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応用力学は、機器の助けを借りずに人間が経験または知覚できるあらゆる物質の運動を扱う科学の一分野です。[1]つまり、力学の概念が理論を超えて応用され実行されると、一般力学は応用力学になります。この大きな違いにより、応用力学は実際の日常生活に不可欠な理解となっています。[2]応用力学は、構造工学、天文学、海洋学、気象学、水力学、機械工学、航空宇宙工学、ナノテクノロジー、構造設計、地震工学、流体力学、惑星科学、その他の生命科学など、さまざまな分野や学問分野で多数の応用があります。[3] [4]多数の分野間の研究を結び付け、応用力学は科学と工学の両方で重要な役割を果たしています。[1]
純粋力学は、力の作用を受ける静止または運動の初期状態にある物体（固体および流体）または物体のシステムの外部挙動に対する反応を説明します。応用力学は、物理理論と技術への応用との間のギャップを埋めます。
応用力学は2つの主なカテゴリーから成り、マクロな固体の力学を研究する古典力学と、マクロな流体の力学を研究する流体力学に分けられます。[ 4]応用力学の各分野には、独自のサブセクションによって形成されたサブカテゴリーも含まれます。[4] 古典力学は静力学と動力学に分かれており、さらに細分化されており、静力学の研究は剛体と剛構造に、動力学の研究は運動学と運動学に分かれています。[4]古典力学と同様に、流体力学も静力学と動力学の2つのセクションに分かれています。[4]
実用科学においては、応用力学は新しいアイデアや理論の構築、現象の発見や解釈、実験や計算ツールの開発に役立ちます。[5]自然科学の応用においては、力学は熱力学（熱、より一般的にはエネルギーの研究）と電気力学（電気と磁気の研究）によって補完されると言われています。
概要
工学上の問題は、一般的に古典力学と流体力学の理論を応用した応用力学で解決されます。[4]応用力学は土木工学、機械工学、航空宇宙工学、材料工学、生体工学などの工学分野に応用できるため、工学力学と呼ばれることもあります。[4]
応用力学に関して科学と工学は相互に関連しており、科学の研究は土木、機械、航空宇宙、材料、生物医学工学の分野の研究プロセスにリンクされています。[1]土木工学では、応用力学の概念は構造設計や、構造、海岸、地盤、建設、地震工学などのさまざまな工学サブトピックに適用できます。[4]機械工学では、メカトロニクスとロボット工学、設計と製図、ナノテクノロジー、機械要素、構造解析、摩擦攪拌接合、音響工学に適用できます。[4]航空宇宙工学では、応用力学は空気力学、航空宇宙構造力学と推進、航空機設計と飛行力学に使用されます。[4]材料工学では、応用力学の概念は熱弾性、弾性理論、破壊と破損のメカニズム、構造設計の最適化、破壊と疲労、活性材料と複合材料、計算力学に使用されます。[6]応用力学の研究は、整形外科、生体力学、人体動作解析、筋肉、腱、靭帯、軟骨の軟部組織モデリング、生体流体力学、動的システム、パフォーマンス向上、最適制御などの生体医学工学の分野に直接結びつく可能性があります。[7]
略歴
数学に基づく理論的基礎を持つ最初の科学は力学である。力学の基本原理は、アイザック・ニュートンが1687年に著した『自然哲学の数理原理』 [3]で初めて概説された。応用力学を独自の学問分野として定義した最も初期の著作の一つは、ドイツの物理学者で技術者のフランツ・ヨーゼフ・ゲルストナーが著した全3巻の『機械力学ハンドブック』である。[8]応用力学に関する英語で出版された最初の独創的な著作は、1858年に英国の機械技術者ウィリアム・ランキンが著した『応用力学マニュアル』である。[8] [9]ドイツの機械技術者で教授のアウグスト・フェップルは、 1898年に『技術力学入門』を出版し、その中で応用力学の研究に微積分を導入した。 [8]
応用力学は、1920年代初頭に『応用数学・力学ジャーナル』の刊行、応用数学・力学協会の設立、国際応用力学会議の第1回会議により、古典力学とは別の分野として確立されました。[1] 1921年にオーストリアの科学者リヒャルト・フォン・ミーゼスが『応用数学・力学ジャーナル( Zeitschrift für Angewante Mathematik und Mechanik ) 』を創刊し、1922年にドイツの科学者ルートヴィヒ・プラントルとともに応用数学・力学協会 ( Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik ) を設立しました。[1] 1922年にオーストリアのインスブルックで流体力学と空気力学に関する会議が開催された際、ハンガリーの技術者テオドール・フォン・カルマンとイタリアの数学者トゥリオ・レヴィ＝チヴィタが出会い、応用力学に関する会議を開催することを決定した。[1] 1924年にオランダのデルフトで国際応用力学会議の第1回会議が開催され、世界中から200人以上の科学者が参加した。[1] [3]この第1回会議以来、第二次世界大戦 中を除いて4年ごとに会議が開催されており、 1960年に会議の名前が国際理論および応用力学会議に変更された。 [1]
