Kỹ thuật Cơ khí: Hệ thống & Nguyên lý - Richard Gentle, Peter Edwards, Bill Bolton

Chuyên ngành

Kỹ thuật cơ khí

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Sách giáo khoa

2001

321
0
0

Phí lưu trữ

75 Point

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mechanical Engineering Systems

Mechanical Engineering Systems là lĩnh vực kỹ thuật cơ khí nghiên cứu các hệ thống cơ học phức tạp. Cuốn sách của Richard Gentle, Peter Edwards và Bill Bolton xuất bản năm 2001 là tài liệu học thuật quan trọng. Nội dung bao gồm nhiệt động lực học, cơ học chất lỏng, động lực học và tĩnh học. Đây là nền tảng cho sinh viên kỹ thuật cơ khí. Hệ thống cơ khí hoạt động dựa trên các nguyên lý vật lý cơ bản. Người học cần nắm vững kiến thức toán học và vật lý. Tài liệu cung cấp nhiều bài tập thực hành. Phương trình năng lượng lưu lượng ổn định được trình bày chi tiết. Chu trình động cơ đốt trong được phân tích kỹ lưỡng. Cuốn sách là nguồn tham khảo uy tín cho đào tạo kỹ thuật.

1.1. Lịch sử và tác giả cuốn sách

Cuốn Mechanical Engineering Systems được xuất bản bởi Butterworth-Heinemann năm 2001. Ba tác giả chính là Richard Gentle, Peter Edwards và Bill Bolton. Đây là thành viên của Reed Educational and Professional Publishing Ltd. Cuốn sách thuộc series sách kỹ thuật uy tín. ISBN của ấn bản là 0 7506 5213 6. Sách được in và đóng tại Anh quốc. Nội dung được biên soạn cho chương trình đào tạo kỹ thuật cơ khí. Tác giả nhấn mạnh tính thực tiễn và ứng dụng trong giảng dạy.

1.2. Cấu trúc nội dung chính

Cuốn sách gồm năm chương chính với nội dung toàn diện. Chương 1 giới thiệu nền tảng kỹ thuật và đơn vị đo lường. Chương 2 trình bày nhiệt động lực học với các quy trình khí. Chương 3 tập trung vào cơ học chất lỏng bao gồm tĩnh và động. Chương 4 phân tích động lực học và học động. Chương 5 đề cập tĩnh học, ứng suất và biến dạng. Mỗi chương có nhiều mục con chi tiết. Bài tập giải được cung cấp cuối sách. Mục lục chi tiết hỗ trợ tra cứu dễ dàng.

II. Phân tích các vấn đề trong hệ thống cơ khí

Hệ thống cơ khí đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Nhiệt động lực học đặt ra vấn đề về hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Chu trình Otto và Diesel cần được tối ưu hóa liên tục. Tỷ số nén ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ. Cơ học chất lỏng đòi hỏi hiểu biết về tĩnh và động lực học. Bài toán ứng suất và biến dạng trong cấu trúc là then chốt. Áp suất khí nén thay đổi theo nhiệt độ và thể tích. Các quy trình đẳng nhiệt, đoạn nhiệt cần phân tích chính xác. Hệ thống truyền động phải chịu tải trọng biến thiên. Vấn đề truyền nhiệt ảnh hưởng hiệu suất toàn bộ hệ thống. Cần phương pháp tính toán chính xác để giải quyết các vấn đề trên.

2.1. Vấn đề nhiệt động lực học

2.2. Vấn đề cơ học chất lỏng và cấu trúc

III. Giải pháp và phương pháp tính toán hệ thống

Các phương pháp tính toán hiện đại giúp giải quyết vấn đề hiệu quả. Phương trình năng lượng lưu lượng ổn định áp dụng cho hệ thống mở. Công thức tính công và nhiệt lượng được trình bày rõ ràng. Công thức W = pΔV tính công giãn nở khí lý tưởng. Hiệu suất chu trình được tính bằng công thức: η = 1 - Qrejected/Qsupplied. Bài toán thực tế sử dụng dữ liệu cụ thể để tính toán. Ví dụ: khí 0.035 kg cần nhiệt lượng để nâng lên 150°C. Nước đá 2 kg ở -10°C cần năng lượng để nóng chảy. Chì 6 kg ở 20°C cần nhiệt lượng để đạt điểm nóng chảy. Phương pháp giải từng bước giúp sinh viên hiểu rõ quy trình. Phần Solutions to problems hỗ trợ kiểm tra kết quả.

