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動力學:從電影到工程力學

動力學:從電影到工程力學

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訂購需時10-14天
9789863506645
陽毅平,朱銘祥,李昌駿,程登湖,李宇修
國立臺灣大學出版中心
2022年12月26日
400.00  元
HK$ 360  






ISBN:9789863506645
  • 叢書系列:教科書
  • 規格:平裝 / 456頁 / 19 x 23 x 2.4 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
    教科書


  • 自然科普 > 應用科學 > 概論











      幸運的牛頓,在探索科學中度過快樂的童年。……大自然對他無所隱藏……他在我們前方,堅強、肯定且獨一無二。──愛因斯坦(A. Einstein)



      動力學是一門包含運動學和運動力學之基礎工程力學。廣泛應用在土木、機械、機電、航空、太空、生醫、輪機、營建、海洋、船舶、水利、運動科技等工程領域,並為當代先進技術,如機器人、電動車、無人機、綠色能源等相關產業發展必備的能力。



      本書是第一本銜接108課綱「工業類動力機械群」的專業大學用書,並將「自發」、「互動」、「共好」的全人教育理念,融入專業工程技術知識之中,可引導讀者成為「快樂的動力學專家」!



    本書特色



      ◆ 電影題材應用:融入生活化的電影題材,快樂學習。

      ◆ 無須背誦公式:有效的向量分析建模法(VAMP),立即破題。

      ◆ 邏輯思考解題:連貫性的解題方式G2C2K2,讓問題迎刃而解。

      ◆ 掌握學習重點:清楚的解題流程圖、觀察與思考,建構正確思考模式。

      ◆ 考試必勝寶典:歷年臺大機械所「看電影學動力」考題詳解。


     





    緒論

    致謝



    1 動力學簡介

    時空傳奇:動力學專家智慧的抉擇

    1.1 範疇

    1.2 假設條件

    1.3 單位

    1.4 基本向量與三角函數運算

    1.5 成為動力學專家

    習題

    本章重點整理

    動力補充站:單位革命



    質點動力學



    2 質點運動學

    大衛傳奇:小石子飛越空間的威力

    2.1 直角座標

    2.2 極座標

    2.3 法線與切線座標

    2.4 圓柱座標

    2.5 球座標

    2.6 相對運動

    習題

    本章重點整理

    動力補充站:「小石子與大巨人」的生命探索

    3 質點運動力學

    星戰傳奇:原力喚醒質點運動

    3.1 運動方程式

    3.2 功與能原理

    3.3 線衝量與動量原理

    3.4 衝擊運動

    3.5 角衝量與動量原理

    習題

    本章重點整理

    動力補充站:精密工程

    4 質點系統運動力學

    摩西傳奇:探索質點系統中的奧秘

    4.1 牛頓第二運動定律

    4.2 功與能原理

    4.3 衝量與動量原理

    4.4 可變質點系統

    習題

    本章重點整理

    動力補充站:蜂群無人機

    5 看電影學動力—質點動力篇

    動力學場景介紹

    5.1 《水行俠》

    5.2 《雷霆戰狗》(I)

    5.3 《阿凡達》

    5.4 《福爾摩桑》(I)

    5.5 《納尼亞傳奇:獅子.女巫.魔衣櫥》(I)

    5.6 《北極特快車》(I)



    剛體動力學



    6 剛體平面運動學

    納尼亞傳奇:平面運動的奇幻國度

    6.1 剛體的定義

    6.2 以接頭相連�無滑動面的剛體運動

    6.3 具滑動連結的剛體運動

    習題

    本章重點整理

    動力補充站:《納尼亞傳奇》的啟示—談工程師的真善美

    7 剛體平面運動力學

    魔戒傳奇:運動力學的意外旅程

    7.1 運動方程式

    7.2 剛體的功與能原理

    7.3 剛體的動量與衝量原理

    7.4 雙剛體的偏心衝擊

    習題

    本章重點整理

    動力補充站:電動車與電學之父法拉第

    8 三維剛體運動力學

    陀螺傳奇:剛體玩具運動的總動員

    8.1 三維剛體運動學

    8.2 三維剛體運動力學

    8.3 迴轉(陀螺)運動

    習題

    本章重點整理

    動力補充站:仿蒲公英飛行器

    9 看電影學動力—剛體動力篇

    動力學場景介紹

    9.1 《雷霆戰狗》(II)

    9.2 《星際大戰:原力覺醒》

    9.3 《玩具總動員3》

    9.4 《福爾摩桑》(II)

    9.5 《北極特快車》(II)

    9.6 《白日夢冒險王》

    9.7 《納尼亞傳奇:獅子.女巫.魔衣櫥》(II)

