Mecanica aplicată este ramura științei care se ocupă cu mișcarea oricărei substanțe care poate fi manevrată sau percepută de oameni fără ajutorul instrumentelor. Pe scurt, atunci când conceptele teoretice ale mecanicii sunt aplicate și puse în practică, mecanica generală devine mecanică aplicată. Această diferență face ca mecanica aplicată să aibă o utilitate esențială pentru viața practică de zi cu zi. Are numeroase aplicații într-o gamă largă de domenii și discipline, inclusiv, dar fără a se limita la: inginerie structurală, astronomie, oceanografie, meteorologie, hidraulică, inginerie mecanică, inginerie aerospațială, nanotehnologie, proiectare structurală, , dinamica fluidelor, planetologie și altele. Conectând cercetarea între numeroase discipline, mecanica aplicată joacă un rol important atât în știință, cât și în inginerie.
Mecanica pură descrie răspunsul corpurilor (solide și fluide) sau al sistemelor de corpuri la comportamentul extern al unui corp, fie într-o stare inițială de repaus, fie în mișcare, supus acțiunii forțelor. Mecanica aplicată face legătura dintre teoria fizică și aplicarea acesteia în tehnică și tehnologie.
Compusă din două categorii principale, mecanica aplicată poate fi împărțită în mecanica clasică – studiul mecanicii solidelor macroscopice;– și mecanica fluidelor ;– studiul mecanicii fluidelor macroscopice. Fiecare ramură a mecanicii aplicate conține subcategorii formate din propriile subsecțiuni. Mecanica clasică, divizată în statică, cinematică și dinamică, are diverse subdiviziuni, statica fiind divizată în statica corpurilor rigide și cea a structurilor rigide. La fel cu mecanica clasică, mecanica fluidelor este divizată în hidrostatică și dinamica fluidelor.
În cadrul științelor practice, mecanica aplicată este utilă în formularea de noi idei și teorii, descoperirea și interpretarea fenomenelor și dezvoltarea de instrumente experimentale și de calcul. În aplicațiile din științele naturale se consideră că mecanica este completată de termodinamică – studiul căldurii și, mai general, al energiei – și de electromecanică, studiul electricității și magnetismului.
Istoric
Prima știință cu o bază teoretică matematică a fost mecanica; principiile care stau la baza mecanicii au fost conturate pentru prima dată de Isaac Newton în cartea sa din 1687, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Una dintre primele lucrări care au definit mecanica aplicată ca disciplină de sine stătătoare a fost Handbuch der Mechanik în trei volume, scrisă de fizicianul și inginerul german Franz Josef Gerstner. Prima lucrare fundamentală despre mecanica aplicată publicată în limba engleză a fost Manual of Applied Mechanics în 1858, scrisă de inginerul mecanic englez William Rankine. August Föppl, inginer mecanic și profesor german, a publicat în 1898 lucrarea Vorlesungen über technische Mechanik, în care a introdus calculul diferențial și integral în studiul mecanicii aplicate.
Mecanica aplicată a fost recunoscută ca o disciplină separată de mecanica clasică la începutul anilor 1920, prin crearea Society of Applied Mathematics and Mechanics (în ). In 1921 Richard von Mises a început publicarea Zeitschrift für Angewante Mathematik und Mechanik, iar în 1922, împreună cu Ludwig Prandtl a fondat Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik (în ). În timpul unei conferințe despre hidrodinamică și aerodinamică, care a avut loc în 1922 la Innsbruck, Theodore von Kármán și Tullio Levi-Civita s-au întâlnit și au decis să organizeze o conferință despre mecanica aplicată. În 1924 Uniunea Internațională de Mecanică Teoretică și Aplicată a ținut la Delft Congresul Internațional de Mecanică Aplicată, la care au participat peste 200 de oameni de știință din întreaga lume. De la această primă întâlnire, congresul a avut loc la fiecare patru ani, cu excepția perioadei din Al Doilea Război Mondial. În 1960 denumirea întâlnirii a fost schimbată în „Congresul Internațional de Mecanică Teoretică și Aplicată”.
