Mecánica Aplicada

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. En definitiva, cuando los conceptos de 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 práctica cotidiana. Tiene numerosas aplicaciones en una amplia variedad de campos y disciplinas, que incluyen, entre otros, ingeniería estructural, astronomía, oceanografía, meteorología, hidráulica, ingeniería mecánica, ingeniería aeroespacial, nanotecnología, diseño estructural, ingeniería sísmica, dinámica de fluidos, ciencias planetarias y otras ciencias de la vida.Conectando la investigación entre numerosas disciplinas, la mecánica aplicada juega un papel importante tanto en la ciencia como en la ingeniería.

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, sujeto 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 la mecánica de fluidos; el estudio de la mecánica de los fluidos macroscópicos. Cada rama de la mecánica aplicada también contiene subcategorías formadas a través de sus propias subsecciones. 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. Al igual que la mecánica clásica, la mecánica de fluidos también se divide en dos secciones: estática y dinámica.

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. En la aplicación de las ciencias naturales, se decía que la mecánica se complementaba con la termodinámica, el estudio del calor y, más en general, la energía, y la electromecánica, el estudio de la electricidad y el magnetismo.

Visión general

Los problemas de ingeniería generalmente se abordan con mecánica aplicada mediante la aplicación de teorías de mecánica clásica y mecánica de fluidos. Debido a que la mecánica aplicada se puede aplicar en disciplinas de 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.

La ciencia y la ingeniería están interconectadas con respecto a la mecánica aplicada, ya que las investigaciones en ciencia están vinculadas a los procesos de investigación en las disciplinas de ingeniería civil, mecánica, aeroespacial, de materiales y biomédica. En ingeniería civil, los conceptos de mecánica aplicada se pueden aplicar al diseño estructural y una variedad de subtemas de ingeniería como ingeniería estructural, costera, geotécnica, de construcción y sísmica. En ingeniería mecánica, se puede aplicar en mecatrónica y robótica, diseño y dibujo, nanotecnología, elementos de máquinas, análisis estructural, soldadura por fricción e ingeniería acústica. En ingeniería aeroespacial, la mecánica aplicada se utiliza en aerodinámica, mecánica estructural aeroespacial y propulsión, diseño de aeronaves y mecánica de vuelo.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. 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.

Breve historia

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 . Uno de los primeros trabajos en definir la mecánica aplicada como su propia disciplina fue el Handbuch der Mechanik en tres volúmenes escrito por el físico e ingeniero alemán Franz Josef Gerstner. El primer trabajo seminal sobre mecánica aplicada que se publicó en inglés fue A Manual of Applied Mechanics en 1858 por el ingeniero mecánico inglés William Rankine. August Föppl, ingeniero mecánico y profesor alemán, publicó Vorlesungen über techische Mechaniken 1898 en el que introdujo el cálculo al estudio de la mecánica aplicada.

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 Society of Applied Mathematics and Mechanics y la primera reunión del Congreso Internacional de Mecánica Aplicada. En 1921, el científico austriaco Richard von Mises inició el Journal of Applied Mathematics and Mechanics (Zeitschrift für Angewante Mathematik und Mechanik) y en 1922 con el científico alemán Ludwig Prandtl fundó la Society of Applied Mathematics and Mechanics (Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik).Durante una conferencia de 1922 sobre hidrodinámica y aerodinámica en Innsbruck, Austria, Theodore von Kármán, ingeniero húngaro, y Tullio Levi-Civita, matemático italiano, se conocieron y decidieron organizar una conferencia sobre mecánica aplicada. En 1924 se llevó a cabo la primera reunión del Congreso Internacional de Mecánica Aplicada en Delft, Países Bajos, a la que asistieron más de 200 científicos de todo el mundo. Desde esta primera reunión, el congreso se ha realizado 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.

Debido al panorama político impredecible 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. El ingeniero ucraniano Stephan Timoshenko huyó del Ejército Rojo bolchevique en 1918 y finalmente emigró a los EE. UU. en 1922; durante los siguientes veintidós años enseñó mecánica aplicada en la Universidad de Michigan y la Universidad de Stanford. Timoshenko fue autor de trece libros de texto sobre mecánica aplicada, muchos 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 de Estados Unidos".En 1930, Theodore von Kármán abandonó Alemania y se convirtió en el primer director del Laboratorio Aeronáutico del Instituto de Tecnología de California; von Kármán luego cofundó el Laboratorio de Propulsión a Chorro en 1944. Con el liderazgo de Timoshenko y von Kármán, la afluencia de talento 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. para 1950.

Sucursales

Dinámica

La dinámica, el estudio del movimiento y el movimiento de varios objetos, se puede dividir en dos ramas, cinemática y cinética. Para la mecánica clásica, la cinemática sería el análisis de cuerpos en movimiento utilizando el tiempo, las velocidades, el desplazamiento y la aceleración. La cinética sería el estudio de los cuerpos en movimiento a través de la lente de los efectos de las fuerzas y las masas. En el contexto de la mecánica de fluidos, la dinámica de fluidos se relaciona con el flujo y la descripción del movimiento de varios fluidos.

Estática

El estudio de la estática es el estudio y descripción de los cuerpos en reposo. El análisis estático en la mecánica clásica se puede dividir en dos categorías, cuerpos deformables y cuerpos no deformables. Al estudiar los cuerpos deformables, se analizan las 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. En el contexto de la mecánica de fluidos, se tiene en cuenta el estado de reposo del fluido no afectado por la presión.

Relación con la mecánica clásica

La Mecánica Aplicada es el resultado de las aplicaciones prácticas de varias disciplinas de ingeniería/mecánica; como se ilustra en la siguiente tabla.