    9.8 《魔戒三部曲:王者再臨》

    9.9 《出埃及記:天地王者》

    10 振動學

    振動傳奇:發現搖滾音樂的振動學

    10.1 從音樂談振動

    10.2 質點系統的自由振動

    10.3 質點系統的強迫振動

    10.4 剛體的振動

    習題

    本章重點整理

    動力補充站:要有光



    附錄

    A. 國際公制單位定義

    B. 主要單位定義與換算

    C. 質量慣性矩與質心位置

    D. 習題簡答





    緒論



      工程力學(engineering mechanics)包括靜力學(statics)和動力學(dynamics)。靜力學探討的是物體在力平衡狀態下的關係;相對的,當物體受力不平衡時,就會產生運動,這就是動力學的範圍了。



      動力學是一門基礎工程力學,包含運動學(kinematics)和運動力學(kinetics)兩個部分。運動學探討的是物體運動的狀態,也就是物體的位置(position)、速度(velocity)和加速度(acceleration)。運動力學探討的是造成物體運動的原因,也就是分析力(force)和加速度、力矩(torque)和角加速度的關係。



      《動力學:從電影到工程力學》目的不是要取代一本完整的教科書,而是以作者多年教學經驗,以輕鬆方式,提供一套學以致用的工具,讓讀者很快抓到動力學的精髓,享受動力學的樂趣。本書最大的特色是介紹一套系統化方法,讀者不需要死背任何公式,只要知道F=ma,就可以推導出物體的運動方程式(equations of motion)。這個系統化步驟稱為「向量分析建模法」(vector analysis and modeling procedure, VAMP),而VAMP正好就是「音樂即興演奏」的意思,就像一位音樂演奏家隨手就能演奏一段動聽的樂章。讀者學會了這套向量分析建模法,相信任何複雜的動力學問題,都可以迎刃而解。當信心建立起來了,自然就能享受動力學的樂趣了。



      因此,本書歸納出一種前後連貫的解題流程:已知條件(given)→解題目標(goals)→座標定義(coordinates)→限制條件(constraints)→運動學(kinematics)→運動力學(kinetics),我們稱之為G2C2K2流程。就像有首歌叫做Let’s Go Get Cokes「來杯可樂吧!」,透過此方式會讓你很容易記住這個流程。我們再次重申:真的不需要背任何公式,因為在解題過程的思考邏輯中,就相當於再經歷一次公式推導,你可以輕易寫出最基本的運動方程式、功與能的方程式(work and energy equations)及動量與衝量方程式(impulse and momentum equations),解決大部分的動力學問題。



      這本書另外一個目的,就是幫助讀者將動力學活用在日常生活之中;當初,牛頓發現三大運動定律,就是觀察到自然中物體運動的現象,再用數學來描述這些現象。這也是許多人學習自然科學的迷思,以為把數學讀好就可以解決力學的問題,但這裡我們要特別強調:數學只是用來描述自然現象的工具,數學無法產生自然現象,所有自然現象都是來自奇妙的創造,科學家不斷地發現自然界中的奧秘,再用數學來描述自然現象。因此,本書所舉的例子,都以生活情境當背景,使讀者在生活情境中,學會動力學的應用。



      本書採用看電影學動力的架構,透過電影劇情引導,由科技與生活啟發,帶出每一個主題的重點,藉著自然的物理觀察(physical observation)、工程的基本定義(engineering terminologies)以及習知的數學工具(mathematical tools),像寫一首詩(POEM)一樣,順暢地將動力學的基本公式推導出來;然而,當我們介紹例題時,讀者會發現在解題過程中,會再經歷一次POEM過程,而不需要死背任何公式。如果讀者未來要成為一位工程師,很容易就能將這種邏輯思考方式和過程,讓動力學融入工程師生命的一部分,成為一種可攜式(portable)的技能,得以解決任何工程力學的問題。



      如果讀者只希望順利通過動力學考試就好了,這本書絕對是你求學過程中的「葵花寶典」。由於學生最常遇到的困難是:拿到題目以後,不知如何下手;讀者只要運用本書所教的系統化方法,幾乎所有市面上教科書的題目,都可以迎刃而解。本書特別收集了臺大機械系碩士班入學考試「看電影學動力」單元歷年考題,作為第5章與第9章中的例題,每一題都有詳細解答,引導讀者正確的解題過程,同時訓練讀者靈活的思考邏輯。通常,評分老師會因考生邏輯與過程正確給予高分,數字正確與否常常不是評分重點,因為考試有時間限制,如何先完成關鍵、重要的20%,就能得到80%的分數,這就是經濟學中的80/20法則(Pareto principle,即「柏拉圖法則」)。



