Teknisk mekanikk

Delområder innen teknisk mekanikk
Teknisk mekanikk                                                           Statikk   dynamikk   Styrketeori                                             kinematikk   kinetikk

Teknisk mekanikk er en del av mekanikk . Den bruker de fysiske prinsippene på tekniske systemer ^{[1] [2] [3]} og omhandler hovedsakelig de solide organene som er viktige innen teknologi. Hovedmålet er å beregne kreftene som virker i kroppene. ^[4] Forelesninger i teknisk mekanikk er en integrert del av maskinteknikk og anleggskurs . Det blir også behandlet i andre ingeniørvitenskap som elektroteknikk , industridesign eller industri- og transportteknikk , men i mindre grad.

Teknisk mekanikk er ansvarlig for å tilby de teoretiske beregningsmetodene, for eksempel for maskinteknikk og konstruksjonsteknikk . Selve dimensjoneringen av komponentene eller strukturene , valg av materialer og lignende blir deretter overtatt av applikasjonsorienterte disipliner der teknisk mekanikk er en hjelpevitenskap, for eksempel designteori eller operasjonell styrke .

Objekter for teknisk mekanikk er

• lovene i klassisk mekanikk ,
• matematiske modeller av de mekaniske forholdene mellom fysiske kropper,
• spesifikke og rasjonelle metoder for beregningsanalyse av mekaniske systemer.

Den klassiske klassifiseringen er i ^{[3] [5] [6] [7]}

• statikk , som omhandler krefter på statiske (immobile) kropper (hovedsakelig endimensjonale stenger),
• styrke teorien , som omhandler deformerbare legemer (eller hovedsakelig tverrsnitt) og integrerer materiale og tverrsnittsegenskaper,
• dynamikken med de to delområdene kinetikk og kinematikk , som omhandler bevegelige legemer.

I fysikk , derimot, er mekanikk delt inn i kinematikk og dynamikk, som der inneholder statikk og kinetikk. ^{[8] [9]}

Teoretisk mekanikk (også kalt analytisk mekanikk), derimot, handler om å utvikle en konsekvent matematisk teori basert på aksiomer som Newtons lover . I teknisk mekanikk, derimot, velges en metodisk struktur som gir kunnskapen som kreves for beregning av maskiner eller konstruksjoner. ^[10]

Delområder innen teknisk mekanikk

Klassifiseringen av teknisk mekanikk er ikke ensartet overalt. Generelt anses følgende områder som underområder for teknisk mekanikk. ^[11]

Statikk

Statikk er mekanikken til faste kropper i hvile. Den inneholder statikken til stive legemer som ikke deformeres når krefter virker på dem. Alle krefter som virker på en hvilende kropp er i likevekt. Med denne tilstanden kan ligninger for ukjente krefter settes opp fra en rekke kjente krefter. Når det gjelder en bro, for eksempel, er vektkreftene på grunn av sin egen vekt kjent opp til strukturelle toleranser, andre belastninger antas eller beregnes, og kreftene i lagrene (brobryggene) kan beregnes med dem. Hovedmålet med den statiske beregningen er å beregne kreftene som oppstår i komponentene som skal designes; når det gjelder en bro, for eksempel i dekket. Den viktigste kroppen i statikk er strålen , hvis lengde er mye større enn bredden og høyden. Deformerbare kropper kan beregnes ved hjelp av konstruksjonsteknikk . I styrketeori så vel som i dynamikk antas kreftene bestemt med statikken å være kjent; disse områdene er derfor basert på statistikk.

