный Handbuch der Mechanik , написанный немецким физиком и инженером Францем Йозефом Герстнером . ^[8] Первой плодотворной работой по прикладной механике, опубликованной на английском языке, было « Руководство по прикладной механике», написанное в 1858 году английским инженером-механиком Уильямом Рэнкином . ^[8]^[9] Август Фёппль , немецкий инженер-механик и профессор, в 1898 году опубликовал книгу «Vorlesungen über technische Mechanik» , в которой он представил исчисление в изучении прикладной механики. ^[8]

Прикладная механика была создана как дисциплина, отдельная от классической механики, в начале 1920-х годов с публикацией журнала «Прикладная математика и механика» , созданием Общества прикладной математики и механики и первым заседанием Международного конгресса прикладной механики . ^[1] В 1921 году австрийский учёный Рихард фон Мизес основал « Журнал прикладной математики и механики» и , а в 1922 году вместе с немецким учёным Людвигом Прандтлем основал Общество прикладной математики механики . ^[1] Во время конференции по гидродинамике и аэродинамике в Инсбруке , Австрия, Теодор фон Карман в 1922 году венгерский инженер и итальянский математик Туллио Леви-Чивита встретились и решили организовать конференцию по прикладной механике. ^[1] первое заседание Международного конгресса прикладной механики (Нидерланды) состоялось В 1924 году в Делфте , на котором присутствовало более 200 ученых со всего мира. ^[1]^[3]С момента этой первой встречи конгресс проводился каждые четыре года, за исключением периода Второй мировой войны ; В 1960 году название встречи было изменено на Международный конгресс теоретической и прикладной механики . ^[1]

Из-за непредсказуемого политического ландшафта в Европе после Первой мировой войны и потрясений Второй мировой войны многие европейские ученые и инженеры эмигрировали в Соединенные Штаты. ^[1]Украинский инженер Стефан Тимошенко бежал из большевистской Красной Армии в 1918 году и в конце концов эмигрировал в США в 1922 году; в течение следующих двадцати двух лет он преподавал прикладную механику в Мичиганском и Стэнфордском университетах . ^[10]Тимошенко является автором тринадцати учебников по прикладной механике, многие из которых считаются золотым стандартом в своих областях; он также основал Отдел прикладной механики Американского общества инженеров-механиков в 1927 году и считается «отцом инженерной механики Америки». ^[10]В 1930 году Теодор фон Карман покинул Германию и стал первым директором авиационной лаборатории Калифорнийского технологического института ; Позже в 1944 году фон Карман стал соучредителем Лаборатории реактивного движения . ^[1] Под руководством Тимошенко и фон Кармана, притоком талантов из Европы и быстрым ростом авиационной и оборонной промышленности к 1950 году прикладная механика стала зрелой дисциплиной в США. ^[1]

Филиалы [ править ]

Динамика [ править ]

Динамику, науку о движении и передвижении различных объектов, можно разделить еще на две ветви: кинематику и кинетику . ^[4] Для классической механики кинематика — это анализ движущихся тел с использованием времени, скорости , смещения и ускорения . ^[4] Кинетика будет изучением движущихся тел через призму воздействия сил и масс. ^[4] В контексте механики жидкости гидродинамика относится к потоку и описанию движения различных жидкостей. ^[4]

Статика [ править ]

Изучение статики – это изучение и описание тел, находящихся в состоянии покоя. ^[4] Статический анализ в классической механике можно разделить на две категории: деформируемые тела и недеформируемые тела. ^[4]При исследовании деформируемых тел анализируются соображения, связанные с силами, действующими на жесткие конструкции. При исследовании недеформируемых тел наблюдают за исследованием структуры и прочности материала. ^[4] В контексте механики жидкости учитывается состояние покоя жидкости, не подвергающейся воздействию давления. ^[4]

классической механикой Связь с

Прикладная механика является результатом практического применения различных инженерных/механических дисциплин; как показано в таблице ниже. ^[4]


Статика	Недеформируемый Тело	Гражданский Инженерное дело
Статика	Деформируемый Тело	Механический Инженерное дело
Динамика	Кинематика	Аэрокосмическая промышленность Инженерное дело
Динамика	Кинетика	Материалы Инженерное дело

Примеры [ править ]

Ньютоновский фонд

Будучи одной из первых наук, для которых была разработана систематическая теоретическая основа, механика была инициирована «Началами» сэра Исаака Ньютона (опубликованными в 1687 году). ^[3] Именно стратегия «разделяй и властвуй», разработанная Ньютоном, помогла управлять движением и разделить его на динамику и статику. ^[3] В зависимости от типа силы , типа материи и внешних сил, действующих на эту материю, будет диктоваться стратегия «Разделяй и властвуй» в рамках динамических и статических исследований. ^[3]

Принцип Архимеда [ править ]

Принцип Архимеда является основным и содержит множество определяющих положений, касающихся механики жидкости. Как утверждается в предложении 7 принципа Архимеда, твердое тело, которое тяжелее жидкости, в которой оно находится, опустится на дно жидкости. ^[11] Если твердое вещество необходимо взвешивать внутри жидкости, жидкость будет измеряться как легче, чем вес количества жидкости, которое было вытеснено указанным твердым веществом. ^[11] Далее развивается предложение 5: если твердое тело легче жидкости, в которую оно помещено, твердое тело придется принудительно погрузить, чтобы оно полностью покрылось жидкостью. ^[11] Вес суммы вытесненной жидкости тогда будет равен весу твердого тела. ^[11]

Основные темы [ править ]

Этот раздел основан на «Схеме классификации предметов AMR» из журнала Applied Mechanics Reviews. ^[12].

