Mechanical Engineering Principles（機械工学の基礎原理）

引用

Bird, J., & Ross, C. (2020). Mechanical Engineering Principles (4th ed.). Routledge.

章の要約

第4版は388ページで、4部・28章からなる。各章は短く、多くは6〜20ページほどである。数章ごとに復習テストが置かれ、巻末には公式一覧、メートル法とヤード・ポンド法の換算表、ギリシャ文字、用語集、多肢選択問題の解答がある。Routledgeによれば、全体で完全な解答付きの例題が400題、解答付きの演習問題が700題、多肢選択問題が300題収められている。

第1〜2章：数学の復習、数学のさらなる復習

第1部「数学の復習」では、2つの章で本書の残りの部分で使う数学を復習し、それぞれの章の後に復習テストが置かれている。力学に入る前に、数学の記憶が薄れた読者が追いつけるようにするためである。

第3〜6章：力が材料に及ぼす効果、引張試験、一点に働く力、単純支持はり

第2部「静力学と材料力学」は、力が材料に何をもたらすか、引張試験によって材料をどう特徴づけるか、一点に働く力の分解、単純支持はりの反力から始まる。

第7〜9章：構造物に働く力、曲げモーメント図とせん断力図、断面一次モーメントと断面二次モーメント

構造物に働く力の解析、続いてはりの内部のせん断力と曲げモーメント、そして曲げの計算に必要な断面の性質を扱う。

第10〜12章：はりの曲げ、トルク、軸のねじり

曲げを受けるはりの応力、次にトルクと軸のねじりという、初等材料力学の代表的な2つの荷重形態を扱う。

第13〜14章：行列代数入門、マトリクス変位法

この版で新たに加わった2章である。Routledgeによれば、マトリクス変位法の章には、スマートフォン、タブレット、ノートパソコンで使えるソフトウェアについての手引きが含まれている。マトリクス変位法の章は約20ページあり、第2部で最も長い章の一つである。

第15〜18章：直線運動と角運動、運動量と力積、力・質量・加速度、仕事・エネルギー・仕事率

第3部「動力学」は初等動力学の中核から始まる。直線運動と角運動の運動学、運動量と力積、ニュートンの第2法則、そして仕事、エネルギー、仕事率である。

第19〜22章：摩擦、円運動、単振動、単純機械

動力学のその他のトピックとして、摩擦、円運動、単振動、単純機械を扱う。

第23〜24章：熱エネルギーと伝熱、熱膨張

第4部「伝熱と流体力学」は、エネルギーとしての熱、その移動、温度による材料の膨張の簡潔な導入から始まる。

第25〜28章：静水力学、流れ、理想気体の法則、温度の測定

静止した流体と流れる流体、理想気体の法則、温度の測定方法を扱って本書は終わる。

主要概念

第1部（第1〜2章）

• 数学の復習：本書で使う代数などの技法。力学の章がそれを前提にできるよう、最初に復習する。

第2部（第3〜14章）

• 引張試験：引張を受けたときの材料の挙動を特徴づける標準的な試験。
• 一点に働く力：一点を通って働く力を合成し、分解すること。
• 曲げモーメント図とせん断力図：はりに沿った内力の分布を表す図。
• 断面一次モーメントと断面二次モーメント：はりの計算に使う断面の性質。
• マトリクス変位法：行列に基づく構造解析の方法。その背景となる行列代数とともに導入される。

第3部（第15〜22章）

• 運動量と力積：物体の運動量と、時間にわたって働く力が生む運動量の変化。
• 仕事・エネルギー・仕事率：エネルギーに基づく運動の記述。
• 単振動：最も基本的な振動。初歩的なレベルで導入される。
• 単純機械：力の大きさや向きを変える基本的な装置。動力学の部の最後のトピックである。