Din cauza peisajului politic imprevizibil din Europa după Primul Război Mondial și a tulburărilor celui de Al Doilea Război Mondial, mulți oameni de știință și ingineri europeni au emigrat în Statele Unite. În 1918 Stepan Timoșenko a fugit de Armata Roșie și în 1922 a emigrat în SUA; în următorii douăzeci și doi de ani a predat mecanică aplicată la Universitatea din Michigan și la Universitatea Stanford. Timoșenko a scris treisprezece manuale de mecanică aplicată, multe fiiind considerate standardul în domeniile lor. De asemenea, în 1927 a fondat Applied Mechanics Division a American Society of Mechanical Engineers și este considerat „părintele american al mecanicii inginerești”. În 1930 Theodore von Kármán a plecat din Germania și a devenit primul director al Guggenheim Aeronautical Laboratory de la California Institute of Technology. Ulterior, în 1944, von Kármán a fost cofondatorul Jet Propulsion Laboratory in 1944. Sub conducerea lui Timoșenko și von Kármán, a afluxului de talente din Europa și a creșterii rapide a industriilor aeronautice și de apărare, până în 1950 mecanica aplicată a devenit o disciplină serioasă în SUA.
Descriere Problemele inginerești sunt în general abordate cu mecanica aplicată prin aplicarea teoriilor mecanicii clasice și a mecanicii fluidelor.
Știința și ingineria sunt interconectate în ceea ce privește mecanica aplicată, deoarece cercetările în știință sunt legate de procesele de cercetare din disciplinele ingineriei civile, mecanice, aerospațiale, a materialelor și biomedicale. În ingineria civilă conceptele mecanicii aplicate pot fi aplicate proiectării structurale și unei varietăți de subteme inginerești, cum ar fi ingineria structurală, costieră, geotehnică, construcții și ingineria seismică. În ingineria mecanică poate fi aplicată în mecatronică și robotică, proiectare, nanotehnologie, organe de mașini, analiză structurală, sudare prin frecare și inginerie acustică. În ingineria aerospațială mecanica aplicată este utilizată în aerodinamică, mecanica structurală, proiectarea aeronavelor, propulsia aerospațială și mecanica zborului. În ingineria materialelor conceptele mecanicii aplicate sunt utilizate în termoelasticitate, teoria elasticității, mecanisme ale ruperii, ruperea la oboseală, optimizarea proiectării structurale, materiale active și compozite și mecanică computațională. Cercetarea în mecanica aplicată poate fi direct legată de ingineria biomedicală, cum ar fi ortopedia, biomecanica, analiza mișcării corpului uman, modelarea țesuturilor moi ale mușchilor, tendoanelor, ligamentelor și cartilajelor, mecanica biofluidelor, sistemele dinamice, îmbunătățirea performanței și controlul optim.
Relația cu mecanica clasică Mecanica aplicată este rezultatul aplicațiilor practice ale diferitelor discipline inginerești/mecanice, așa cum este ilustrat în tabelul de mai jos. +Mecanica clasică/ Mecanica fluidelorStaticăSolidrigidAplicațiipracticeIngineriecivilăMecanicăaplicatăSoliddeformabilIngineriemecanicăCinematicăSolidInginerieaerospațialăDinamicăSolidLichdGazȘtiințamaterialelor
Ramuri Dinamică
Dinamica este studiul mișcării diferitelor obiecte, poate fi împărțită în continuare în două ramuri, cinematică și dinamică. Pentru mecanica clasică, cinematica ar fi analiza corpurilor în mișcare folosind timpul, viteza, deplasarea și accelerația. Dinamica propriu-zisă ar fi studiul corpurilor în mișcare prin prisma efectelor forțelor și maselor. În contextul mecanicii fluidelor, dinamica fluidelor se referă la curgerea și descrierea mișcării diferitelor fluide.
Statică
Studiul staticii este studiul și descrierea corpurilor în repaus. Analiza statică în mecanica clasică poate fi împărțită în două categorii: corpuri nedeformabile și corpuri deformabile. Atunci când se studiază corpurile nedeformabile, se analizează considerațiile referitoare la forțele care acționează asupra structurilor rigide. Atunci când se studiază corpurile deformabile, se observă examinarea structurii și a rezistenței materialului. În contextul mecanicii fluidelor, se ia în considerare starea de repaus a fluidului neafectat de presiune.
