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 , структурное проектирование , сейсмическую инженерию , гидродинамику , планетарные исследования. науки и 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 .
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 материаловедении 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]
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, опубликовал в 1898 году 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» ( Zeitschrift für Angewante Mathematik und Mechanik ), а в 1922 году вместе с немецким учёным Людвигом Прандтлем основал Общество прикладной математики и механики ( Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik ). . [1] Во время конференции 1922 года по гидродинамике и аэродинамике в Инсбруке , Австрия, Теодор фон Карман , венгерский инженер, и Туллио Леви-Чивита , итальянский математик, встретились и решили организовать конференцию по прикладной механике. [1] В 1924 году в Делфте , Нидерланды, состоялось первое заседание Международного конгресса прикладной механики, 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 ; Фон Карман позже стал соучредителем Лаборатории реактивного движения в 1944 году. [1] Под руководством Тимошенко и фон Кармана, притоком талантов из Европы и быстрым ростом авиационной и оборонной промышленности прикладная механика стала зрелой дисциплиной. в США к 1950 году. [1]
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 — это изучение движущихся тел через призму воздействия сил и масс. [4] В контексте механики жидкости гидродинамика относится к потоку и описанию движения различных жидкостей. [4]
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, касающиеся сил, действующих на твердые 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]
Прикладная механика является результатом практического применения различных инженерных/механических дисциплин; как показано в таблице ниже. [4]
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 указанную материю, будет диктоваться стратегия «Разделяй и властвуй» в рамках динамических и статических исследований. [3]
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 необходимо взвесить твердое вещество внутри жидкости, жидкость будет измеряться как 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] Тогда вес вытесненной жидкости будет равен весу твердого тела. [11]
Этот раздел основан на «Схеме классификации предметов AMR» из журнала Applied Mechanics Reviews [12] .