Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học Cơ kỹ thuật (Mã môn học: MECM64011) được biên soạn theo chương trình đào tạo nghề Cắt gọt kim loại ở trình độ Cao đẳng, ban hành kèm theo Quyết định số 204/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam). Trong cấu trúc chương trình đào tạo tổng thể gồm 106 tín chỉ (2520 giờ), môn học được xếp vào nhóm Môn học cơ sở (gồm 18 tín chỉ/330 giờ), bố trí giảng dạy sau các môn học chung/đại cương (như Giáo dục chính trị, Pháp luật, Tin học cơ bản, Tiếng Anh, An toàn vệ sinh lao động) và học trước các môn học/mô đun chuyên môn nghề (như Nguyên lý - Chi tiết máy MECM62015, Máy cắt kim loại MECC54032, các mô đun Gia công trên máy tiện, máy phay, máy mài và máy CNC).

Mục tiêu đào tạo của giáo trình được xác định cụ thể qua các chuẩn đầu ra:

  • Về kiến thức: Người học trình bày được các khái niệm về Tĩnh học, Sức bền vật liệu (A1); các trạng thái chịu lực kéo nén, xoắn, uốn, cắt dập (A2); phân tích tải trọng, phản lực liên kết, trọng tâm cân bằng ổn định của vật rắn (A3); phân tích các dạng chuyển động, vận tốc dài, vận tốc góc, gia tốc tiếp tuyến và pháp tuyến (A4).
  • Về kỹ năng: Tính toán được tải trọng, phản lực liên kết, trọng tâm cân bằng của vật rắn (B1); tính toán lực ma sát (B2); tính toán thông số động học (B3); tính toán ứng suất, xác định kích thước mặt cắt của thanh chịu kéo - nén, trục chịu xoắn, dầm chịu uốn, mối ghép bị cắt dập ở trạng thái giới hạn; vẽ biểu đồ nội lực và biểu đồ tải trọng (B4).
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Hình thành khả năng làm việc độc lập (C1), phối hợp nhóm (C2), tinh thần trách nhiệm với công việc (C3), tính kỷ luật, cẩn thận và chính xác trong tính toán kỹ thuật (C4).

Giáo trình có tổng thời lượng 45 giờ (2 tín chỉ), gồm 14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thảo luận/bài tập và 2 giờ kiểm tra. Cấu trúc nội dung phân chia thành hai phần độc lập: Phần I - Cơ lý thuyết (20 giờ, gồm 4 chương) và Phần II - Sức bền vật liệu (25 giờ, gồm 5 chương). Giáo trình tiếp cận kiến thức từ lý thuyết cân bằng của vật rắn tuyệt đối đến các bài toán biến dạng đàn hồi của vật thể thực, phục vụ trực tiếp cho việc tính toán bền trong gia công cơ khí.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình được cấu trúc thành 9 chương thuộc 2 phần kiến thức:

