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 .
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]
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]
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]
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]
La Mecánica Aplicada es el resultado de las aplicaciones prácticas de diversas 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 "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]
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]
Esta sección se basa en el "Esquema de clasificación de materias AMR" de la revista Applied Mechanics Reviews [12] .