「新卒で機械設計をやっているけど、機械力学がわからなくて困っている…」
「機械力学を勉強したいけど、何から始めればいいかわからない」
「おすすめの勉強法があれば知りたい…！」
このような疑問や悩みにお答えします。
こんにちは。機械設計エンジニアのはくです。
2019年に機械系の大学院を卒業し、現在は製造装置メーカーで機械設計士として働いています。
今回は機械設計の仕事をするうえで必須な「機械力学の基礎知識」を解説します。
機械系なら、大学の授業で機械力学を学びますが、「就職したら忘れてしまっている…」という方も多いですよね。
運動方程式やギア比の計算は、機械設計の仕事でもよく使います。
本記事では、機械力学とはどういう学問かという話から、運動方程式などの具体的な計算まで、7つのステップでわかりやすく解説します。
これから機械力学を勉強する方や、若手機械設計士の方にぜひ参考にしてもらいたい内容です。
初心者が機械力学の基礎を習得するための7ステップ
設計初心者が機械力学を勉強するならこの順番という流れで、7つのステップにわけて解説していきます。
はじめのうちは、完璧に理解できなくてもOK。
実際ぼくも、仕事でわからないことが出てきたら、その都度ネットや本で調べたりしています。
まずはザッと読んでみて、自分の仕事に関係がありそうな所があれば、2回3回と読み返してみるのがおすすめ。
ステップ1：機械力学とはどういう学問かを理解しよう
まずは、機械力学がどういう学問かを知り、機械設計の仕事にどう役立つかを理解しましょう。
機械力学の知識は、身の回りの様々な製品に使われています。
条件によって、使える式や原理が変わるので、どういう時に機械力学が使えるかを理解しておくことが大切です。
ステップ2：SI単位系を理解して使いこなそう
機械力学では、SI単位系を扱います。
中でもよく使うのが速度・加速度・力の3つ。
- 速度：メートル毎秒[m/s]
- 加速度：メートル毎秒2乗[m/s2]
- 力：ニュートン(N)[kg・m/s2]
SI単位系は、機械設計だけでなく、技術系の仕事なら必ず使う単位ですので、確実に理解しておきましょう。
ステップ3：ニュートンの運動3法則を理解して使いこなそう
高校の物理で習ったニュートンの運動3法則は、機械力学で必須の知識です。
その中でも運動方程式はよく使いますので、あらためてここで復習しておきましょう。
- 慣性の法則
- 運動の法則
- 作用・反作用の法則
ステップ4：仕事の原理を理解しよう
ニュートンの法則と同じく重要なのが、仕事の原理です。
仕事の原理とは、簡単に言うと力学的エネルギー保存則のこと。
物体を動かす場合、道具を使っても使わなくても仕事の大きさは同じになります。
僕たちの身の回りには、この仕事の原理を活用している機械や製品が多いです。
機械設計の仕事をするうえでも重要な概念ですので、きちんと理解しておきましょう。
ステップ5：慣性モーメントを理解しよう
質量・重心・慣性モーメントの3つは、剛体の3要素と言われます。
慣性モーメントは、物体の回転しにくさを表したパラメータのこと。
モータのように回転運動をする機械や装置の設計に必須の知識ですので、理解しておくと役に立ちます。
ステップ6：歯車の運動方程式を理解しよう
回転機構をともなった製品では、ギア比の計算が必要になります。
ギアの役割は、ずばり動力の伝達です。
適切なギア比を選定することで、トルクと回転数を制御することができます。
使いこなせると非常に有用ですので、ぜひ学習してみてください。
ステップ7：参考書で機械力学の知識を深めよう
ここまでで機械力学の基礎はひと通り解説してきましたが、より深く学びたい方は参考書で勉強するのがおすすめです。
下記記事では、機械力学の勉強におすすめの参考書を紹介しています。
興味がある方は、ぜひ参考にしてみてください。
まとめ：機械設計には機械力学の知識が必須
以上、機械力学の基礎と勉強法を紹介しました。
高校や大学の授業よりも噛み砕いて説明したつもりですが、1回読んだだけじゃイマイチ理解できなかったという方も多いと思います。
機械設計の知識は、座学よりも、実際に仕事で使いながら調べたり勉強したりした方が確実に習得が早いです。
僕自身、「仕事でわからないことが出てくる→ネットや本で調べる→設計に活かす」という経験を繰り返しながら、今回紹介した内容を覚えてきました。
「半分くらいしか理解できなかった」という方は、実際に仕事で使うようになってから、また本記事を読み返してみることをおすすめします！
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