第一次世界大戦後のヨーロッパの予測不可能な政治情勢と第二次世界大戦の混乱のため、多くのヨーロッパの科学者や技術者が米国に移住した。 [1]ウクライナ人技術者のステファン・ティモシェンコは1918年にボルシェビキの赤軍から逃亡し、最終的に1922年に米国に移住した。その後22年間、ミシガン大学とスタンフォード大学で応用力学を教えた。[10]ティモシェンコは応用力学の教科書を13冊執筆し、その多くがその分野のゴールドスタンダードとみなされている。また、1927年にアメリカ機械学会応用力学部門を設立し、「アメリカの工学力学の父」とみなされている。[10] 1930年にセオドア・フォン・カルマンはドイツを離れ、カリフォルニア工科大学の航空研究所の初代所長となった。フォン・カルマンは後に1944年にジェット推進研究所を共同設立した。[1]ティモシェンコとフォン・カルマンのリーダーシップ、ヨーロッパからの才能の流入、航空・防衛産業の急速な成長により、応用力学は1950年までに米国で成熟した学問分野となった。[1]
支店
ダイナミクス
さまざまな物体の運動と動きを研究する力学は、さらに運動学と運動力学の2つの分野に分けられます。[4]古典力学では、運動学は時間、速度、変位、加速度を使用して移動する物体を分析することになります。[4]運動力学は、力と質量の影響の観点から移動する物体を研究することになります。[4]流体力学の文脈では、流体力学はさまざまな流体の流れと動きの記述に関係しています。[4]
静力学
静力学の研究は、静止した物体の研究と記述です。[4]古典力学における静的解析は、変形可能な物体と変形不可能な物体の2つのカテゴリに分類できます。[4]変形可能な物体を研究する場合、剛体構造に作用する力に関する考慮事項が分析されます。変形不可能な物体を研究する場合、構造と材料の強度の検査が観察されます。[4]流体力学の文脈では、圧力の影響を受けない流体の静止状態が考慮されます。[4]
古典力学との関係
応用力学は、以下の表に示すように、さまざまな工学/機械分野の実用的な応用の結果です。[4]
例
ニュートンの基礎
体系的な理論的枠組みが開発された最初の科学の 1 つである力学は、アイザック・ニュートン卿のプリンキピア(1687 年出版) によって先導されました。[3]ニュートンによって開発された「分割統治」戦略は、運動を制御および動的または静的に分割するのに役立ちました。[3]力の種類、物質の種類、および物質に作用する外部の力に応じて、動的研究と静的研究における「分割統治」戦略が決定されます。[3]
アルキメデスの原理
アルキメデスの原理は、流体力学に関する多くの定義的命題を含む主要な原理です。アルキメデスの原理の命題 7 で述べられているように、固体が液体よりも重い場合、固体は液体の底に沈みます。[11]固体を液体内で計量すると、液体は、その固体によって押しのけられた液体の量よりも軽いと測定されます。[11]命題 5 によってさらに展開すると、固体が液体よりも軽い場合、固体は液体に完全に覆われるように強制的に浸さなければなりません。[11]そうすると、押しのけられた液体の量の重量は固体の重量に等しくなります。[11]
主なトピック
このセクションは、 Applied Mechanics Reviews誌[12]の「AMR主題分類スキーム」に基づいています。
基礎と基本的な方法
ダイナミクスと振動
- 力学（力学）
- 運動学
- 固体の振動（基礎）
- 振動（構造要素）
- 振動（構造）
- 固体中の波動
- 固体への影響
- 非圧縮流体の波
- 圧縮性流体の波
- 固体と流体の相互作用
- 宇宙工学（天体および軌道力学）
- 爆発と弾道
- 音響
自動制御
- 弾性
- 粘弾性
- 可塑性と粘塑性
- 複合材料力学
- ケーブル、ロープ、梁など
- プレート、シェル、膜など
- 構造安定性（座屈、座屈後）
- 電磁固体力学
- 土質力学（基礎）
- 土質力学（応用）
- 岩石力学
- 材料加工
- 破壊と損傷のプロセス
- 破壊と損傷のメカニズム
- 実験的応力解析
- 材料試験
- 構造（基本）
- 構造物（地上）
- 構造物（海洋および沿岸）
- 構造物（移動式）
- 構造（封じ込め）
- 摩擦と摩耗
- 機械要素
- 機械設計
- 締結と接合
- レオロジー
- 油圧
- 非圧縮流れ
- 圧縮性流れ
- 希薄な流れ
- 多相流
- 壁層（境界層を含む）
- 内部流れ（パイプ、チャネル、クエット）
- 内部の流れ（入口、ノズル、ディフューザー、カスケード）
- 自由せん断層（混合層、ジェット、後流、キャビティ、プルーム）
- 流れの安定性
- 乱気流
- 電磁流体およびプラズマ力学
- 流体力学
- 空気力学
- 機械流体力学
- 潤滑
- フロー測定と可視化
- 熱力学
- 熱伝達（単相対流）
- 熱伝達（二相対流）
- 熱伝達（伝導）
- 熱伝達（放射および複合モード）
- 熱伝達（デバイスとシステム）
- 固体の熱力学
- 質量移動（熱伝達の有無にかかわらず）
- 燃焼
- 原動機と推進システム
アプリケーション
出版物
- 応用数学と力学ジャーナル
- 応用力学部門のニュースレター
- 応用力学ジャーナル
- 応用力学レビュー
- 応用力学
- 季刊力学・応用数学ジャーナル
- 応用数学と力学ジャーナル (PMM)
- 数学と機械に関する研究
- 中央機械工学研究所
参照
参考文献
- ^ abcdefghijk Pao, Yih-Hsing (1998-02-01). 「科学と工学における応用力学」.応用力学レビュー. 51 (2): 141–153. Bibcode :1998ApMRv..51..141P. doi :10.1115/1.3098993. ISSN 0003-6900.