  • Chương 1: Những khái niệm cơ bản và hệ tiên đề tĩnh học (Phần I): Trình bày khái niệm về lực, 3 yếu tố xác định lực (điểm đặt, phương chiều, cường độ theo đơn vị Newton - N hoặc kG), vật rắn tuyệt đối, hệ quy chiếu quán tính; hệ thống 4 tiên đề tĩnh học và hệ quả lực là vectơ trượt; định nghĩa liên kết, phản lực liên kết và khảo sát các dạng liên kết kỹ thuật (liên kết tựa, dây mềm, thanh, gối đỡ bản lề di động/cố định, bản lề trụ/cầu, liên kết ngàm).
  • Chương 2: Hệ lực phẳng đồng quy (Phần I): Trình bày phương pháp hình học (quy tắc hình bình hành lực, quy tắc đa giác lực, điều kiện cân bằng đa giác lực tự đóng kín); phương pháp giải tích (chiếu lực lên hệ trục tọa độ vuông góc $Oxy$, điều kiện cân bằng $\sum F_{ix} = 0$, $\sum F_{iy} = 0$); định lý 3 lực phẳng không song song cân bằng.
  • Chương 3: Mô men của một lực với một điểm của ngẫu lực (Phần I): Thiết lập công thức tính mô men $m_O(\vec{F}) = \pm F \cdot d$; định lý Varignon về mô men của hợp lực đối với hệ lực đồng quy, hệ lực song song và hệ lực phẳng bất kỳ; khái niệm đòn và điều kiện cân bằng; định nghĩa ngẫu lực $(\vec{F}, \vec{F}')$, mô men ngẫu lực $M = F \cdot a$, các tính chất biến đổi ngẫu lực và điều kiện cân bằng hệ ngẫu lực phẳng $\sum m_i = 0$.
  • Chương 4: Ma sát (Phần I): Trình bày ma sát trượt dựa trên thí nghiệm Culông, định luật ma sát trượt $F_{\text{max}} = f \cdot N$, góc ma sát $\varphi$ với $\tan \varphi = f$, hiện tượng tự hãm; định nghĩa ma sát lăn, ngẫu lực ma sát lăn $M = N \cdot d$, định luật ma sát lăn với hệ số ma sát lăn $k$ (đo bằng đơn vị độ dài).
  • Chương 5: Một số giả thuyết về vật liệu (Phần II): Nêu nhiệm vụ và đối tượng nghiên cứu của sức bền vật liệu (vật thể dạng thanh); 3 giả thuyết cơ bản về vật liệu (liên tục, đồng tính, đẳng hướng; đàn hồi hoàn toàn; quan hệ tỉ lệ bậc nhất giữa lực và biến dạng theo Định luật Húc); nguyên lý độc lập tác dụng; phân loại ngoại lực (tập trung, phân bố, tĩnh, động); bản chất nội lực, khái niệm ứng suất toàn phần $p$, ứng suất pháp $\sigma$, ứng suất tiếp $\tau$ với hệ thức $p = \sqrt{\sigma^2 + \tau^2}$; phương pháp mặt cắt.
  • Chương 6: Kéo nén đúng tâm (Phần II): Định nghĩa kéo nén đúng tâm; thiết lập lực dọc $N$ và vẽ biểu đồ lực dọc; công thức ứng suất pháp $\sigma = \pm \frac{N}{F}$; biến dạng dọc tuyệt đối $\Delta l = \frac{N \cdot l}{E \cdot F}$, biến dạng dọc tương đối $\varepsilon = \frac{\Delta l}{l}$; định luật Húc $\sigma = E \cdot \varepsilon$; điều kiện bền $\sigma \le [\sigma]$ và giải quyết 3 bài toán cơ bản (kiểm tra bền, chọn kích thước mặt cắt $F$, xác định tải trọng cho phép $[N]$).
  • Chương 7: Cắt và dập (Phần II): Định nghĩa biến dạng cắt; ứng suất cắt $\tau = \frac{Q}{F}$; định luật Húc về cắt $\tau = G \cdot \gamma$ với môđun đàn hồi trượt $G$; điều kiện bền cắt; định nghĩa dập, ứng suất dập $\sigma_d = \frac{P}{F_d}$; phương pháp tính toán kiểm nghiệm mối ghép đinh tán (rivê) về cắt và dập bằng vật liệu thép số 3.
  • Chương 8: Xoắn thuần túy (Phần II): Thiết lập mô men xoắn nội lực $M_z$ và biểu đồ nội lực; công thức liên hệ giữa công suất $N$, vận tốc vòng quay $n$ và mô men xoắn ngoại lực $M$; tính toán biến dạng góc xoắn và ứng suất tiếp trong thanh tròn chịu xoắn thuần túy.
  • Chương 9: Uốn ngang phẳng (Phần II): Định nghĩa uốn phẳng; xác định nội lực gồm lực cắt $Q_y$ và mô men uốn $M_x$, phương pháp vẽ biểu đồ nội lực; công thức tính ứng suất pháp trong dầm chịu uốn thuần túy $\sigma = \frac{M_x \cdot y}{J_x}$; tính toán kiểm tra độ bền dầm chịu uốn.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết dựa trên các nguyên lý và mô hình toán - cơ học:

  • Hệ tiên đề tĩnh học: 4 tiên đề cơ bản (Tiên đề cân bằng của hai lực trực đối, Tiên đề thêm bớt hệ lực cân bằng, Tiên đề hình bình hành hợp lực, Tiên đề tác dụng tương hỗ của lực và phản lực).
  • Các giả thuyết cơ sở về cơ học vật rắn biến dạng: Giả thuyết về tính liên tục, đồng tính và đẳng hướng của vật liệu kim loại (thép, đồng); giả thuyết về tính đàn hồi hoàn toàn trong giới hạn đàn hồi; nguyên lý độc lập tác dụng của lực.
  • Các định luật và công cụ phân tích: Định luật Húc cho kéo - nén và cắt trượt; Định luật ma sát Culông; Định lý Varignon cho hệ lực phẳng; Phương pháp mặt cắt biến nội lực tại tiết diện thành ngoại lực trên phần khảo sát để thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học.

