Прикладная механика — это отрасль науки, занимающаяся движением любого вещества, которое может быть воспринято или воспринято людьми без помощи инструментов. [1] Короче говоря, когда концепции механики выходят за рамки теории и применяются и выполняются, общая механика становится прикладной механикой. Именно это резкое отличие делает прикладную механику необходимым пониманием для практической повседневной жизни. [2] Она имеет многочисленные приложения в самых разных областях и дисциплинах, включая, помимо прочего, структурную инженерию , астрономию , океанографию , метеорологию , гидравлику , машиностроение , аэрокосмическую технику , нанотехнологии , проектирование конструкций , сейсмостойкость , гидродинамику , планетарные науки и другие науки о жизни. [3] [4] Связывая исследования между многочисленными дисциплинами, прикладная механика играет важную роль как в науке , так и в технике . [1]
Чистая механика описывает реакцию тел (твердых и жидких) или систем тел на внешнее поведение тела, находящегося либо в начальном состоянии покоя, либо в движении, подвергающегося воздействию сил. Прикладная механика заполняет пробел между физической теорией и ее применением к технологии .
Состоящая из двух основных категорий, прикладная механика может быть разделена на классическую механику ; изучение механики макроскопических твердых тел, и механику жидкости ; изучение механики макроскопических жидкостей. [4] Каждая ветвь прикладной механики содержит подкатегории, образованные также через свои собственные подразделы. [4] Классическая механика , разделенная на статику и динамику , еще больше подразделяется, причем исследования статики разделены на твердые тела и жесткие конструкции, а исследования динамики разделены на кинематику и кинетику . [4] Как и классическая механика , механика жидкости также делится на два раздела: статику и динамику. [4]
В рамках практических наук прикладная механика полезна для формулирования новых идей и теорий, открытия и интерпретации явлений, а также разработки экспериментальных и вычислительных инструментов. [5] В применении к естественным наукам механику дополняют термодинамика , изучение тепла и, в более общем плане, энергии , и электромеханика , изучение 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 техника , материаловедение и биомедицинская инженерия , ее иногда называют инженерной механикой. [4]
Наука и инженерия взаимосвязаны в отношении прикладной механики, поскольку исследования в области науки связаны с исследовательскими процессами в гражданских, механических, аэрокосмических, материаловедениях и биомедицинской инженерии. [1] В гражданском строительстве концепции прикладной механики могут применяться к проектированию конструкций и различным инженерным подтемам, таким как структурное, прибрежное, геотехническое, строительное и сейсмостойкое строительство . [4] В машиностроении они могут применяться 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 используется в аэродинамике, аэрокосмической строительной механике и движителях, проектировании самолетов и механике полета. [4] В материаловедении концепции прикладной механики используются в термоупругости, теории упругости , механизмах разрушения и отказа, оптимизации проектирования конструкций, разрушении и усталости, активных материалах и композитах, а также вычислительной механике. [6] Исследования в области прикладной механики могут быть напрямую связаны с интересующими областями биомедицинской инженерии, такими как ортопедия; биомеханика; анализ движения человеческого тела; моделирование мягких тканей мышц, сухожилий, связок и хрящей; механика биожидкостей; а также динамические системы, повышение производительности и оптимальное управление. [7]
Первой наукой с теоретическим фундаментом, основанным на математике , была механика ; основные принципы механики были впервые изложены Исааком Ньютоном в его книге 1687 года Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica [3] . Одной из самых ранних работ, определяющих прикладную механику как отдельную дисциплину, была трехтомная Handbuch der Mechanik, написанная немецким физиком и инженером Францем Йозефом Герстнером . [8] Первой основополагающей работой по прикладной механике, опубликованной на английском языке, была A Manual of Applied Mechanics в 1858 году английского инженера-механика Уильяма Рэнкина . [8] [9] Август Фёппль , немецкий инженер-механик и профессор, опубликовал Vorlesungen über technische Mechanik в 1898 году, в которой он ввел исчисление в изучение 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 ученый Рихард фон Мизес начал издавать Журнал прикладной математики и механики ( Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik ), а в 1922 году совместно с немецким ученым Людвигом Прандтлем основал Общество прикладной математики и механики ( Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik ). [1] Во время конференции по гидродинамике и аэродинамике 1922 года 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, в котором приняли участие более 200 ученых со всего мира. [1] [3] С момента этого первого заседания конгресс проводился каждые четыре года, за исключением периода Второй мировой войны ; в 1960 году название конгресса было изменено на Международный конгресс теоретической и прикладной механики. [1]
Из-за непредсказуемой политической обстановки 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 от большевистской Красной армии в 1918 году и в конечном итоге эмигрировал в США в 1922 году; в течение следующих двадцати двух лет он преподавал прикладную механику в Мичиганском университете и Стэнфордском университете . [10] Тимошенко является автором тринадцати учебников по прикладной механике, многие из которых считались золотым стандартом в своих областях; он также основал Отдел прикладной механики Американского общества инженеров-механиков в 1927 году и считается «отцом американской инженерной механики». [10] В 1930 году Теодор фон Карман покинул Германию и стал первым директором Авиационной лаборатории Калифорнийского технологического института ; В 1944 году фон Карман стал одним из основателей Лаборатории реактивного движения. [1] Под руководством Тимошенко и фон Кармана, благодаря притоку талантов из Европы и быстрому росту авиационной и оборонной промышленности, прикладная механика к 1950 году стала в США зрелой дисциплиной. [1]
Динамика, изучение движения и перемещения различных объектов, может быть далее разделена на две ветви: кинематику и кинетику . [4] Для классической механики кинематика была бы анализом движущихся тел с использованием времени, скоростей , перемещений и ускорений . [4] Кинетика была бы изучением движущихся тел через призму эффектов сил и масс. [4] В контексте механики жидкости, динамика жидкости относится к потоку и описанию движения различных жидкостей. [4]
Изучение статики — это изучение и описание тел в состоянии покоя. [4] Статический анализ в классической механике можно разделить на две категории: деформируемые тела и недеформируемые тела. [4] При изучении деформируемых тел анализируются соображения, касающиеся сил, действующих на жесткие конструкции. При изучении недеформируемых тел наблюдается исследование структуры и прочности материала. [4] В контексте механики жидкости учитывается состояние покоя жидкости, не подверженной давлению. [4]
Прикладная механика является результатом практического применения различных инженерных/механических дисциплин, как показано в таблице ниже. [4]
Будучи одной из первых наук, для которой была разработана систематическая теоретическая основа, механика была возглавлена « 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 динамических и статических исследованиях. [3]
Принцип Архимеда является основным, содержащим множество определяющих положений, относящихся к механике жидкости. Как указано в предложении 7 принципа Архимеда, твердое тело, которое тяжелее жидкости, в которую оно помещено, опустится на дно жидкости. [11] Если твердое тело необходимо взвесить в жидкости, жидкость будет измерена как более легкая, чем вес количества жидкости, вытесненной этим твердым телом. [11] Далее развивая это предложение 5, если твердое тело легче жидкости, в которую оно помещено, твердое тело должно быть принудительно погружено, чтобы полностью покрыться жидкостью. [11] Тогда вес количества вытесненных жидкостей будет равен весу твердого тела. [11]
Этот раздел основан на «Схеме классификации предметов AMR» из журнала Applied Mechanics Reviews [12] .