Teknisk mekanik

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Delområder inden for teknisk mekanik
 
 
 
 
Teknisk mekanik
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Statik
 
dynamik
 
Styrke teori
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
kinematik
 
kinetik
 
 

Teknisk mekanik er en del af mekanik . Den anvender de fysiske principper på tekniske systemer [1] [2] [3] og omhandler hovedsageligt de solide organer, der er vigtige inden for teknologi. Hovedformålet er at beregne de kræfter, der virker i organerne. [4] Forelæsninger i teknisk mekanik er en integreret del af de maskinindustrien og anlægsteknik kurser. Det behandles også i andre ingeniørvidenskaber såsom elektroteknik , industridesign eller industri- og transportteknik , men i mindre grad.

Teknisk mekanik er ansvarlig for at levere de teoretiske beregningsmetoder, for eksempel til maskinteknik og konstruktionsteknik . Selve dimensioneringen af komponenterne eller konstruktionerne , valg af materialer og lignende overtages derefter af applikationsorienterede discipliner, hvor teknisk mekanik er en hjælpevidenskab, for eksempel designteori eller driftsstyrke .

Objekter for teknisk mekanik er

  • lovene i klassisk mekanik ,
  • matematiske modeller af de mekaniske forhold mellem fysiske kroppe,
  • specifikke og rationelle metoder til beregningsanalyse af mekaniske systemer.

Den klassiske klassifikation er i [3] [5] [6] [7]

  • statik , der omhandler kræfter på statiske (immobile) kroppe (hovedsageligt endimensionelle stænger),
  • styrke-teorien , der omhandler deformerbare legemer (eller hovedsageligt tværsnit) og integrerer materiale- og tværsnitsegenskaber,
  • dynamikken med de to delområderkinetik og kinematik , der omhandler bevægelige kroppe.

I fysik er mekanikken derimod opdelt i kinematik og dynamik, som der indeholder statik og kinetik. [8] [9]

Teoretisk mekanik (også kaldet analytisk mekanik) handler derimod om at udvikle en konsekvent matematisk teori baseret på aksiomer som Newtons love . I teknisk mekanik vælges derimod en metodisk struktur, der giver den nødvendige viden til beregning af maskiner eller strukturer. [10]

Delområder inden for teknisk mekanik

Klassificeringen af ​​teknisk mekanik er ikke ensartet overalt. Generelt betragtes følgende områder som underområder inden for teknisk mekanik. [11]

Statik

Statik er mekanikken i faste kroppe i hvile. Den indeholder statikken for stive kroppe , der ikke deformeres, når kræfter virker på dem. Alle kræfter, der virker på et hvilende legeme, er i ligevægt. Med denne betingelse kan ligninger for ukendte kræfter opsættes fra et antal kendte kræfter. I tilfælde af en bro er for eksempel vægtkræfterne på grund af sin egen vægt kendt op til strukturelle tolerancer, andre belastninger antages eller beregnes, og kræfterne i lejerne (bropirer) kan beregnes med dem. Hovedformålet med den statiske beregning er at beregne de kræfter, der opstår i de komponenter, der skal designes; i tilfælde af en bro, for eksempel i dækket. Det vigtigste legeme i statik er strålen , hvis længde er meget større end dens bredde og højde. Deformerbare kroppe kan beregnes ved hjælp af konstruktionsteknik . I såvel styrketeori som dynamik antages de kræfter, der er bestemt med statikken, at være kendte; disse områder er derfor baseret på statikken.

Styrke teori

I princippet styrke teori omhandler deformerbare organer, dvs. organer, der deformeres, men er i hvile, som i statik. I elastostatik antages det, at et legeme er elastisk , hvilket er en almindelig antagelse i styrkelære. Styrke teorien omfatter imidlertid også plastisk og tyktflydende materialeadfærd, sådan. B. ved kravling . Styrketeorien omhandler også lovene om styrke og stivhed for at kunne beskrive materielle egenskaber og er derfor tæt forbundet med materialeteknologi , der på den anden side omhandler materialer og deres materialespecifikke egenskaber i sig selv. Betegnelserne mekanisk spænding (kraft pr. Tværsnitsareal) og forlængelse (længdeændring i forhold til den samlede længde) er af stor betydning. Forudsat at Hookes lov , i det endimensionelle tilfælde ved konstant temperatur, er stammerne direkte proportionale med de virkende mekaniske spændinger. Et vigtigt mål med styrke teori er beregning af de nødvendige tværsnit af komponenter for givne kræfter og materialer. Målet er at sikre, at de spændinger og deformationer, der opstår, er mindre end de tilladte. [12]

dynamik

Dynamik omhandler bevægelser og tidsvarierende belastninger, der fører til accelerationer og dermed også til bevægelser. Som et særligt tilfælde af bevægelse betragtes hviletilstanden dybest set også; Da dette imidlertid allerede er behandlet detaljeret i statikken, analyseres bevægelsesprocesser inden for dette tekniske område med hastigheder, der ikke er lig med nul. En vigtig bevægelsesform er vibrationer i strukturel dynamik og i vibrationsteori . I teknisk mekanik er dynamikken normalt opdelt i [13] [14]