3.1. Phương pháp tính toán nhiệt động lực học

3.2. Phương pháp giải bài tập thực hành

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của hệ thống

Mechanical Engineering Systems có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Động cơ đốt trong là ứng dụng phổ biến nhất của nhiệt động lực học. Máy nén khí sử dụng nguyên lý nén khí trong hệ thống pneumatic. Tuabin khí hoạt động dựa trên chu trình nhiệt động lực học. Cơ học chất lỏng ứng dụng trong hệ thống thủy lực và ống dẫn. Tĩnh học áp dụng trong thiết kế cầu, nhà và kết cấu công trình. Động lực học cần thiết cho phân tích chuyển động cơ cấu. Kiến thức nền tảng từ cuốn sách phục vụ đào tạo kỹ sư. Sinh viên kỹ thuật cần nắm vững nguyên lý để áp dụng thực tế. Ngành cơ khí tiếp tục phát triển với công nghệ mới. Nền tảng vững chắc giúp kỹ sư thích ứng với thay đổi công nghệ.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp hiện đại

4.2. Hướng phát triển tương lai

21/04/2026

Trích đoạn nội dung tài liệu

net Mechanical Engineering Systems www.net Mechanical Engineering Systems Richard Gentle Peter Edwards Bill Bolton OXFORD AUCKLAND BOSTON JOHANNESBURG MELBOURNE NEW DELHI www.net Butterworth-Heinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 225 Wildwood Avenue, Woburn, MA 01801-2041 A division of Reed Educational and Professional Publishing Ltd A member of the Reed Elsevier plc group First published 2001 © Richard Gentle, Peter Edwards and Bill Bolton 2001 All rights reserved. No part of this publication may be reproduced in any material form (including photocopying or storing in any medium by electronic means and whether or not transiently or incidentally to some other use of this publication) without the written permission of the copyright holder except in accordance with the provisions of the Copyright, Designs and Patents Act 1988 or under the terms of a licence issued by the Copyright Licensing Agency Ltd, 90 Tottenham Court Road, London, England W1P 0LP. Applications for the copyright holder’s written permission to reproduce any part of this publication should be addressed to the publishers While every effort has been made to trace the copyright holders and obtain permission for the use of all illustrations and tables reproduced from other sources in this book we would be grateful for further information on any omissions in our acknowledgements so that these can be amended in future printings. British Library Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library ISBN 0 7506 5213 6 Composition by Genesis Typesetting, Laser Quay, Rochester, Kent Printed and bound in Great Britain www.net Contents Series Preface vii 1 Introduction: the basis of engineering 1 1.3 Units used in this book 5 2 Thermodynamics 7 2.2 Perfect gases, gas laws, gas processes 13 2.3 Work done and heat energy supplied 24 2.4 Internal combustion engines 33 2.5 The steady flow energy equation 54 2.8 Heat transfer 101 3 Fluid mechanics 112 3.1 Hydrostatics – fluids at rest 113 3.2 Hydrodynamics – fluids in motion 135 4 Dynamics 169 4.1 Introduction to kinematics 170 4.2 Dynamics – analysis of motion due to forces 183 5 Statics 204 5.3 Stress and strain 235 5.8 Case study: bridging gaps 292 Solutions to problems 295 Index 307 www.net Series Preface ‘There is a time for all things: for shouting, for gentle speaking, for silence; for the washing of pots and the writing of books. Let now the pots go black, and set to work. It is hard to make a beginning, but it must be done’ – Oliver Heaviside, Electromagnetic Theory, Vol 3 (1912), Ch 9, ‘Waves from moving sources – Adagio.’ Oliver Heaviside was one of the greatest engineers of all time, ranking alongside Faraday and Maxwell in his field. As can be seen from the above excerpt from a seminal work, he appreciated the need to communicate to a wider audience. He also offered the advice So be rigorous; that will cover a multitude of sins. And do not frown.’ The series of books that this prefaces takes up Heaviside’s challenge but in a world which is quite different to that being experienced just a century ago. With the vast range of books already available covering many of the topics developed in this series, what is this series offering which is unique? I hope that the next few paragraphs help to answer that; certainly no one involved in this project would give up their time to bring these books to fruition if they had not thought that the series is both unique and valuable. This motivation for this series of books was born out of the desire of the UK’s Engineering Council to increase the number of incorporated engineers graduating from Higher Education establishments, and the Institution of Incorporated Engineers’ (IIE) aim to provide enhanced services to those delivering Incorporated Engineering Courses. How- ever, what has emerged from the project should prove of great value to a very wide range of courses within the UK and internationally – from Foundation Degrees or Higher Nationals through to first year modules for traditional ‘Chartered’ degree courses. The reason why these books will appeal to such a wide audience is that they present the core subject areas for engineering studies in a lively, student-centred way, with key theory delivered in real world contexts, and a pedagogical structure that supports independent learning and classroom use. Despite the apparent waxing of ‘new’ technologies and the waning of ‘old’ technologies, engineering is still fundamental to wealth creation. Sitting alongside these are the new business focused, information and communications dominated, technology organisations. Both facets have an equal importance in the health of a nation and the prospects of individuals. In preparing this series of books, we have tried to strike a balance between traditional engineering and developing technology.net The philosophy is to provide a series of complementary texts which can be tailored to the actual courses being run – allowing the flexibility for course designers to take into account ‘local’ issues, such as areas of particular staff expertise and interest, while being able to demonstrate the depth and breadth of course material referenced to a common framework. The series is designed to cover material in the core texts which approximately corresponds to the first year of study with module texts focussing on individual topics to second and final year