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Mecánica Aplicada

La mecánica aplicada es la rama de la ciencia que se ocupa del movimiento de cualquier sustancia que los humanos puedan experimentar o percibir sin la ayuda de instrumentos. [1] En definitiva, cuando los conceptos de la mecánica superan lo teórico y se aplican y ejecutan, la mecánica general se convierte en mecánica aplicada. Es esta marcada diferencia la que hace que la mecánica aplicada sea una comprensión esencial para la vida cotidiana práctica. [2] Tiene numerosas aplicaciones en una amplia variedad de campos y disciplinas, que incluyen, entre otras, ingeniería estructural , astronomía , oceanografía , meteorología , hidráulica , ingeniería mecánica , ingeniería aeroespacial , nanotecnología , diseño estructural , ingeniería sísmica , dinámica de fluidos , planetaria . ciencias y otras ciencias de la vida. [3] [4] Al conectar la investigación entre numerosas disciplinas, la mecánica aplicada juega un papel importante tanto en la ciencia como en la ingeniería . [1]

La mecánica pura describe la respuesta de los cuerpos (sólidos y fluidos) o sistemas de cuerpos al comportamiento externo de un cuerpo, ya sea en un estado inicial de reposo o de movimiento, sometido a la acción de fuerzas. La mecánica aplicada cierra la brecha entre la teoría física y su aplicación a la tecnología .

Compuesta por dos categorías principales, la Mecánica Aplicada se puede dividir en mecánica clásica ; el estudio de la mecánica de sólidos macroscópicos y mecánica de fluidos ; el estudio de la mecánica de los fluidos macroscópicos. [4] Cada rama de la mecánica aplicada contiene subcategorías formadas también a través de sus propias subsecciones. [4] La mecánica clásica , dividida en estática y dinámica , se subdivide aún más, con los estudios de estática divididos en cuerpos rígidos y estructuras rígidas, y los estudios de dinámica divididos en cinemática y cinética . [4] Al igual que la mecánica clásica , la mecánica de fluidos también se divide en dos secciones: estática y dinámica. [4]

Dentro de las ciencias prácticas, la mecánica aplicada es útil para formular nuevas ideas y teorías, descubrir e interpretar fenómenos y desarrollar herramientas experimentales y computacionales. [5] En la aplicación de las ciencias naturales , se decía que la mecánica se complementaba con la termodinámica , el estudio del calor y, más generalmente , de la energía , y la electromecánica , el estudio de la electricidad y el magnetismo .

Descripción general

Los problemas de ingeniería generalmente se abordan con la mecánica aplicada mediante la aplicación de teorías de la mecánica clásica y la mecánica de fluidos . [4] Debido a que la mecánica aplicada se puede aplicar en disciplinas de la ingeniería como la ingeniería civil , la ingeniería mecánica , la ingeniería aeroespacial , la ingeniería de materiales y la ingeniería biomédica , a veces se la denomina ingeniería mecánica. [4]

La ciencia y la ingeniería están interconectadas con respecto a la mecánica aplicada, ya que las investigaciones en ciencia están vinculadas a procesos de investigación en las disciplinas de ingeniería civil, mecánica, aeroespacial, de materiales y biomédica. [1] En ingeniería civil , los conceptos de la mecánica aplicada se pueden aplicar al diseño estructural y a una variedad de subtemas de ingeniería como ingeniería estructural, costera, geotécnica, de construcción y sísmica . [4] En ingeniería mecánica , se puede aplicar en mecatrónica y robótica , diseño y dibujo, nanotecnología , elementos de máquinas, análisis estructural, soldadura por fricción y agitación e ingeniería acústica . [4] En ingeniería aeroespacial , la mecánica aplicada se utiliza en aerodinámica, mecánica estructural y propulsión aeroespacial, diseño de aeronaves y mecánica de vuelo. [4] En ingeniería de materiales, los conceptos de mecánica aplicada se utilizan en termoelasticidad, teoría de la elasticidad , mecanismos de fractura y falla, optimización del diseño estructural, fractura y fatiga, materiales activos y compuestos, y mecánica computacional. [6] La investigación en mecánica aplicada puede vincularse directamente con áreas de interés de la ingeniería biomédica como la ortopedia; biomecánica; análisis del movimiento del cuerpo humano; modelado de tejidos blandos de músculos, tendones, ligamentos y cartílagos; mecánica de biofluidos; y sistemas dinámicos, mejora del rendimiento y control óptimo. [7]