Styrketeori

I prinsippet omhandler styrketeorien deformerbare kropper, det vil si legemer som deformeres, men er i ro, som i statikk. I elastostatikk antas en kropp å være elastisk , noe som er en vanlig antagelse i styrketeorien. Imidlertid inkluderer styrketeorien også plast og tyktflytende materialatferd slik. B. ved kryp . Styrketeorien omhandler også lovene om styrke og stivhet for å kunne beskrive materialegenskaper og er derfor nært knyttet til materialteknologi , som derimot omhandler materialer og deres materialspesifikke egenskaper i seg selv. Begrepene mekanisk spenning (kraft per tverrsnitt) og forlengelse (endring i lengde i forhold til total lengde) er av stor betydning. Forutsatt at Hookes lov , i endimensjonalt tilfelle ved konstant temperatur, er belastningene direkte proporsjonale med de virkende mekaniske spenningene. Et viktig mål med styrketeori er beregning av nødvendige tverrsnitt av komponenter for gitte krefter og materialer. Målet er å sikre at påkjenningene og deformasjonene som oppstår er mindre enn de tillatte. ^[12]

dynamikk

Dynamikk omhandler bevegelser og tidsvarierende belastninger som fører til akselerasjoner og dermed også til bevegelser. Som et spesielt tilfelle av bevegelse blir hviletilstanden i utgangspunktet også vurdert; Siden dette imidlertid allerede er behandlet i detalj i statikken, analyseres bevegelsesprosesser i dette området av teknisk mekanikk med hastigheter som ikke er lik null. En viktig bevegelsesform er vibrasjoner i strukturell dynamikk og i vibrasjonsteori . I teknisk mekanikk er dynamikken vanligvis delt inn i ^{[13] [14]}

• kinematikken , som ikke tar hensyn til noen krefter, men bare beskriver geometrien til kroppens bevegelse,
• kinetikken , som tar hensyn til krefter og øyeblikk i tillegg til kinematikken.

I fysikk, men delvis også i teknisk mekanikk, ^[15] dynamikk (gresk for kraft) er den delen av fysikken som omhandler krefter og deler dem i statikk (akselerasjon lik null) og kinetikk (akselerasjon ikke lik null). ^[16]

Dynamikk handler vanligvis om faste kropper, det inkluderer også hydrodynamikk og aerodynamikk . ^[15] Disse områdene er også inkludert i strukturell dynamikk, der z. B. en vibrasjonsdemping for høyhus realiseres med et vannbasseng eller i eksitasjon av transmittermaster.

Spesielle områder

Disse blir noen ganger også referert til som "høyere teknisk mekanikk". ^[1]

• Stabilitetsteori : Undersøkelsen av dynamisk bevegelsesstabilitet eller stabiliteten til belastede kropper mot brudd i henhold til teorien om andre orden (for eksempel knekeprosesser ).
• Rotordynamikk og maskin- dynamikk : Undersøkelser av interaksjonen mellom dynamiske krefter og bevegelse mengder innenfor maskiner, hvor oppgaven er å gjenstand roterende sammenstillinger til en teknisk styrbar rotasjonsbevegelse.
• Jordmekanikk : Beskriver deformasjoner og påkjenninger i kontinuerlige (f.eks. Halve mellomrom) med materielle lover som kommer nær jordens virkelige materielle lover.
• Biomekanikk : Den mekaniske undersøkelsen av levende strukturer.
• Viskoelastisk teori : Et spesielt område med kontinuummekanikk som omhandler studiet av viskoelastiske medier.
• Kontaktmekanikk : Undersøkelser av statisk og dynamisk (rullende eller rullende) kontakt av legemer, spesielt opprettelse av modeller for overflatetrykk i kontaktsonen.
• Oscillasjonsteori : ^[1] Forstås også som en del av den generelle dynamikken.
• Væskemekanikk ^[1]
• Teori om elastisitet ^[1]
• Strukturell mekanikk ^[1]
• Kontinuummekanikk ^[1]
• Eksperimentell mekanikk ^[1]
• Sprekkmekanikk
• Endelig elementmetode
• til dels Hydromekanikk : ^[15] F.eks. Demninger og vannforsyning, skip, vannturbiner eller pumper.
• til dels Aerodynamikk : ^[15] F.eks. Aerodynamiske effekter i høyhus, fly eller vindturbiner.