Kỹ năng phát triển

Thông qua các bài tập và ví dụ tính toán, giáo trình phát triển các nhóm kỹ năng:

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Kỹ năng giải phóng liên kết, thay thế liên kết bằng phản lực liên kết tương ứng (dây mềm, thanh, gối tựa, ngàm); kỹ năng thiết lập biểu thức nội lực phân đoạn; kỹ năng vẽ biểu đồ lực dọc $N$, lực cắt $Q$, mô men uốn $M_x$, mô men xoắn $M_z$; kỹ năng tra cứu môđun đàn hồi $E$, $G$ và ứng suất cho phép $[\sigma]$ của vật liệu cơ khí.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích trạng thái cân bằng của vật rắn chịu hệ lực phẳng đồng quy và ngẫu lực bằng phương pháp hình học (đa giác lực) và phương pháp giải tích (chiếu lên hệ trục tọa độ vuông góc); phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng đàn hồi tại mặt cắt nguy hiểm.
  • Kỹ năng thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Giải quyết 3 bài toán sức bền cơ bản trong chế tạo cơ khí: kiểm tra điều kiện cường độ, tính toán chọn diện tích mặt cắt ngang $F$ của phôi/chi tiết máy, xác định tải trọng giới hạn cho phép $[P]$; tính toán mối ghép đinh tán trong kết cấu cơ khí.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình quy định cụ thể phương pháp giảng dạy và học tập tích cực áp dụng cho môn học:

Phương pháp sư phạm của giảng viên

  • Thuyết trình ngắn và nêu vấn đề: Giảng viên diễn giảng các khái niệm, định nghĩa và hệ tiên đề cơ bản, kết hợp đặt câu hỏi định hướng giải quyết bài toán cơ học.
  • Làm mẫu và hướng dẫn thường xuyên: Giảng viên thực hiện mẫu các bước giải bài toán tĩnh học, quy trình sử dụng phương pháp mặt cắt, các bước vẽ biểu đồ nội lực và tính toán ứng suất, sau đó theo dõi, sửa lỗi cho từng nhóm học viên.
  • Tổ chức thảo luận nhóm: Phân chia nhóm nhỏ (2 sinh viên/nhóm) để thực hiện các bài tập tính toán thiết kế kết cấu, trao đổi phương pháp giải bài toán hệ lực và ma sát.

Phương pháp học tập và hướng dẫn tự học của sinh viên

  • Nghiên cứu tài liệu trước buổi học: Sinh viên có trách nhiệm đọc trước nội dung từng chương trong giáo trình và tài liệu tham khảo được cung cấp.
  • Quy định chuyên cần bắt buộc: Sinh viên phải tham dự tối thiểu 70% thời lượng lý thuyết (nếu vắng $>31%$ thời lượng lý thuyết phải học lại môn học) và tham dự đầy đủ các buổi bài tập/thực hành (nếu vắng $>1%$ số tiết thực hành phải học lại môn học mới được tham dự kỳ thi lần sau).
  • Làm việc nhóm và ghi chép: Các thành viên trong nhóm 2 người thay nhau giải bài tập, ghi chép số liệu, rút kinh nghiệm tính toán ứng suất và biến dạng.

Phương pháp và quy chế đánh giá

Đánh giá kết quả học tập tuân thủ Quy chế đào tạo cao đẳng hệ chính quy theo tín chỉ (Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH của Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội):