  • kinematikken , som ikke tager hensyn til nogen kræfter, men kun beskriver geometrien i kroppens bevægelse,
  • kinetikken , som tager hensyn til kræfter og momenter ud over kinematikken.

I fysik, men til dels også i teknisk mekanik, [15] dynamik (græsk for kraft) er den del af fysikken, der omhandler kræfter og opdeler dem i statik (acceleration lig med nul) og kinetik (Acceleration ikke lig med nul). [16]

Dynamik handler normalt om faste kroppe, det omfatter også hydrodynamik og aerodynamik . [15] Disse områder er også inkluderet i strukturel dynamik, hvor z. B. en vibrationsdæmpning til højhuse realiseres med et vandbassin eller i vinden excitation af transmittermaster.

Særlige områder

Disse kaldes undertiden også som "højere teknisk mekanik". [1]

Grundlæggende kan området med teknisk mekanik indsnævres til bestemmelse af spændinger, deformationer, styrker og stivheder i faste legemer samt bevægelser af faste legemer. Hvilestillingen, et vigtigt grænsetilfælde af en bevægelse, bestemmes i teknisk mekanik ved hjælp af statik. Ud over klassisk teknisk mekanik, der stræber efter en lukket matematisk beskrivelse i differentialligninger , bliver udviklingen af numeriske metoder stadig vigtigere. Termodynamik (f.eks. Varmetransport eller cyklusprocesser i motorer og møller) og væskemekanik (hydraulik, fluidmekanik) betragtes normalt ikke som komponenter i teknisk mekanik, men snarere som uafhængige underområder inden for teknik.

Andre særlige underområder inden for teknisk mekanik er positionsberegninger og kontrol af satellitter og ballistik .

Teknisk mekanik historie

De fleste mennesker er i stand til at løse elementære problemer med statik og dynamik ud fra deres egen intuition uden at være klar over den faktiske baggrund. Et meget typisk eksempel på denne antagelse er bjælken i statik, om hvis bæreevne man kan lave ganske præcise oplysninger på grundlag af blot observation.

Formelt blev teknisk mekanik allerede praktiseret af Archimedes , men analytisk brugbare fund er kun blevet afleveret fra første halvdel af 1600 -tallet. Datidens matematikere blev inspireret af mekanikkens beskrivende love til deres nye viden, samtidig opdagede de en række ny viden og matematiske love inden for teknisk mekanik. I de følgende århundreder blev deres teorier introduceret i teknik og gjort praktiske, mens mere teoretisk indsigt fulgte. På samme tid beregnede udøverne et kanonskuds ballistiske flyvning og forsøgte på den anden side at minimere effekten af ​​denne kanonkugle på en fæstnings vægge gennem et smart valg af fæstningens ydre dimensioner.

Illustration af en bjælke lastet af en ekstern belastning i Galileos Discorsi

Den græske Archimedes var den første matematiker til at studere mekaniske problemer i dybden. Han opdagede hydrostatikkens love, som de stadig er gældende i dag. Simon Stevin designede parallelogrammet af kræfter ved hjælp af Stevin tankeeksperimentet opkaldt efter ham. Johannes Kepler beskrev planternes og månes bevægelser med matematiske værktøjer. De Kepler -love, der blev opdaget i processen, bruges stadig i dag til at beregne kredsløbet mellem kunstige satellitter og rumsonder .