第4部（第23〜28章）

• 静水力学：静止した流体の中の圧力と力。
• 理想気体の法則：気体の圧力、体積、温度の関係。

批判的分析

長所

• 非常に多い演習。 Routledgeの数字（例題400題、解答付き演習問題700題、多肢選択問題300題）は、400ページに満たない本としては多い。2〜4章ごとの定期的な復習テストが自然な区切りとなる。
• 入りやすさ。 数学の復習を2章設けて始め、各章を短く保っているため、数学にまだ自信のない学生、たとえば継続教育（further education）の課程から工学に入る学生でも使える。Routledgeは、この版が最新のBTEC National の仕様に対応しており、いくつかの工学分野の学部の授業でも使えるとしている。
• 一冊での幅広さ。 静力学、材料力学、動力学、伝熱、流体力学が一冊に収まっており、これらすべてに簡単に触れる基礎課程や1年次の授業に向いている。
• 補助教材。 コンパニオンウェブサイトで、問題と復習テストの完全な解答、実演動画、用語集、本文に登場する技術者についての解説が提供されている。

短所

• 意図的に浅い扱い。 388ページに28章なので、各トピックには短い章しか割かれていない。たとえば、はりの曲げを扱う第10章は約6ページである。大学の本格的な静力学や材料力学の授業を受ける学生には、より充実した教科書が必要になる。
• やや独立したトピックがある。 伝熱、流体、気体の法則、温度測定を扱う第4部は静力学と動力学の範囲を超えており、新しい2つの行列の章は、多くの最初の静力学の授業では扱わないコンピュータ向けの構造解析法を導入している。授業によっては省略したり後回しにしたりしてよい。
• 職業教育の枠組み。 BTEC National の仕様への対応と、継続教育の場で教えてきたBirdの経歴がレベルを決めている。大学生は入門的なペースを想定し、本書を完全な授業用教科書ではなく出発点として使うとよい。

コースにおける位置づけ

この静力学・動力学のコースで、BirdとRossは最も初歩的で、かつ範囲の最も広い教科書である。Hibbelerの Engineering Mechanics: Statics とMeriamとKraigeの Engineering Mechanics: Dynamics は大学レベルの本格的な教科書で、豊富な問題集を備え、MeriamとKraigeは体系的なベクトルによるアプローチをとる。BirdとRossは、自信をつけるためにそれらの前に使うことも、短い説明と追加の練習の供給源として並行して使うこともできる。無料のOpenStax University Physics Volume 1 は、同じ力学のトピックの背後にある微積分を使った物理学を扱っている。

Raoの Mechanical Vibrations とWilliamsの Fundamentals of Applied Dynamics はずっと後に読む本である。BirdとRossの単振動の1章は、Raoが本格的に展開する内容をちらりと見せるにすぎず、Williamsの仕事とエネルギー、運動量、ラグランジュの方法は、しっかりした最初の動力学の授業を前提とする。

本書の使い方

本書は、継続教育のレベルや学位課程の1年次で工学を学び始める学生を対象としており、Routledgeは機械、土木、構造、航空、海洋の各工学と造船工学の学部の授業にも挙げている。読者には学校で学ぶ数学が必要で、本書で使う部分は冒頭の章で復習できる。

実践的な計画：

• 数学から始める： まず第1部の復習テストを解いてみる。すらすら解ければ先に進み、そうでなければ第1〜2章にきちんと取り組む。
• 静力学と材料： 第3〜12章を順に学ぶことが、静力学や入門的な材料力学の授業の中核となる。第13〜14章はマトリクス法が必要になるまで残しておくか、コンピュータによる構造解析への入門として使う。
• 動力学： 第15〜22章を順に。第21章は振動の授業の前の予習として役立つ。
• 選択： 授業で熱と流体を扱わないのであれば、第4部は省略してよい。

例題を手本にし、その後で演習問題を解いて解答を確かめること。次のまとまりに進む前に、各復習テストを時間を計った自己評価として使うとよい。本書が扱う以上の深さで評価されるトピックについては、本格的な静力学や動力学の教科書の該当する章に進むこと。