I hovedsak kan området med teknisk mekanikk begrenses til bestemmelse av påkjenninger, deformasjoner, styrker og stivheter i faste legemer samt bevegelser av faste legemer. Hvilestillingen, et viktig grensetilfelle av en bevegelse, bestemmes i teknisk mekanikk ved hjelp av statikk. I tillegg til klassisk teknisk mekanikk, som streber etter en lukket matematisk beskrivelse i differensialligninger , blir utviklingen av numeriske metoder stadig viktigere. Termodynamikk (f.eks. Varmetransport eller syklusprosesser i motorer og turbiner) og væskemekanikk (hydraulikk, væskemekanikk) regnes vanligvis ikke som komponenter i teknisk mekanikk, men snarere som uavhengige underområder innen ingeniørfag.

Andre spesielle underområder innen teknisk mekanikk er posisjonsberegninger og kontroll av satellitter og ballistikk .

Teknisk mekanikkhistorie

De fleste mennesker er i stand til å løse elementære problemer med statikk og dynamikk ut fra sin egen intuisjon , uten å være klar over den faktiske bakgrunnen. Et veldig typisk eksempel på denne antagelsen er bjelken i statikk, hvis bæreevne man kan lage ganske presis informasjon på grunnlag av bare observasjon.

Formelt ble teknisk mekanikk allerede praktisert av Archimedes , men analytisk brukbare funn har bare blitt gitt fra første halvdel av 1600 -tallet. Matematikerne på den tiden ble inspirert av mekanikkens beskrivende lover til deres nye kunnskap, samtidig oppdaget de en rekke nye kunnskaper og matematiske lover for teknisk mekanikk. I århundrene som fulgte ble deres teorier introdusert i ingeniørfag og gjort praktisk mulig, mens mer teoretisk innsikt fulgte. Samtidig beregnet utøverne den ballistiske flukten til en kanonkule og på den annen side prøvde å minimere effekten av denne kanonkulen på festningens vegger gjennom et smart valg av festningens ytre dimensjoner.

Den greske Archimedes var den første matematikeren som studerte mekaniske problemer i dybden. Han oppdaget lovene for hydrostatikk slik de fortsatt er gyldige i dag. Simon Stevin designet parallellogrammet av krefter ved å bruke Stevin tankeeksperiment oppkalt etter ham. Johannes Kepler beskrev bevegelsene til planetene og måner med matematiske verktøy. Kepler -lovene som ble oppdaget i prosessen, brukes fremdeles i dag for å beregne banen til kunstige satellitter og romprober .

I den tidlige moderne epoken har Galileo Galilei fortjenesten å ha satt den nye vitenskapen om teknisk mekanikk på et formelt matematisk grunnlag. Den andre dagen i Discorsi er hovedsakelig opptatt av diskusjonen om styrkeproblemer . Isaac Newton , som skrev vitenskapshistorien med oppfinnelsen av den uendelige kalkulus basert på mekaniske observasjoner, hadde samme effekt. Christiaan Huygens ga allerede praktiske resultater av forskningen sin i form av pendelklokken og mer presis kunnskap om astronomi . På 1700 -tallet forberedte medlemmene av Bernoulli -familien, sammen med ytterligere teoretisk kunnskap, grunnen for teknisk mekanikk som fremdeles er gyldig i dag og danner grunnlaget for mange tekniske disipliner. Leonhard Euler nevnte teoriene om knekking , bjelkebøyning og forståelse av moderne turbiner . I samme periode etablerte Charles Augustin de Coulomb grunnlaget for friksjonsteorien , som ga en bedre forståelse av hvordan maskinene som ble oppfunnet samtidig fungerte. På 1800 -tallet ble teknisk mekanikk, som også var mer skreddersydd for praktiske behov, utviklet av Karl Culmann , August Ritter , Giuseppe Cremona og Carlo Alberto Castigliano . I mangel av kraftige datamaskiner var løsningene på mekaniske problemer hovedsakelig basert på eksakte geometriske tegninger . Et annet viktig navn fra slutten av 1800 -tallet og begynnelsen av 1900 -tallet innen teknisk mekanikk er Christian Otto Mohr , som forsket på Mohrs krets og som underviste ved det tekniske universitetet i Dresden samtidig med Ludwig Burmester , oppfinneren av sjablongene med samme navn. ^[17]