I den tidlige moderne æra har Galileo Galilei fortjenesten at have sat den nye videnskab om teknisk mekanik på et formelt matematisk grundlag. Den anden dag i hans Discorsi handler hovedsageligt om diskussionen om styrkeproblemer . Isaac Newton , der skrev videnskabshistorien med opfindelsen af ​​den uendelige kalkulus baseret på mekaniske observationer, havde den samme effekt. Christiaan Huygens leverede allerede praktiske resultater af sin forskning i form af penduluret og mere præcis viden om astronomi . I 1700 -tallet forberedte medlemmerne af Bernoulli -familien sammen med yderligere teoretisk viden grunden til teknisk mekanik, der stadig er gældende i dag og danner grundlag for mange tekniske discipliner. Leonhard Euler navngivet teorierne om buckling , stråle bøjning og forståelse af moderne vindmøller . I samme periode etablerede Charles Augustin de Coulomb grundlaget for friktionsteori , hvilket gav en bedre forståelse af, hvordan de maskiner, der blev opfundet på samme tid, fungerede. I 1800 -tallet blev teknisk mekanik, som også var mere skræddersyet til praktiske behov, udviklet af Karl Culmann , August Ritter , Giuseppe Cremona og Carlo Alberto Castigliano . I mangel af kraftfulde computermaskiner var deres løsninger på mekaniske problemer i det væsentlige baseret på nøjagtige geometriske tegninger . Et andet vigtigt navn fra slutningen af ​​det 19. og begyndelsen af ​​det 20. århundrede inden for teknisk mekanik er Christian Otto Mohr , der udførte forskningen om Mohrs cirkel, og som underviste på det tekniske universitet i Dresden på samme tid som Ludwig Burmester , opfinderen af stencilerne med samme navn. [17]

Også i det 19. århundrede var der en stigende afstand til den teoretiske mekanik, der opereres på universiteterne, som var mere orienteret mod afklaring af grundlæggende begreber end praktisk anvendelse (for eksempel blev magtbegrebet kritiseret, fordi det ikke var grundlæggende (se kritik) af begrebet mekanisk kraft ), og bør om muligt elimineres fra de grundlæggende udtryk). [18] Først var begyndelsen af ​​det 20. århundrede, for. B. af Hans Lorenz og August Föppl , resultater og metoder for teoretisk mekanik indarbejdes i stigende grad i teknisk mekanik, såsom vibrationsteori og repræsentation med vektorer . En arv fra denne historie kan også ses i, at nogle udtryk har forskelligt indhold (se impulsteorem ) eller er defineret med modsatte tegn ( f.eks. Coriolis -acceleration ).

I det 20. århundrede blev aerodynamik udviklet til luftfartsindustriens behov af Nikolai Jegorowitsch Schukowski , Ludwig Prandtl og Theodore von Kármán . Samtidig udviklede John Argyris og andre matematikere den endelige elementmetode . Bygningskonstruktionen , der blomstrede i 1930'erne, brugte iterative metoder til statisk beregning, som udgivet af Gaspar Kani eller Hardy Cross . Alle disse metoder bruger numerik som en vigtig tilgang.

Mange af de nævnte mennesker har også ydet store bidrag på andre områder (f.eks. Inden for hydromekanik , optik, elektroteknik). På den anden side gav teknisk mekanik navne til en hel klasse af matematiske objekter: Tensorerne blev opkaldt efter den spændingstensor, der blev introduceret i forbindelse med elasticitetsteorien . [19]

litteratur

  • István Szabó : Introduktion til ingeniørmekanik. 8. reviderede udgave 1975, genoptryk 2003 ISBN 3-540-44248-0 .
  • István Szabó: Højere teknisk mekanik. 5. udgave. Springer, Berlin 1985, ISBN 3-540-67653-8 (første 1956).
  • RC Hibbeler: Technical Mechanics 1 - Statics . 10., revideret udgave. Pearson Studium, München 2005, 8., revideret udgave 1975, genoptryk. 2003 ISBN 3-8273-7101-5 .
  • RC Hibbeler: Teknisk mekanik 2 - Materialers styrke. 5., reviderede og udvidede udgave. Pearson Studium, München 2005, ISBN 3-8273-7134-1 .
  • RC Hibbeler: Technical Mechanics 3 - Dynamics. 10., revideret og udvidet udgave. Pearson Studium, München 2006, ISBN 3-8273-7135-X .
  • Gross / Hauger / Schröder / Wall: Technical Mechanics 1 - Statics. 11., redigeret udgave Springer, Berlin 2011, ISBN 978-3642138058 .
  • Gross / Hauger / Schröder / Wall: Technical Mechanics 2 - Elastostatics. 11., redigeret udgave Springer, Berlin 2011, ISBN 978-3642199837 .
  • Gross / Hauger / Schröder / Wall: Technical Mechanics 3 - Kinetics. 12., redigeret udgave Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3642295287 .
  • Gross / Hauger / Wriggers: Teknisk mekanik 4 - Hydromekanik, Elementer af højere mekanik, Numeriske metoder. 8. udgave Springer, Berlin 2011, ISBN 978-3642168277 .
  • István Szabó: Historie om mekaniske principper og deres vigtigste anvendelser. Birkhäuser Verlag, ISBN 3-7643-1735-3 .
  • R. Mahnken: Lærebog i teknisk mekanik - statik. 1. udgave Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-21710-4 .
  • R. Mahnken: Textbook of Technical Mechanics - Dynamics. 2. udgave Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-19837-3 .
  • R. Mahnken: Textbook of Technical Mechanics - Elastostatics. 1. udgave Springer, Berlin 2015, ISBN 978-3-662-44797-0 .
  • Wriggers / Nackenhorst / Beuermann / Spiess / Löhnert: Teknisk mekanik kompakt. 2. udgave, Teubner-Verlag, Stuttgart, 2006, ISBN 978-3-8351-0087-9 .
  • Helga Dankert, Jürgen Dankert: Teknisk mekanik, statik, styrke teori, kinematik / kinetik. 4. korr. og yderligere udgave, Teubner-Verlag, 2006, ISBN 3-8351-0006-8 .
  • Herbert Balke : Introduktion til teknisk mekanik . Springer-Vieweg, Berlin
  • Heinz Parkus: Mechanics of Solid Bodies. 2. udgave, Springer-Verlag, 2009, ISBN 978-3211807774 .