Breve historia

La primera ciencia con fundamento teórico basado en las matemáticas fue la mecánica ; Los principios subyacentes de la mecánica fueron delineados por primera vez por Isaac Newton en su libro de 1687 Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica [3] . Uno de los primeros trabajos en definir la mecánica aplicada como una disciplina propia fue el Handbuch der Mechanik, de tres volúmenes , escrito por el físico e ingeniero alemán Franz Josef Gerstner . [8] El primer trabajo fundamental sobre mecánica aplicada que se publicó en inglés fue A Manual of Applied Mechanics en 1858, del ingeniero mecánico inglés William Rankine . [8] [9] August Föppl , ingeniero mecánico y profesor alemán, publicó Vorlesungen über technische Mechanik en 1898 en el que introdujo el cálculo en el estudio de la mecánica aplicada. [8]

La mecánica aplicada se estableció como una disciplina separada de la mecánica clásica a principios de la década de 1920 con la publicación del Journal of Applied Mathematics and Mechanics , la creación de la Sociedad de Matemáticas y Mecánica Aplicadas y la primera reunión del Congreso Internacional de Mecánica Aplicada . [1] En 1921, el científico austriaco Richard von Mises fundó la Revista de Matemáticas y Mecánica Aplicadas ( Zeitschrift für Angewante Mathematik und Mechanik ) y en 1922, con el científico alemán Ludwig Prandtl, fundó la Sociedad de Matemáticas y Mecánica Aplicadas ( Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik ). . [1] Durante una conferencia sobre hidrodinámica y aerodinámica celebrada en 1922 en Innsbruck , Austria, Theodore von Kármán , un ingeniero húngaro, y Tullio Levi-Civita , un matemático italiano, se reunieron y decidieron organizar una conferencia sobre mecánica aplicada. [1] En 1924 se celebró en Delft, Países Bajos, la primera reunión del Congreso Internacional de Mecánica Aplicada , al que asistieron más de 200 científicos de todo el mundo. [1] [3] Desde esta primera reunión el congreso se ha celebrado cada cuatro años, excepto durante la Segunda Guerra Mundial ; el nombre de la reunión se cambió a Congreso Internacional de Mecánica Teórica y Aplicada en 1960. [1]

Debido al impredecible panorama político en Europa después de la Primera Guerra Mundial y la agitación de la Segunda Guerra Mundial, muchos científicos e ingenieros europeos emigraron a los Estados Unidos. [1] El ingeniero ucraniano Stephan Timoshenko huyó del Ejército Rojo bolchevique en 1918 y finalmente emigró a los Estados Unidos en 1922; durante los siguientes veintidós años enseñó mecánica aplicada en la Universidad de Michigan y la Universidad de Stanford . [10] Timoshenko fue autor de trece libros de texto sobre mecánica aplicada, muchos de ellos considerados el estándar de oro en sus campos; también fundó la División de Mecánica Aplicada de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos en 1927 y es considerado el "padre de la ingeniería mecánica en Estados Unidos". [10] En 1930 Theodore von Kármán abandonó Alemania y se convirtió en el primer director del Laboratorio Aeronáutico del Instituto Tecnológico de California ; Más tarde, von Kármán cofundaría el Jet Propulsion Laboratory en 1944. [1] Con el liderazgo de Timoshenko y von Kármán, la afluencia de talentos de Europa y el rápido crecimiento de las industrias aeronáutica y de defensa, la mecánica aplicada se convirtió en una disciplina madura. en los EE. UU. en 1950. [1]

Sucursales

Dinámica

La dinámica, el estudio del movimiento y el movimiento de varios objetos, se puede dividir en dos ramas, cinemática y cinética . [4] Para la mecánica clásica , la cinemática sería el análisis de cuerpos en movimiento utilizando el tiempo, las velocidades , el desplazamiento y la aceleración . [4] La cinética sería el estudio de los cuerpos en movimiento a través de la lente de los efectos de fuerzas y masas. [4] En el contexto de la mecánica de fluidos, la dinámica de fluidos se refiere al flujo y la descripción del movimiento de varios fluidos. [4]

estática

El estudio de la estática es el estudio y descripción de los cuerpos en reposo. [4] El análisis estático en mecánica clásica se puede dividir en dos categorías, cuerpos deformables y cuerpos no deformables. [4] Al estudiar cuerpos deformables se analizan consideraciones relativas a las fuerzas que actúan sobre las estructuras rígidas. Al estudiar cuerpos indeformables se observa el examen de la estructura y la resistencia del material. [4] En el marco de la mecánica de fluidos se tiene en cuenta el estado de reposo del fluido sin presión. [4]

Relación con la mecánica clásica

La Mecánica Aplicada es el resultado de las aplicaciones prácticas de diversas disciplinas de ingeniería/mecánica; como se ilustra en la siguiente tabla. [4]

