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

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 , инженерия материалов 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

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 « прикладной Журнал математики и механики» , а в 1922 году вместе с немецким учёным Людвигом Прандтлем основал Общество прикладной математики и 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

Динамика

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

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]

Связь с классической механикой

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

Ньютоновский фундамент

сэра Исаака Ньютона Будучи одной из первых наук, для которых была разработана систематическая теоретическая основа, механика была инициирована «Началами» (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

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 взвесить внутри жидкости, жидкость будет считаться легче, чем вес того 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

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

Основы и основные методы

Динамика и вибрация

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

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

Механика твердого тела

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

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

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

Энергетические системы и окружающая среда

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

Биологические науки

Приложения

Публикации

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^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 ^и ^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 ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с Абдель Вахаб, Магд (март 2020 г.). «Редакция» . Прикладная механика . 1 (1): 1–2. дои : 10.3390/applmech1010001 . hdl : 1854/LU-8634459 .
^ 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

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

Видео и веб-лекции

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^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 ^и ^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 ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с Абдель Вахаб, Магд (март 2020 г.). «Редакция» . Прикладная механика . 1 (1): 1–2. дои : 10.3390/applmech1010001 . hdl : 1854/LU-8634459 .

[: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]