  • Cơ cấu điểm:
    • Điểm kiểm tra thường xuyên (hệ số 1) và định kỳ (hệ số 2): Trọng số $40%$.
    • Điểm thi kết thúc môn học: Trọng số $60%$.
  • Kế hoạch kiểm tra:
    • Kiểm tra thường xuyên: 1 bài kiểm tra lý thuyết (sau 35 giờ học), đánh giá các chuẩn đầu ra A1-A5, B1-B3, C1-C2.
    • Kiểm tra định kỳ: 1 bài kiểm tra lý thuyết (sau 45 giờ học), đánh giá chuẩn đầu ra A1-A6, B1-B4, C1-C2.
    • Thi kết thúc môn học: Bài thi tập trung lý thuyết và bài tập tổng hợp (sau 45 giờ học), đánh giá toàn diện chuẩn đầu ra A1-A5, B1, C1-C3.
  • Thang điểm: Chấm theo thang điểm 10 (làm tròn đến 1 chữ số thập phân), tính điểm môn học tổng hợp và quy đổi sang thang điểm chữ (A, B, C, D, F) cùng thang điểm 4 theo quy định đào tạo tín chỉ.

Điểm nổi bật và cập nhật

Giáo trình Cơ kỹ thuật mang các đặc điểm thể hiện qua nội dung văn bản:

  • Tính chuẩn hóa theo văn bản quản lý đào tạo: Giáo trình được ban hành chính thức theo Quyết định số 204/QĐ-CĐDK ngày 01/03/2022 của Trường Cao đẳng Dầu khí, chuẩn hóa khung chương trình đào tạo nghề Cắt gọt kim loại trình độ Cao đẳng.
  • Ban biên soạn chuyên ngành: Tài liệu do đội ngũ giảng viên thuộc Bộ môn Cơ khí, Khoa Cơ khí Động lực biên soạn (Chủ biên: Lê Duy Nam; các tác giả tham gia: Huỳnh Công Hải, An Đình Quân).
  • Tích hợp nguồn học liệu cơ sở: Nội dung giáo trình kế thừa và chuẩn hóa kiến thức từ các tài liệu tham khảo chính thống:
    • Cơ học ứng dụng – GS. Đỗ Sanh (NXB Giáo dục, 2001).
    • Giáo trình Cơ học lý thuyết – Đặng Thanh Tân.
    • Giáo trình Sức bền vật liệu – Đặng Thanh Tân (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật).
  • Cập nhật số liệu thực nghiệm kỹ thuật: Giáo trình đưa vào hệ thống bảng tra số liệu môđun đàn hồi khi kéo/nén $E$ cho các loại vật liệu chế tạo cơ khí phổ dụng:
    • Thép chứa $0{,}1 \div 20%$ Cacbon: $E = 20 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$ ($2 \cdot 10^5\text{ MN/m}^2$).
    • Thép lò xo: $E = 22 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$.
    • Thép Niken: $E = 19 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$.
    • Gang xám: $E = 11{,}5 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$.
    • Đồng: $E = 12 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$.
    • Đồng thau: $E = (10 \div 12) \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$.
    • Nhôm và Đura: $E = (7 \div 8) \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$.
    • Cao su: $E = 8 \cdot 10^6\text{ N/m}^2 = 0{,}8\text{ kN/cm}^2$.
  • Tích hợp thông số ma sát thực nghiệm: Cung cấp hệ số ma sát trượt $f$ phục vụ tính toán kỹ thuật (ví dụ: tiếp xúc Thép - Thép $f = 0{,}19$; Đai truyền - Gang $f = 0{,}18$).

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được thiết kế phục vụ các đối tượng cụ thể trong hệ thống đào tạo kỹ thuật nghề nghiệp:

  • Sinh viên Cao đẳng nghề Cắt gọt kim loại: Là tài liệu học tập bắt buộc của học phần MECM64011 (2 tín chỉ, 45 giờ), cung cấp lý thuyết tính toán bền để áp dụng vào các xưởng tiện, phay, bào, mài và gia công CNC.
  • Học sinh Trung cấp nghề: Giáo trình được sử dụng làm tài liệu đào tạo cho hệ Trung cấp theo chương trình rút gọn của trường.
  • Điều kiện tiên quyết đối với người học: Sinh viên cần hoàn thành các môn học đại cương và môn cơ sở như Tin học cơ bản (COMP63006), Vật liệu cơ khí (MECM53002), Dung sai (MECM53001), Vẽ kỹ thuật 1 (MECM52003) để có kiến thức về đọc bản vẽ, hệ tọa độ, tính chất vật liệu kim loại và giải toán phương trình/hệ phương trình lượng giác.
  • Giảng viên và cán bộ kỹ thuật: Giảng viên sử dụng làm căn cứ thiết lập giáo án, phiếu học tập, ngân hàng đề kiểm tra thường xuyên, định kỳ và thi kết thúc môn; kỹ thuật viên bảo dưỡng sửa chữa cơ khí (bơm, van công nghiệp) sử dụng làm tài liệu tham khảo nội bộ trong việc kiểm tra ứng suất và mối ghép chi tiết máy.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được biên soạn cho đối tượng nào?