Основы и основные методы [ править ]

Динамика и вибрация [ править ]

Динамика (механика)
Кинематика
Колебания твердых тел (основы)
Вибрации (элементы конструкции)
Вибрации (структуры)
Волновое движение в твердых телах
Воздействие на твердые тела
Волны в несжимаемой жидкости
Волны в сжимаемых жидкостях
Взаимодействие с твердой жидкостью
Космонавтика ( небесная и орбитальная механика )
Взрывы и баллистика
Акустика

Автоматическое управление [ править ]

Теория систем и дизайн
Оптимальная система управления
Системные и управляющие приложения
Робототехника
Производство

Механика твердого тела [ править ]

Эластичность
вязкоупругость
Пластичность и вязкопластичность
Механика композитных материалов
Кабели, канаты, балки и т. д.
Пластины , оболочки , мембраны и т.д.
Структурная устойчивость ( выпучивание , поствыпучивание)
Электромагнитная механика твердого тела
Механика грунтов (базовый)
Механика грунтов (прикладная)
Рок-механика
Обработка материалов
Процессы разрушения и повреждения
разрушения и повреждения Механика
Экспериментальный стресс-анализ
Тестирование материалов
Структуры (базовые)
Конструкции (земля)
Структуры ( океанские и прибрежные )
Структуры ( мобильные )
Структуры (сдерживание)
Трение и износ
Элементы машины
Конструкция машины
Крепление и соединение

Механика жидкостей [ править ]

Реология
Гидравлика
несжимаемый поток
Сжимаемый поток
Разреженный поток
Многофазный поток
Слои стен (включая пограничные слои )
Внутренний поток ( труба , канал и кювета )
Внутренний поток (входы, сопла , диффузоры и каскады)
Слои свободного сдвига (слои смешения, струи , следы , каверны и шлейфы )\
Стабильность потока
Турбулентность
Электромагнитная жидкость и динамика плазмы
Пупочная гидромеханика
Аэродинамика
Гидродинамика машинного оборудования
Смазка
Измерение расхода и визуализация

Тепловые науки [ править ]

Термодинамика
Теплопередача (однофазная конвекция )
Теплопередача (двухфазная конвекция)
Теплопередача ( проводимость )
Теплопередача ( радиационный и комбинированный режимы)
Теплопередача ( устройства и системы)
Термодинамика твердых тел
Массоперенос (с теплообменом и без)
Горение
Первичные двигатели и двигательные установки

Науки о Земле [ править ]

Энергетические и среда окружающая системы

Системы ископаемого топлива
Ядерные системы
Геотермальные системы
Солнечные энергетические системы
Ветроэнергетические системы
океана Энергетическая система
энергии Распределение и хранение
Механика окружающей среды
Сдерживание и утилизация опасных отходов

Биологические науки [ править ]

Приложения [ править ]

Публикации [ править ]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^Это ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Пао, Йи-Синг (1 февраля 1998 г.). «Прикладная механика в науке и технике» . Обзоры прикладной механики . 51 (2): 141–153. Бибкод : 1998ApMRv..51..141P . дои : 10.1115/1.3098993 . ISSN 0003-6900 .
^ Драббл, Джордж Э. (1971-01-01), Драббл, Джордж Э. (редактор), «ГЛАВА ПЕРВАЯ - ВВЕДЕНИЕ» , Прикладная механика , Academic Press, стр. 1–8, ISBN 978-0-491-00208-0 , получено 6 ноября 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^Это ^ж Эберхард, Питер; Юхас, Стивен, ред. (2016). ИУТАМ . дои : 10.1007/978-3-319-31063-3 . ISBN 978-3-319-31061-9 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^Это ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^О ^п ^д ^р ^с Абдель Вахаб, Магд (март 2020 г.). «Редакция» . Прикладная механика . 1 (1): 1–2. дои : 10.3390/applmech1010001 .
^ Куррер, Карл-Ойген (23 апреля 2008 г.). История теории конструкций: от арочного анализа к вычислительной механике (1-е изд.). Уайли. дои : 10.1002/9783433600160 . ISBN 978-3-433-01838-5 .
^ «Механика и материалы – Машиностроение» . me.engin.umich.edu . Проверено 6 ноября 2021 г.
^ «Прикладная механика и биомедицинская инженерия» . www.brunel.ac.uk . Проверено 6 ноября 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Куррер, Карл-Ойген (23 апреля 2008 г.). История теории структур . Уайли. дои : 10.1002/9783433600160 . ISBN 978-3-433-01838-5 .
^ Рэнкин, Уильям Джон Маккорн (1858). Руководство по прикладной механике . Библиотеки Калифорнийского университета. Лондон: Р. Гриффин.
^ Перейти обратно: ^а ^б Вайнгардт, Ричард Г. (1 октября 2008 г.). «Степан Петрович Тимошенко» . Лидерство и менеджмент в инженерии . 8 (4): 309–314. дои : 10.1061/(ASCE)1532-6748(2008)8:4(309) . ISSN 1532-6748 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Архимед; Хит, Томас Литтл (1897). Работы Архимеда . Библиотека колледжа Уэлсли. Кембридж, Университетское издательство.
^ «Журнал обзоров прикладной механики (AMR) | ASME — ASME» . www.asme.org . Проверено 6 ноября 2021 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

