La mecánica aplicada es la rama de la ciencia que se ocupa del movimiento de cualquier sustancia que pueda ser experimentada o percibida por los humanos sin la ayuda de instrumentos. [1] En resumen, cuando los conceptos de mecánica superan el carácter 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 , ciencias planetarias 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 tiende un puente 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 fluidos macroscópicos. [4] Cada rama de la mecánica aplicada contiene subcategorías formadas a través de sus propias subsecciones también. [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 .
Los problemas de ingeniería generalmente se abordan con mecánica aplicada a través de la aplicación de teorías de mecánica clásica y mecánica de fluidos . [4] Debido a que la mecánica aplicada se puede aplicar en disciplinas de ingeniería como ingeniería civil , ingeniería mecánica , ingeniería aeroespacial , ingeniería de materiales e ingeniería biomédica , a veces se la denomina mecánica de ingeniería. [4]
La ciencia y la ingeniería están interconectadas con respecto a la mecánica aplicada, ya que las investigaciones en ciencia están vinculadas a los procesos de investigación en disciplinas de ingeniería civil, mecánica, aeroespacial, de materiales y biomédica. [1] En ingeniería civil , los conceptos de 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 se puede vincular directamente con áreas de interés de la ingeniería biomédica como 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]
La primera ciencia con una base teórica basada en las matemáticas fue la mecánica ; los principios subyacentes de la mecánica fueron delineados por primera vez por Isaac Newton en su libro Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica de 1687 [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 seminal sobre mecánica aplicada que se publicó en inglés fue A Manual of Applied Mechanics en 1858 por el ingeniero mecánico inglés William Rankine . [8] [9] August Föppl , un ingeniero mecánico y profesor alemán, publicó Vorlesungen über technische Mechanik en 1898 en el que introdujo el cálculo al 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 Society of Applied Mathematics and Mechanics y la primera reunión del International Congress of Applied Mechanics . [1] En 1921, el científico austríaco Richard von Mises inició el Journal of Applied Mathematics and Mechanics ( Zeitschrift für Angewante Mathematik und Mechanik ) y en 1922 con el científico alemán Ludwig Prandtl fundó la Society of Applied Mathematics and Mechanics (Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik ). [1] Durante una conferencia sobre hidrodinámica y aerodinámica en 1922 en Innsbruck , Austria, Theodore von Kármán , un ingeniero húngaro, y Tullio Levi-Civita , un matemático italiano, se conocieron y decidieron organizar una conferencia sobre mecánica aplicada. [1] En 1924 se celebró la primera reunión del Congreso Internacional de Mecánica Aplicada en Delft , Países Bajos, a la 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 EE. UU. 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 en mecánica aplicada, muchos 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 de Estados Unidos". [10] En 1930, Theodore von Kármán dejó Alemania y se convirtió en el primer director del Laboratorio Aeronáutico del Instituto de Tecnología de California ; Más tarde, von Kármán cofundaría el Laboratorio de Propulsión a Chorro 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]
La dinámica, el estudio del movimiento y desplazamiento de varios objetos, se puede dividir en dos ramas, la cinemática y la cinética . [4] Para la mecánica clásica , la cinemática sería el análisis de los 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 las fuerzas y las 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]
El estudio de la estática es el estudio y descripción de los cuerpos en reposo. [4] El análisis estático en la mecánica clásica se puede dividir en dos categorías, cuerpos deformables y cuerpos no deformables. [4] Al estudiar los cuerpos deformables, se analizan las consideraciones relacionadas con las fuerzas que actúan sobre las estructuras rígidas. Al estudiar los cuerpos no deformables, se observa el examen de la estructura y la resistencia del material. [4] En el contexto de la mecánica de fluidos, se tiene en cuenta el estado de reposo del fluido no afectado por la presión. [4]
La Mecánica Aplicada es el resultado de las aplicaciones prácticas de varias disciplinas de ingeniería/mecánica, como se ilustra en la siguiente tabla. [4]
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 "dividir y gobernar" 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 las fuerzas externas que actúen sobre dicha materia, se dictará la estrategia de "dividir y gobernar" dentro de los estudios dinámicos y estáticos. [3]
El principio de Arquímedes es un principio fundamental que contiene muchas proposiciones definitorias relacionadas con la mecánica de fluidos. Como se indica en la proposición 7 del principio de Arquímedes, un sólido que es más pesado que el fluido en el que se coloca, descenderá al fondo del fluido. [11] Si se debe pesar el sólido dentro del fluido, el fluido se medirá como más liviano que el peso de la cantidad de fluido que fue desplazado por dicho sólido. [11] Desarrollado más a fondo 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 que quede completamente cubierto por el líquido. [11] El peso de la cantidad de fluidos desplazados será entonces igual al peso del sólido. [11]
Esta sección se basa en el "Esquema de clasificación de temas AMR" de la revista Applied Mechanics Reviews [12] .