Giáo trình được biên soạn phục vụ đào tạo trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Cắt gọt kim loại tại Trường Cao đẳng Dầu khí, đồng thời dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghề sửa chữa cơ khí, bảo dưỡng bơm và van công nghiệp.

2. Sinh viên cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học môn này?

Người học cần nắm vững toán học cơ bản (giải hệ phương trình, lượng giác, hình học phẳng), kiến thức đọc bản vẽ từ môn Vẽ kỹ thuật 1 (MECM52003), tính chất cơ lý tính của kim loại từ môn Vật liệu cơ khí (MECM53002) và các tiêu chuẩn kích thước từ môn Dung sai (MECM53001).

3. Giáo trình Cơ kỹ thuật này có cấu trúc khác biệt gì so với các sách cơ học đại cương?

Nội dung giáo trình được tinh gọn trong 45 giờ, tích hợp trực tiếp 2 phân môn: Cơ lý thuyết (Tĩnh học, hệ lực, ma sát) và Sức bền vật liệu (kéo nén, cắt dập, xoắn, uốn). Giáo trình tập trung vào thời lượng bài tập/thực hành (29/45 giờ), giản lược các chứng minh giải tích phức tạp để tập trung vào phương pháp mặt cắt, kỹ năng vẽ biểu đồ nội lực và giải quyết 3 bài toán bền thực tế trong cơ khí.

4. Quy định chuyên cần và tự học để hoàn thành môn học như thế nào?

Sinh viên phải tham dự tối thiểu 70% thời lượng lý thuyết (vắng $>31%$ phải học lại) và tham dự đầy đủ 100% các buổi thực hành/thảo luận (vắng $>1%$ phải học lại). Về tự học, sinh viên phải nghiên cứu trước giáo trình theo từng chương trước khi đến lớp và phối hợp theo nhóm 2 người để hoàn thành các phiếu học tập và bài tập tính toán.

5. Có những tài liệu tham khảo và trang thiết bị nào đi kèm giáo trình?

Học liệu đi kèm gồm có giáo án, phiếu học tập, hệ thống máy chiếu (projector), bảng, máy tính; các tài liệu tham khảo chính được trích dẫn gồm cuốn Cơ học ứng dụng (Đỗ Sanh, NXB Giáo dục, 2001), Giáo trình Cơ học lý thuyết và Giáo trình Sức bền vật liệu (Đặng Thanh Tân, ĐH Sư phạm Kỹ thuật).

Kết luận

Giáo trình Cơ kỹ thuật (Mã số: MECM64011) của Trường Cao đẳng Dầu khí hệ thống hóa các nguyên lý Tĩnh học và Sức bền vật liệu thành tài liệu giảng dạy 45 giờ chuẩn mực cho nghề Cắt gọt kim loại. Nội dung giáo trình cung cấp phương pháp xác định phản lực liên kết, quy tắc ma sát, nguyên lý tính toán ứng suất, biến dạng và phương pháp vẽ biểu đồ nội lực cho các thanh/dầm chịu lực cơ bản.

Lộ trình học tập khuyến nghị cho sinh viên là hoàn thành Phần I (Cơ lý thuyết) để nắm vững điều kiện cân bằng hệ lực, sau đó tiếp cận Phần II (Sức bền vật liệu) để thực hiện tính toán độ bền và kích thước chi tiết máy. Đây là nền tảng bắt buộc trước khi người học tiếp cận các mô đun chuyên ngành về Nguyên lý - Chi tiết máy, Máy cắt kim loại và thực hành gia công cắt gọt trên máy công cụ vạn năng cũng như máy điều khiển số CNC. Học viên có thể khai thác thêm các bài tập mở rộng từ thư viện và tài liệu tham khảo của GS. Đỗ Sanh cùng các giáo trình chuyên ngành của Bộ môn Cơ khí để củng cố kỹ năng tính toán kỹ thuật.