Дж. П. Ден Хартог , Сопротивление материалов , Дувр, Нью-Йорк, 1949.
Ф. П. Бир , Э. Р. Джонстон, Дж. Т. ДеВольф, Механика материалов , МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1981.
С. П. Тимошенко, История сопротивления материалов , Дувр, Нью-Йорк, 1953.
Дж. Э. Гордон , Новая наука о прочных материалах , Принстон, 1984.
Х. Петроски, Инженер – это человек , Сент-Мартинс, 1985.
Т.А. МакМахон и Дж.Т. Боннер, О размере и жизни , Научно-американская библиотека, WH Freeman, 1983.
М. Ф. Эшби , Выбор материалов в дизайне , Пергамон, 1992.
А. Х. Коттрелл, Механические свойства материи , Уайли, Нью-Йорк, 1964.
С.А. Уэйнрайт, В.Д. Биггс, Дж.Д. Организмы , Эдвард Арнольд, 1976.
С. Фогель, Сравнительная биомеханика , Принстон, 2003.
Дж. Ховард, Механика моторных белков и цитоскелета , Sinauer Associates, 2001.
Дж. Л. Мериам, Л. Г. Крейдж. Инженерная механика, том 2: Динамика , John Wiley & Sons., Нью-Йорк, 1986.
Дж. Л. Мериам, Л. Г. Крейдж. Инженерная механика, том 1: Статика , John Wiley & Sons., Нью-Йорк, 1986.

Внешние ссылки [ править ]

Видео и веб-лекции

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^Это ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Пао, Йи-Синг (1 февраля 1998 г.). «Прикладная механика в науке и технике» . Обзоры прикладной механики . 51 (2): 141–153. Бибкод : 1998ApMRv..51..141P . дои : 10.1115/1.3098993 . ISSN 0003-6900 .

[2] Драббл, Джордж Э. (1971-01-01), Драббл, Джордж Э. (редактор), «ГЛАВА ПЕРВАЯ - ВВЕДЕНИЕ» , Прикладная механика , Academic Press, стр. 1–8, ISBN 978-0-491-00208-0 , получено 6 ноября 2021 г.

[:1-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^Это ^ж Эберхард, Питер; Юхас, Стивен, ред. (2016). ИУТАМ . дои : 10.1007/978-3-319-31063-3 . ISBN 978-3-319-31061-9 .

[:2-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^Это ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^О ^п ^д ^р ^с Абдель Вахаб, Магд (март 2020 г.). «Редакция» . Прикладная механика . 1 (1): 1–2. дои : 10.3390/applmech1010001 .

[:3-5] Куррер, Карл-Ойген (23 апреля 2008 г.). История теории конструкций: от арочного анализа к вычислительной механике (1-е изд.). Уайли. дои : 10.1002/9783433600160 . ISBN 978-3-433-01838-5 .

[6] «Механика и материалы – Машиностроение» . me.engin.umich.edu . Проверено 6 ноября 2021 г.

[7] «Прикладная механика и биомедицинская инженерия» . www.brunel.ac.uk . Проверено 6 ноября 2021 г.

[:4-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с Куррер, Карл-Ойген (23 апреля 2008 г.). История теории структур . Уайли. дои : 10.1002/9783433600160 . ISBN 978-3-433-01838-5 .

[9] Рэнкин, Уильям Джон Маккорн (1858). Руководство по прикладной механике . Библиотеки Калифорнийского университета. Лондон: Р. Гриффин.

[:5-10] Перейти обратно: ^а ^б Вайнгардт, Ричард Г. (1 октября 2008 г.). «Степан Петрович Тимошенко» . Лидерство и менеджмент в инженерии . 8 (4): 309–314. дои : 10.1061/(ASCE)1532-6748(2008)8:4(309) . ISSN 1532-6748 .

[:6-11] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Архимед; Хит, Томас Литтл (1897). Работы Архимеда . Библиотека колледжа Уэлсли. Кембридж, Университетское издательство.

[12] «Журнал обзоров прикладной механики (AMR) | ASME — ASME» . www.asme.org . Проверено 6 ноября 2021 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]