Også på 1800 -tallet var det en økende avstand til den teoretiske mekanikken som drives ved universitetene, som var mer orientert mot avklaring av grunnleggende begreper enn praktisk anvendelse (for eksempel ble maktbegrepet kritisert fordi det ikke var grunnleggende (se kritikk av begrepet mekanisk kraft ), og bør om mulig elimineres fra de grunnleggende begrepene). ^[18] Først var begynnelsen av 1900 -tallet, for. B. av Hans Lorenz og August Föppl , blir resultater og metoder for teoretisk mekanikk i økende grad inkorporert i teknisk mekanikk, for eksempel vibrasjonsteori og representasjon med vektorer . En arv fra denne historien kan også sees i det faktum at noen begreper har forskjellig innhold (se impulsteorem ) eller er definert med motsatte tegn ( f.eks. Coriolis -akselerasjon ).

I det 20. århundre, aerodynamikk ble utviklet for behovene til romfartsindustrien ved Nikolai Jegorowitsch Schukowski , Ludwig Prandtls og Theodore von Kármán . Samtidig utviklet John Argyris og andre matematikere den endelige elementmetoden . Bygningskonstruksjonen , som blomstret på 1930 -tallet, brukte iterative metoder for statisk beregning, som utgitt av Gaspar Kani eller Hardy Cross . Alle disse metodene bruker numerikk som en viktig tilnærming.

Mange av de nevnte menneskene har også gitt store bidrag på andre områder (f.eks. Innen hydromekanikk , optikk, elektroteknikk). På den annen side ga teknisk mekanikk navn til en hel klasse matematiske objekter: Tensorene ble oppkalt etter spenningstensoren som ble introdusert i forbindelse med elastisitetsteorien . ^[19]

litteratur

• István Szabó : Introduksjon til ingeniørmekanikk. 8. reviderte utgave 1975, opptrykk 2003 ISBN 3-540-44248-0 .
• István Szabó: Høyere teknisk mekanikk. 5. utgave. Springer, Berlin 1985, ISBN 3-540-67653-8 (første 1956).
• RC Hibbeler: Technical Mechanics 1 - Statics. 10., reviderte utgave. Pearson Studium, München 2005, 8., reviderte utgave 1975, opptrykk. 2003 ISBN 3-8273-7101-5 .
• RC Hibbeler: Technical Mechanics 2 - Materials styrke. 5., reviderte og utvidede utgave. Pearson Studium, München 2005, ISBN 3-8273-7134-1 .
• RC Hibbeler: Technical Mechanics 3 - Dynamics. 10., reviderte og utvidede utgave. Pearson Studium, München 2006, ISBN 3-8273-7135-X .
• Gross / Hauger / Schröder / Wall: Technical Mechanics 1 - Statics. 11., redigerte utgave Springer, Berlin 2011, ISBN 978-3642138058 .
• Gross / Hauger / Schröder / Wall: Technical Mechanics 2 - Elastostatics. 11., redigerte utgave Springer, Berlin 2011, ISBN 978-3642199837 .
• Gross / Hauger / Schröder / Wall: Technical Mechanics 3 - Kinetics. 12., redigerte utgave Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3642295287 .
• Gross / Hauger / Wriggers: Technical Mechanics 4 - Hydromechanics, Elements of Higher Mechanics, Numerical Methods. 8. utgave Springer, Berlin 2011, ISBN 978-3642168277 .
• István Szabó: Historien om mekaniske prinsipper og deres viktigste bruksområder. Birkhäuser Verlag, ISBN 3-7643-1735-3 .
• R. Mahnken: Lærebok i teknisk mekanikk - statikk. 1. utgave Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-21710-4 .
• R. Mahnken: Textbook of Technical Mechanics - Dynamics. 2. utgave Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-19837-3 .
• R. Mahnken: Textbook of Technical Mechanics - Elastostatics. 1. utgave Springer, Berlin 2015, ISBN 978-3-662-44797-0 .
• Wriggers / Nackenhorst / Beuermann / Spiess / Löhnert: Teknisk mekanikk kompakt. 2. utgave, Teubner-Verlag, Stuttgart, 2006, ISBN 978-3-8351-0087-9 .
• Helga Dankert, Jürgen Dankert: Teknisk mekanikk, statikk, styrketeori, kinematikk / kinetikk. 4. korr. og tilleggsutgave, Teubner-Verlag, 2006, ISBN 3-8351-0006-8 .
• Herbert Balke : Introduksjon til teknisk mekanikk . Springer-Vieweg, Berlin
  • Vol.1: Statics . 3. utgave 2010, ISBN 978-3-642-10397-1 .
  • Bind 2: Kinetikk . 3. utgave 2011, ISBN 978-3-642-19743-7 .
  • Vol.3: Materialets styrke . 3. utgave 2014, ISBN 978-3-642-40980-6 .
• Heinz Parkus: Mechanics of Solid Bodies. 2. utgave, Springer-Verlag, 2009, ISBN 978-3211807774 .