Ejemplos

Fundación Newtoniana

Al ser una de las primeras ciencias para las que se desarrolló un marco teórico sistemático, la mecánica fue encabezada por los "Principia" de Sir Isaac Newton (publicados en 1687). [3] Es la estrategia de "divide y vencerás" desarrollada por Newton la que ayudó a gobernar el movimiento y dividirlo en dinámica o estática. [3] Dependiendo del tipo de fuerza , tipo de materia y de las fuerzas externas que actúan sobre dicha materia, se dictará la estrategia de "Divide y vencerás" dentro de los estudios dinámicos y estáticos. [3]

Principio de Arquimedes

El principio de Arquímedes es uno de los principales y contiene muchas proposiciones definitorias relacionadas con la mecánica de fluidos. Como lo establece la proposición 7 del principio de Arquímedes, un sólido que sea más pesado que el fluido en el que se coloca descenderá al fondo del fluido. [11] Si el sólido se va a pesar dentro del fluido, se medirá que el fluido es más liviano que el peso de la cantidad de fluido que fue desplazado por dicho sólido. [11] Desarrollado aún más por la proposición 5, si el sólido es más liviano que el fluido en el que se coloca, el sólido tendrá que sumergirse a la fuerza para quedar completamente cubierto por el líquido. [11] El peso de la cantidad de fluidos desplazados será entonces igual al peso del sólido. [11]

Temas principales

Esta sección se basa en el "Esquema de clasificación de materias AMR" de la revista Applied Mechanics Reviews [12] .

Fundamentos y métodos básicos.

Dinámica y vibración.

Control automático

mecanica de solidos

mecanica de fluidos

ciencias termales

Ciencias de la Tierra

Sistemas energéticos y medio ambiente.

Biociencias

Aplicaciones

Publicaciones

Ver también

Referencias

  1. ^ abcdefghijk Pao, Yih-Hsing (1 de febrero de 1998). "Mecánica Aplicada a la Ciencia y la Ingeniería". Revisiones de Mecánica Aplicada . 51 (2): 141-153. Código Bib : 1998ApMRv..51..141P. doi :10.1115/1.3098993. ISSN  0003-6900.
  2. ^ Drabble, George E. (1 de enero de 1971), Drabble, George E. (ed.), "CAPÍTULO UNO - INTRODUCCIÓN", Mecánica Aplicada , Academic Press, págs. 1–8, ISBN 978-0-491-00208-0, recuperado el 6 de noviembre de 2021
  3. ^ abcdefEberhard , Peter; Juhasz, Stephen, eds. (2016). IUTAM. doi :10.1007/978-3-319-31063-3. ISBN 978-3-319-31061-9.
  4. ^ abcdefghijklmnopqrs Abdel Wahab, Magd (marzo de 2020). "Editorial". Mecánica Aplicada . 1 (1): 1–2. doi : 10.3390/applmech1010001 .
  5. ^ Kurrer, Karl-Eugen (23 de abril de 2008). La historia de la teoría de las estructuras: del análisis de arcos a la mecánica computacional (1 ed.). Wiley. doi :10.1002/9783433600160. ISBN 978-3-433-01838-5.
  6. ^ "Mecánica y Materiales - Ingeniería Mecánica". me.engin.umich.edu . Consultado el 6 de noviembre de 2021 .
  7. ^ "Mecánica Aplicada e Ingeniería Biomédica". www.brunel.ac.uk . Consultado el 6 de noviembre de 2021 .
  8. ^ abc Kurrer, Karl-Eugen (23 de abril de 2008). La historia de la teoría de las estructuras. Wiley. doi :10.1002/9783433600160. ISBN 978-3-433-01838-5.
  9. ^ Rankine, William John Macquorn (1858). Un manual de mecanica aplicada. Bibliotecas de la Universidad de California. Londres: R. Griffin.
  10. ^ ab Weingardt, Richard G. (1 de octubre de 2008). "Stephen P. Timoshenko". Liderazgo y Gestión en Ingeniería . 8 (4): 309–314. doi : 10.1061/(ASCE)1532-6748(2008)8:4(309) . ISSN  1532-6748.
  11. ^ abcd Arquímedes; Brezo, Thomas Little (1897). Las obras de Arquímedes. Biblioteca de Wellesley College. Prensa de la Universidad de Cambridge.
  12. ^ "Revista de revisiones de mecánica aplicada (AMR) | ASME - ASME". www.asme.org . Consultado el 6 de noviembre de 2021 .

Otras lecturas

enlaces externos

Conferencias en vídeo y web.