- ^ ドラブル、ジョージ E. (1971-01-01)、ドラブル、ジョージ E. (編)、「第 1 章 - はじめに」、応用力学、アカデミック プレス、pp. 1–8、ISBN 978-0-491-00208-0、 2021-11-06取得
- ^ abcdef エバーハルト、ピーター; ジュハス、スティーブン、編 (2016). IUTAM. doi :10.1007/978-3-319-31063-3. ISBN 978-3-319-31061-9。
- ^ abcdefghijklmnopqrs Abdel Wahab, Magd (2020年3月). 「論説」.応用力学. 1 (1): 1–2. doi : 10.3390/applmech1010001 . hdl : 1854/LU-8634459 .
- ^ Kurrer, Karl-Eugen (2008-04-23). 構造理論の歴史: アーチ解析から計算力学まで (第 1 版). Wiley. doi :10.1002/9783433600160. ISBN 978-3-433-01838-5。
- ^ 「力学と材料 - 機械工学」me.engin.umich.edu . 2021年11月6日閲覧。
- ^ 「応用力学と生体医学工学」www.brunel.ac.uk . 2021年11月6日閲覧。
- ^ abc Kurrer, Karl-Eugen (2008-04-23). 構造理論の歴史. Wiley. doi :10.1002/9783433600160. ISBN 978-3-433-01838-5。
- ^ ランキン、ウィリアム・ジョン・マクォーン（1858年）。応用力学マニュアル。カリフォルニア大学図書館。ロンドン：R.グリフィン。
- ^ ab Weingardt, Richard G. (2008-10-01). 「Stephen P. Timoshenko」.エンジニアリングにおけるリーダーシップとマネジメント. 8 (4): 309–314. doi : 10.1061/(ASCE)1532-6748(2008)8:4(309) . ISSN 1532-6748.
- ^ abcd アルキメデス; ヒース、トーマス・リトル (1897)。アルキメデスの著作。ウェルズリー大学図書館。ケンブリッジ大学出版局。
- ^ 「Journal on Applied Mechanics Reviews (AMR) | ASME - ASME」。www.asme.org 。 2021年11月6日閲覧。
さらに読む
- JP Den Hartog、『材料力学』、ドーバー、ニューヨーク、1949年。
- FP Beer、ER Johnston、JT DeWolf、「材料力学」、McGraw-Hill、ニューヨーク、1981年。
- SP ティモシェンコ、「材料強度の歴史」、ドーバー、ニューヨーク、1953 年。
- JE ゴードン、『強靭な材料の新科学』、プリンストン、1984年。
- H. ペトロスキー『エンジニアは人間である』セント・マーチンズ、1985 年。
- TAマクマホンとJTボナー、「サイズと生命について」、サイエンティフィック・アメリカン・ライブラリー、WHフリーマン、1983年。
- MF Ashby、「デザインにおける材料の選択」、ペルガモン、1992年。
- AH Cottrell, Mechanical Properties of Matter、Wiley、ニューヨーク、1964年。
- SA Wainwright、WD Biggs、JD Organisms、Edward Arnold、1976年。
- S. Vogel、「比較バイオメカニクス」、プリンストン、2003年。
- J. Howard,モータータンパク質と細胞骨格の力学、Sinauer Associates、2001年。
- JL Meriam、LG Kraige。エンジニアリング力学第2巻：ダイナミクス、John Wiley & Sons、ニューヨーク、1986年。
- JL Meriam、LG Kraige。工学力学第1巻：静力学、John Wiley & Sons、ニューヨーク、1986年。
外部リンク
- ビデオとウェブ講義
- 工学力学のビデオ講義とウェブノート
- 応用力学ビデオ講義、SK. Gupta 教授 (インド工科大学デリー校応用力学学部)