Weblinks

Wikibooks: Stive Bodies Mechanics - Lærings- og undervisningsmaterialer
Wikibooks: Mechanics of Real Bodies - Lærings- og undervisningsmaterialer
Wikibooks: Dynamik - Lærings- og undervisningsmaterialer

Individuelle beviser

  1. a b c d e f g h Hartmann: Teknisk mekanik. Wiley, 2015, s.1.
  2. Bruno Assmann: Teknisk mekanik - bind 1: Statik. Oldenbourg, 11. udgave, 1989, s. 13.
  3. a b Ulrich Gabbert , Ingo Raecke: Teknisk mekanik til industrielle ingeniører. Hanser, 4. udgave, 2008, s.5.
  4. ^ Peter Hagedorn: Teknisk mekanik - bind 1: Statik. Verlag Harry Deutsch, 1993, s. 3 f.
  5. Hartmann: Teknisk mekanik. Wiley, 2015, s. XI, 1.
  6. Horst Herr: Teknisk mekanik - statik, dynamik, styrke teori. 2008, forord, s. 2.
  7. ^ Peter Hagedorn: Teknisk mekanik - bind 1: Statik. Verlag Harry Deutsch, 1993, forord.
  8. Mahnken: Lærebog i teknisk mekanik. Dynamik. Springer, 2. udgave, 2012, s.3.
  9. ^ Günther Holzmann, Heinz Meyer, Georg Schumpich: Teknisk mekanik. Statik. 12. udgave, s. 2.
  10. ^ Peter Hagedorn: Teknisk mekanik - bind 1: Statik. Verlag Harry Deutsch, 1993, s.4.
  11. ^ Rolf Mahnken: Lærebog i teknisk mekanik. Statics: Basics and Applications. Springer Verlag, 2011, Google Books.
  12. Herbert Mang , Günter Hofstetter: Styrketeori. Springer, Wien, New York 2004, ISBN 3-211-21208-6 .
  13. Horst Herr: Teknisk mekanik - statik, dynamik, styrke teori. 2008, forord, s. 2-4.
  14. Ulrich Gabbert , Ingo Raecke: Teknisk mekanik til industrielle ingeniører. Hanser, 4. udgave, 2008, s. 213.
  15. a b c d Günter Holzmann, Heinz Meyer, Georg Schumpich: Teknisk mekanik. Statik. 12. udgave.
  16. ^ HG Hahn: Teknisk mekanik. Hanser, 2. udgave, 1990, s. 1.
  17. 100 år med Zeunerbau. ( Memento fra 31. maj 2011 i internetarkivet ). PDF med billede af Otto Mohr og repræsentation af Mohr -kredsen.
  18. ^ Hans Lorenz: Lærebog i teknisk fysik . Oldenbourg, München 1902. , Kapitel om teknisk mekanikkens historie
  19. ^ Karl-Eugen Kurrer : De første tekniske og videnskabelige grunddiscipliner: konstruktionsteknik og teknisk mekanik . I: Historien om konstruktionsteknik. På jagt efter balance . 2., stærkt udvidede udgave. Ernst & Sohn , Berlin 2016, ISBN 978-3-433-03134-6 , s. 144–197.