Mecanica clasica/Mecánica de fluidos	Estática	IndeformableCuerpo	PrácticoAplicaciones	CivilIngeniería	Mecánica Aplicada
DeformableCuerpo	MecánicoIngeniería
Dinámica	Cinemática	AeroespacialIngeniería
Cinética	MaterialesIngeniería

Ejemplos

Fundación newtoniana

Siendo 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). Es la estrategia de "divide y vencerás" desarrollada por Newton la que ayudó a gobernar el movimiento y dividirlo en dinámica o estática. Dependiendo del tipo de fuerza, tipo de materia y las fuerzas externas que actúen sobre dicha materia, dictarán la estrategia "Divide y vencerás" dentro de los estudios dinámicos y estáticos.

Principio de Arquimedes

El principio de Arquímedes es importante y contiene muchas proposiciones definitorias relacionadas con la mecánica de fluidos. Como 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. Si se va a pesar el sólido dentro del fluido, el fluido se medirá como más liviano que el peso de la cantidad de fluido que fue desplazado por dicho sólido. Más desarrollado por la proposición 5, si el sólido es más liviano que el fluido en el que se coloca, el sólido deberá sumergirse a la fuerza para que el líquido lo cubra por completo. El peso de la cantidad de fluidos desplazados será entonces igual al peso del sólido.

Temas principales

Esta sección se basa en el "Esquema de clasificación de materias AMR" de la revista Applied Mechanics Reviews .

Fundamentos y métodos básicos.

• Mecánica de Medios Continuos
• Método de elementos finitos
• Método de diferencias finitas
• Otros métodos computacionales
• Análisis de sistemas experimentales

Dinámica y vibración

• Dinámica (mecánica)
• Cinemática
• Vibraciones de sólidos (básico)
• Vibraciones (elementos estructurales)
• Vibraciones (estructuras)
• Movimiento ondulatorio en sólidos
• Impacto en sólidos
• Ondas en fluidos incompresibles
• Ondas en fluidos compresibles
• Interacciones sólido fluido
• Astronáutica (mecánica celeste y orbital)
• Explosiones y balística
• Acústica

Control automático

• Teoría y diseño de sistemas
• Sistema de control óptimo
• Aplicaciones de sistema y control
• robótica
• Fabricación

Mecánica de sólidos

• Elasticidad
• Viscoelasticidad
• Plasticidad y viscoplasticidad
• Mecánica de materiales compuestos
• Cables, cuerdas, vigas, etc.
• Placas, conchas, membranas, etc.
• Estabilidad estructural (pandeo, postpandeo)
• Mecánica de sólidos electromagnéticos
• Mecánica de suelos (básica)
• Mecánica de suelos (aplicada)
• mecanica de rocas
• Procesamiento de materiales
• Procesos de fractura y daño.
• Mecánica de fracturas y daños.
• Análisis experimental de tensiones
• Pruebas de materiales
• Estructuras (básico)
• Estructuras (suelo)
• Estructuras (oceánicas y costeras)
• Estructuras (móvil)
• Estructuras (contención)
• Fricción y desgaste
• Elementos de máquina
• Diseno de la maquina
• Fijación y unión

Mecánica de fluidos

• reología
• Hidráulica
• Flujo incompresible
• Flujo compresible
• flujo enrarecido
• Flujo multifase
• Capas de pared (incluidas las capas límite)
• Flujo interno (tubería, canal y couette)
• Flujo interno (entradas, boquillas, difusores y cascadas)
• Capas de corte libre (capas de mezcla, chorros, estelas, cavidades y penachos)
• Estabilidad del flujo
• Turbulencia
• Electromagnetodinámica de fluidos y plasma
• hidromecánica del ombligo
• Aerodinámica
• Dinámica de fluidos de maquinaria
• Lubricación
• Mediciones de caudal y visualización

Ciencias termales

• Termodinámica
• Transferencia de calor (convección monofásica)
• Transferencia de calor (convección bifásica)
• Transferencia de calor (conducción)
• Transferencia de calor (radiación y modos combinados)
• Transferencia de calor (dispositivos y sistemas)
• Termodinámica de sólidos
• Transferencia de masa (con y sin transferencia de calor)
• Combustión
• Motores primarios y sistemas de propulsión

Ciencias de la Tierra

• Micromeriticos
• Medios porosos
• Geomecánica
• Mecánica de terremotos
• Hidrología, oceanología y meteorología

Sistemas energéticos y medio ambiente

• Sistemas de combustibles fósiles
• Sistemas nucleares
• Sistemas geotérmicos
• Sistemas de energía solar
• Sistemas de energía eólica
• Sistema de energía oceánica
• Distribución y almacenamiento de energía
• Mecánica de fluidos ambientales
• Contención y eliminación de residuos peligrosos

Biociencias

• Biomecánica
• ingeniería del factor humano
• Ingeniería de rehabilitación
• mecanica deportiva

Aplicaciones

• Ingenieria Eléctrica
• Ingeniería civil
• Ingeniería Mecánica
• Ingeniería Nuclear
• Ingeniería arquitectónica
• Ingeniería Química
• ingeniería petrolera

Publicaciones

• Revista de Matemáticas y Mecánica Aplicadas
• Boletines de la División de Mecánica Aplicada
• Revista de Mecánica Aplicada
• Reseñas de Mecánica Aplicada
• Mecánica Aplicada
• Revista trimestral de mecánica y matemáticas aplicadas
• Revista de Matemáticas y Mecánica Aplicadas (PMM)
• Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik
• Acta mecánica sínica