機械力学とはどんな学問?機械設計の仕事にどう役立つかを解説します

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「機械力学ってそもそもどんな学問?」

「機械設計の仕事にはどう役立つ?」

このような疑問を解決します。

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、現在は機械設計士として働いています。

本記事では、機械力学を学ぶ第1ステップとして「機械力学とはどういう学問か」について解説します。

この記事を読むとできるようになること。

  • 機械力学とはどんな学問かがわかる
  • 機械力学の知識が機械設計にどう役立つかがわかる

今回は、機械力学を勉強するうえでも基礎となる内容です。

機械設計の仕事をやっていて、機械力学を勉強したいという方は、ぜひ本記事の内容を参考にしてください。

機械力学とは

機械力学とは

機械力学とは、「機械が動くときの力と運動の関係」を明らかにする学問です。

機械がどのように力を伝達し、どのように運動するかにを勉強します。

具体例をあげると、ピストンの往復運動、歯車の回転運動、あるいはクランクシャフトのように直線運動を回転運動に変える動きなどです。

ピストンと歯車

名前に「力学」と入っているとおり、機械力学では、高校の物理で習ったニュートンの運動の3法則(慣性の法則、運動の法則、作用・反作用の法則)を使います。

機械力学的には、「動力学」と言います。

また、「動力学」に加えて、幾何学(きかがく)の知識も必要です。

幾何学とは、図形の規則性を理解する学問のこと。

たとえば、モータの回転角度と対象物体の位置を計算するのに幾何学の知識を使います。

機械力学的には、これを「運動学」と言います。

このように、機械力学では、力と運動の関係を明らかにする「動力学」と、幾何学的な位置関係を明らかにする「運動学」の知識が必要です。

機械設計の仕事にどう役立つ?

機械設計の仕事にどう役立つ?

さきほど説明したように、機械力学は力と運動の関係を明らかにする学問です。

したがって、力が発生する製品を設計する場合には、機械力学の知識が使われます。

ここで、力の発生源としては、以下の例が挙げられます。

製品の例
自然重力、水力、風力、波力
蒸気機関
流体空気圧シリンダ、油圧シリンダ
爆発力ガソリンエンジン、ジェットエンジン
電磁力DCモータ、ステッピングモータ、リニアモータ
圧電効果ピエゾ素子、超音波モータ
電気静電気モータ、イオンエンジン

たとえば、DCモータは磁石のS極とN極が引き合う(反発し合う)力で回転します。

また、ガソリンエンジンは、ガソリンと空気を混合させて得られる爆発力でピストンを動かします。

このように、爆発力電磁力は最も一般的な力の発生源です。

上記の表のように、力を運動に変換する製品を扱う場合には、機械力学の知識が必要になります。

まとめ:機械を動かすのは力

まとめ:機械を動かすのは力

記事のポイントをまとめます。

  • 機械力学とは、機械が動くときの力と運動の関係を明らかにする学問
  • 力と運動の関係を示すのは動力学
  • 幾何学的な位置関係を示すのは運動学
  • 機械設計では、力を運動に変換する製品の設計に、機械力学の知識が必要

以上です。

今回解説した内容は機械力学の基本となる概念ですので、ぜひ理解できるように記事を読み返してみてください。

次の記事はこちら。

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