weblenker

• Litteratur av og om teknisk mekanikk i katalogen til det tyske nasjonalbiblioteket
• engl. Wikibook om solid mekanikk
• Undervisning - teknisk mekanikk: statikk, dynamikk, styrke teori

Individuelle bevis

1. ↑ ^{a b c d e f g h} Hartmann: Technical Mechanics. Wiley, 2015, s.1.
2. ↑ Bruno Assmann: Teknisk mekanikk - bind 1: Statikk. Oldenbourg, 11. utgave, 1989, s. 13.
3. ↑ ^{a b} Ulrich Gabbert , Ingo Raecke: Teknisk mekanikk for industrielle ingeniører. Hanser, 4. utgave, 2008, s.5.
4. ^ Peter Hagedorn: Teknisk mekanikk - bind 1: Statikk. Verlag Harry Deutsch, 1993, s. 3 f.
5. ↑ Hartmann: Technical Mechanics. Wiley, 2015, s. XI, 1.
6. ↑ Horst Herr: Teknisk mekanikk - statikk, dynamikk, styrke teori. 2008, forord, s. 2.
7. ^ Peter Hagedorn: Teknisk mekanikk - bind 1: Statikk. Verlag Harry Deutsch, 1993, forord.
8. ↑ Mahnken: Lærebok i teknisk mekanikk. Dynamikk. Springer, 2. utgave, 2012, s.3.
9. ^ Günther Holzmann, Heinz Meyer, Georg Schumpich: Teknisk mekanikk. Statikk. 12. utgave, s. 2.
10. ^ Peter Hagedorn: Teknisk mekanikk - bind 1: Statikk. Verlag Harry Deutsch, 1993, s.4.
11. ^ Rolf Mahnken: Lærebok i teknisk mekanikk. Statikk: Grunnleggende og applikasjoner. 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 mekanikk - statikk, dynamikk, styrke teori. 2008, forord, s. 2-4.
14. ↑ Ulrich Gabbert , Ingo Raecke: Teknisk mekanikk for industrielle ingeniører. Hanser, 4. utgave, 2008, s. 213.
15. ↑ ^{a b c d} Günter Holzmann, Heinz Meyer, Georg Schumpich: Teknisk mekanikk. Statikk. 12. utgave.
16. ^ HG Hahn: Teknisk mekanikk. Hanser, 2. utgave, 1990, s. 1.
17. ↑ 100 år med Zeunerbau. ( Memento fra 31. mai 2011 i Internettarkivet ). PDF med bilde av Otto Mohr og representasjon av Mohr -sirkelen.
18. ^ Hans Lorenz: Lærebok i teknisk fysikk . Oldenbourg, München 1902.   , Kapittel om historien til teknisk mekanikk
19. ^ Karl-Eugen Kurrer : De første tekniske og vitenskapelige grunnleggende disipliner: konstruksjonsteknikk og teknisk mekanikk . I: Historien om konstruksjonsteknikk. På jakt etter balanse . 2., sterkt utvidede utgave. Ernst & Sohn , Berlin 2016, ISBN 978-3-433-03134-6 , s. 144–197.