Exemple Fundamentele Newtoniene Fiind una dintre primele științe pentru care a fost dezvoltat un cadru teoretic sistematic, mecanica a fost condusă de lucrarea Principia... a lui Isaac Newton, publicată în 1687. Strategia divide et impera dezvoltată de Newton a ajutat la înțelegerea mișcării și la împărțirea acesteia în statică și dinamică. Tipul de „forță”, tipul de „materie” și „forțele externe” care acționează asupra materiei respective, va dicta strategia în cadrul studiilor de statică, cinematică și dinamică.
Forța arhimedică Forța arhimedică este o noțiune majoră, bazată pe multe propoziții definitorii referitoare la mecanica fluidelor. Așa cum se afirmă în propoziția 7 a principiilor lui Arhimede, un solid care este mai greu decât fluidul în care este plasat va coborî pe fundul fluidului. Dacă solidul trebuie cântărit în interiorul fluidului, fluidul va fi măsurat ca fiind mai ușor cu greutatea cantității de fluid dezlocuite de respectivul solid. Dezvoltat în continuare de propoziția 5, dacă solidul este mai ușor decât fluidul în care este plasat, solidul va trebui scufundat cu forța pentru a fi complet acoperit de lichid. Greutatea cantității de fluide dezlocuite va fi atunci egală cu greutatea solidului.
Domenii Lista următoare se bazează pe schema AMR de clasificare a subiectelor din reviata Applied Mechanics Reviews (AMR). '
Fundamente și metode de bază Mecanica mediilor continue Metoda elementelor finite Metoda diferențelor finite Alte metode numerice Analiza sistemelor experimentală
Dinamică și vibrații Dinamică Cinematică Vibrațiile solidelor Vibrațiile elementelor structurale Vibrațiile structurilor Propagarea undelor în solide Ciocnirea solidelor Unde în fluide incompresibile Unde în fluide compresibile Interacțiuni solid–fluid Astronautică (mecanică cerească și astrodinamică) Explozii și balistică Acustică
Optimizări și automatizări Teoria și proiectarea sistemelor Sisteme optime de control Aplicații de sistem și control Robotică Fabricație
Mecanica solidelor Elasticitate Viscoelasticitate Plasticitate și viscoplasticitate Mecanica materialelor compozite Cabluri, frânghii, grinzi etc. Plăci, carcase, membrane etc. Stabilitate structurală (flambaj) Mecanica solidelor în câmpuri electromagnetice Mecanica solurilor Mecanica rocilor Procese tehnologice Mecanica ruperii Analiza tensiuni–deformații Încercarea materialelor Mecanica structurilor Structuri terestre Structuri marine și de coastă Structura autovehiculelor Izolarea structurilor Mecanica frecării de contact și uzura Organe de mașini Proiectarea mașinilor Îmbinări
Mecanica fluidelor Reologie Hidraulică Curgere incompresibilă Curgere compresibilă Curgere rarefiată Curgere multifazică Strat limită Curgere interioară (prin țevi, canale cu suprafață liberă și Couette) Curgere interioară (intrări, ajutaje, difuzoare) Straturi de forfecare libere (straturi mixte, jeturi, siaje, cavitație și ) Stabilitatea curgerilor Turbulență Magnetohidrodinamică, fluide magnetice și dinamica plasmei Hidrodinamică Aerodinamică Dinamica fluidelor din mașinării Ungere Măsurarea și vizualizarea curgerilor
Termodinamică Termodinamică Transmiterea căldurii (convecție monofazică) Transmiterea căldurii (convecție multifazică) Transmiterea căldurii (conducție termică) Transmiterea căldurii (radiație termică și moduri combinate) Transmiterea căldurii (schimbătoare de căldură și alte echipamente) Termodinamica solidelor Transfer de masă (cu și fără transfer de căldură) Ardere Motoare și sisteme de propulsie
Geologie Micromeritică Medii poroase Geomecanică Cutremure Hidrologie, oceanologie și meteorologie
Energie și mediu Inginerie petrolieră Energie nucleară Energie geotermică Energie solară Energie eoliană Energie marină