材料力學/物理單位和標準
嬰兒知道他們想要“更多”的睡眠、更多的牛奶、更多的清潔和更多的抱抱。他們可能不會給他們的需求新增單位——睡眠時間、牛奶毫升、每天的尿布清潔量、抱著他們所消耗的卡路里/焦耳——但他們有內在的交流需求的方法。隨著我們成長，我們開始意識到我們的身高（英尺、米）和體重/質量（磅、公斤）。事實上，我們開始量化我們周圍看到的東西，進行比較，並將單位附加到這些比較中。成年人會考慮他們房屋的大小（平方英尺）、他們的工資（美元/年）和在學校花費的時間（年）。雖然比較可能是快樂的小偷，但我們可以承認，在考慮貨幣的補償時，物理單位和標準是必要的[1].
當我們用錢購物或獲得報酬時，當我們指定要消耗多少食物並在烹飪時測量數量時，當我們在距離上旅行/通勤時，以及當我們接受職業或個人審查，瞭解我們自己的健康狀況時，我們就會不由自主地思考和進行比較。我們在日常生活中使用的一些相同指標/物理單位與機械結構和材料特性有關。事實上，當我們把自己看作機械機器時，我們就會意識到，我們的頭腦不知何故在平衡和自動跟蹤單位、負荷、力學和材料，而無需使用鉛筆或計算器。
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在經典科幻電影回到未來中，DMC DeLorean 需要 1.21 吉瓦的功率才能讓其時間機器的磁通電容器實現時間旅行。雖然“吉瓦”的發音可能很合適[2]，但正確的拼寫應該是“千兆瓦”。字首“千兆”表示 10 億或 109。在機械工程中，我們經常在討論彈性模量時使用千兆（例如，鋁的彈性模量約為 70 吉帕斯卡（GPa））。在討論材料強度時，我們經常使用表示 100 萬或 106 的字首“兆”（例如，不同金屬合金的強度約為 100 多個 MPa）。我們可以透過記住彈性模量通常以 GPa 為單位，而強度和應力的單位通常為 MPa 來避免混淆。
1998 年，火星氣候探測器 發生了一起代價高昂的單位混淆事件。這個探測器旨在監測塵埃和水蒸氣，拍攝每日照片，並幫助繪製氣候變化的演化圖。不幸的是，探測器沒有進入軌道，因為發生了“公制單位混淆”。洛克希德·馬丁公司的地面軟體傳送了以英制/美國習慣單位（磅-秒）計算的軌道，但美國宇航局期望的結果是以公制單位（牛頓-秒）表示。推進器提供的推力不合適，探測器在火星大氣中迷失了。雖然這類機器人任務的成本很低，但航天器開發和發射的成本超過了 2.5 億美元。 [3][4][5][6]
物理和工程學中的許多教科書專門有一節介紹單位和物理標準是有原因的。單位增加了意義，並幫助我們概念化我們感興趣的數量、大小和量級。雖然不太可能因為沒有在草稿中包含單位而被扣分，但跟蹤單位可以防止出現令人尷尬和代價高昂的錯誤。為了方便他人，使用適當的字首也有助於傳達對適當測量的理解，就像使用適當的有效數字一樣。
我們已經強調了單位如何在解決工程問題時幫助避免代價高昂的錯誤。跟蹤單位或操作單位也可以幫助我們解決問題。
在這一點上，我們還沒有討論軸嚮應力的概念，但我們可能會跟蹤單位來解決涉及應力計算的問題。例如，大象 Jumbo 讓你計算一根橫截面為 1 釐米 x 5 釐米的杆在 10 千牛軸向載荷作用下的軸嚮應力（以 MPa 為單位）。請嘗試在點選下面的“答案”之前嘗試回答這個問題。
我們記得與 MPa 相關的單位是壓力單位，即力/面積。然後我們可以考慮公制系統和與我們問題相關的單位：N 和 m。我們可以寫 N/m2，然後執行動畫 GIF 中顯示的計算。
我們不需要知道軸嚮應力等於力除以面積。透過適當排列單位，我們可以猜出 20 MPa 的正確答案。
這個問題探討了如何使用單位來解決一個將機械旋轉功率與電功率相關聯的問題。
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描述材料屬性或單位轉換方法的物理單位來源很多。教科書和網站通常會分享常見的材料屬性。像 MatWeb 這樣的商業網站既有材料類別概述（例如，矽材料概述），也有特定材料等級的資料。維基百科上關於 楊氏模量 的頁面也列出了 常見材料的近似值。表 2.1 展示了一些材料屬性來源。機械工程師應該記住以下內容：鋁的彈性/楊氏模量 (70 GPa)，鋼的彈性模量（約為鋁的 3 倍），鋁的密度 (2,700 kg/m3)，鋼的密度 (7,900 kg/m3)，以及許多金屬合金的無量綱泊松比（約為 0.3）。
| 機械屬性型別 | 網站 |
|---|---|
| 密度 | MatWeb, 維基百科, Wolfram Alpha, 工程工具箱 |
| 彈性模量 | MatWeb, 維基百科, Wolfram Alpha, 工程工具箱 |
| 屈服強度 | MatWeb, 維基百科, 工程工具箱 |
| 抗拉強度 | MatWeb, 維基百科, 工程工具箱 |
| 泊松比 | MatWeb, 維基百科, Wolfram Alpha, 工程工具箱 |
對於單位之間的轉換，我們可以使用之前演示過的乘法和分數。其他線上工具，例如 Wolfram Alpha、谷歌搜尋和 DuckDuckGo，在進行計算時會自動跟蹤單位。機械工程中的常見轉換包括表 2.2 中的那些。
| 基本單位 | 轉換單位 |
|---|---|
| 1 m | 3.28 ft |
| 1 ft | 0.31 m |
| 1 MPa | 145 psi |
| 1 ksi (1,000 psi) | 6.89 MPa |
2.4 學習問題
[edit | edit source]參考文獻
[edit | edit source]- ↑ O'Toole, Garson (2/6/2021). "比較是快樂的竊賊". Quote Investigator. Retrieved 10/21/2021.
{{cite web}}: Check date values in:|access-date=and|date=(help) - ↑ "吉瓦的定義和發音". Merriam-Webster. Retrieved 2021-10-21.
- ↑ "火星氣候探測器". Retrieved 2021-10-22.
- ↑ "火星極地著陸器/深空2號". Retrieved 2021-10-22.
- ↑ "火星氣候探測器". Retrieved 2021-10-22.
- ↑ "一些著名的單位換算錯誤" (PDF). Retrieved 2021-10-22.