level. While the general structure of each of the texts is common, the styles are quite different, reflecting best practice in their areas. For example Mechanical Engineering Systems adopts a ‘tell – show – do’ approach, allowing students to work independently as well as in class, whereas Business Skills for Engineers and Technologists adopts a ‘framework’ approach, setting the context and boundaries and providing opportunities for discussion. Another set of factors which we have taken into account in designing this series is the reduction in contact hours between staff and students, the evolving responsibilities of both parties and the way in which advances in technology are changing the way study can be, and is, undertaken. As a result, the lecturers’ support material which accom- panies these texts, is paramount to delivering maximum benefit to the student. It is with these thoughts of Voltaire that I leave the reader to embark on the rigours of study: ‘Work banishes those three great evils: boredom, vice and poverty.’ Alistair Duffy Series Editor De Montfort University, Leicester, UK Further information on the IIE Textbook Series is available from bhmarketing@repp.com/IEE Please send book proposals to: rachel.uk Other titles currently available in the IIE Textbook Series Business Skills for Engineers and Technologists Design Engineering www.net 1 Introduction: the basis of engineering Summary The aim of this chapter is to set the scene for the rest of the book by showing how the content of the remaining chapters will form the basis of the technical knowledge that a professional mechanical engineer needs during a career. By considering a typical engineering problem it is shown that the four main subjects that make up this text are really all parts of a continuous body of knowledge that will need to be used in an integrated manner. The chapter concludes by looking at the units that are used in engineering and showing the importance of keeping to a strict system of units. Objectives By the end of this chapter the reader should be able to:  understand the seamless nature of basic engineering subjects;  appreciate the way in which real engineering problems are tackled;  recognize the correct use of SI units. Cast your mind forward a few years; you have graduated successfully 1.1 Real from your course, worked for a spell as a design engineer and now you engineering are responsibile for a team which is being given a new project. Your job is to lead that team in designing a new ride-on lawnmower to fill a gap in the market that has been identified by the sales team. The sales people think that there is scope to sell a good number of low-slung ride-on lawnmowers to places which use a lot of barriers or fences for crowd control, such as amusement parks. Their idea is that the new mower could be driven under the fences, cutting the grass as it goes, without the time wasting activity of having to drive to a gateway in order to move from one area to another. They have produced something they call a www.net 2 Introduction: the basis of engineering ‘concept specification’ which is really a wish list of features that they would like the new lawnmower to have. (1) It must be very low, like a go-kart, to go under the barriers. (2) It must be fast when not mowing so that it can be driven quickly around the park. (3) It should dry and collect the grass cuttings as it goes so that the park customers do not get their shoes covered in wet grass. Now comes the worst part of any engineering design problem – ‘Where do you start?’ Perhaps you should start with the framework of the mower because this is the part that would support all the other components. You have a good understanding of statics, which is the field of engineering concerned with supporting loads, and you could design a tubular steel frame without too much of a problem if you know the loads and their distribution. The trouble, however, is that you do not know the load that needs to be carried and you cannot base your design on the company’s existing products as all their current ride-on mowers are shaped more like small versions of farm tractors. You could calculate the load on the basis of an average driver weight but you do not yet know how much the engine will weigh because its power, and hence its size, has not been established. Furthermore, if the mower is to be driven fast around the park over bumpy ground then the effective dynamic loads will be much greater than the static load. It is therefore probably not a good idea to start with the frame design unless you are willing to involve a great deal of guesswork. This would run the risk of producing at one extreme a frame that would break easily because it is too flimsy and at the other extreme a frame that is unnecessarily strong and hence too expensive or heavy. Time to think again! Perhaps you should start the design by selecting a suitable engine so that the total static weight of the mower could be calculated. You have a good basic knowledge of thermodynamics and you understand how an internal combustion engine works. The trouble here, however, is that you cannot easily specify the power required from the engine. So far you have not determined the maximum speed required of the mower, the maximum angle of slope it must be able to climb or the speed at which it can cut grass, let alone considered the question of whether the exhaust heat can dry the grass. In fact this last feature might be a good place to start because the whole point of a mower is that it cuts grass. First of all you could decide on the diameter of the rotating blades by specifying that they must not protrude to the side of the mower beyond the wheels. This would give you the width of the cut. A few measurements in a field would then allow you to work out the volume and mass of grass that is cut for every metre that the mower moves forward. Lastly you could find the forward speed of your company’s other ride-on mowers when cutting in order to calculate the mass of grass which is cut per second. From this you can eventually work out two more pieces of key information.  Using your knowledge of fluid mechanics you could calculate the flow rate of air which is needed to sweep the grass cuttings into the collection bag or hopper as fast as they are being produced.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