      本書特色



      綜合以上介紹,本書具有以下特色。



      1. 系統化步驟:以向量分析建模法,無需背誦公式,像演奏即興樂章(VAMP)一樣,得到系統化解題技巧。

      2. 劇情化引導:以電影或史詩劇情引導,快樂輕鬆學習,享受動力學的樂趣。

      3. 邏輯化過程:以前後連貫的解題過程(G2C2K2),迎刃而解所有動力學問題。

      4. 生活化應用:以基本物理、工程定義及數學工具,像寫一首詩(POEM)一樣,順暢推導出動力學公式。將動力學融入工程師生命的一部分,成為可攜式(portable)的技能,得以解決任何工程力學的問題。



      本書結構



      本書結構非常簡單,每章都以引人入勝的主題開始,推導通用基礎理論,再以精選例題,練習解題技巧。



      引人入勝的主題



      本書分為質點動力學與剛體動力學兩大主題單元。每章都由一齣電影為標題,由劇情引導出各章主題。例如,第1章動力學簡介,藉著《異星入侵》,以「時空傳奇:動力學專家智慧的抉擇」為題,介紹動力學基本要素:時間、空間、數學語言,以及透過電影劇情帶給我們的啟示,來銜接該章內容。每個主題單元結束前,我們還有「看電影學動力」的綜合應用篇(第5及第9章),藉著電影經典片段啟發,帶出思考問題,並有詳細解答,讓讀者可以享受動力學的樂趣!



      通用基礎理論



      由主題發展出來的基礎理論,分成許多小節來介紹,在基本的假設條件下,我們一定會先定義出適當的座標系統,接著用向量表示每一個物理量,藉著牛頓運動定律,推導出精準且通用的動力學基本原理。由於本書透過基礎理論,以由淺入深的「向量分析建模法」來描述,提供讀者自學最佳思考邏輯工具,也能成為授課教師備課的即時實用教材。



      符號與圖



      不同於一般教科書用正粗體字表示向量(如er、r、M),導致手寫不易。本書的向量表示法是以文字加上箭頭表示,例如,er表示單位向量、r ?表示位置向量、M ?表示力矩向量,相當符合手書習慣。本書內文說明中會出現兩種重要的圖:座標定義圖,定義慣性座標(inertial coordinates)和附體座標(body-fixed coordinates);自由體圖,分離出運動質點或剛體的邊界,畫出所有作用在物體上的外力與外力矩向量。例如,機器人BB8運動過程中,在地面定義慣性座標、軌道上定義附體座標,再將BB8的頭分離出來成為自由體圖,在其邊界及質心位置,畫出作用力或力矩。



      精選例題



      本書精選80道例題,以劇情化方式引導問題,讓讀者直接聯想到生活或工程應用;例題具有代表性,讓讀者馬上應用剛學到的基礎理論;解題方式依據系統化步驟,以向量分析建模法(VAMP)及邏輯化過程(G2C2K2),無需背誦公式,讀者完全不會漏掉任何一個物理量,得到完整解答。由於坊間一般的教科書限於篇幅,只能列出關鍵方程式,而忽略過程的引導,導致讀者只學到「背公式解題目」,換了一題就不知道從何下手。依照本書解題方法,動力學不再是一門困難的學問。



      願景與理念



      本書是第一本銜接108課綱「工業類動力機械群」專業大學用書,並基於全人教育精神,以養成學生基本學力、奠定適性發展基礎、成就「適性揚才、終身學習」的願景。



      為了激發學生對學習的渴望與創新的勇氣,本書將「自發」、「互動」、「共好」的全人教育理念,融入專業工程技術知識之中:



      ● 自發:本書以電影場景為背景,引發學生學習動機與熱情。

      ● 互動:本書以生活情境為題材,引導學生開展與自然互動的能力。

      ● 共好:章末的動力補充站,協助學生應用及實踐所學,培養工程師基本素養,成為社會永續發展的人才。



      核心素養



      為了培育工程師適應當今生活及未來職場挑戰,本書內容涵蓋了學生應該具備的動力學知識,以及解決問題的能力與態度。本書由經典電影為標題,引導出各章的學習主題,核心素養強調學習不限於知識與技能,更應關注學習與生活的結合。回應課綱的願景與理念,本書以三大方向具體實踐工程師的核心素養:



      ● 自主行動:本書解題方式依據系統化步驟,活用向量分析建模法(VAMP)及邏輯思考過程(G2C2K2),學生無需背誦公式,就可以解決動力學問題,培養學生的創造力與行動力,這是本書重要的特色之一。



      ● 溝通互動:本書提供解決動力問題的基本工具──數學符號、座標定義、物理觀念,用電影情境引出動力問題,訓練學生溝通表達能力;作者除了從音樂談振動,並邀請年輕藝術家設計封面與繪製插畫,將科技與藝術結合,培育學生的藝術涵養和生活美感。



      ● 社會參與:為了緊密連結科技知識與社會價值,本書提供了動力補充站,由動力學的啟示,培養工程師多元文化、國際宏觀、人際關係、團隊合作、道德實踐及公民意識等基本素養。例如,第1章「單位革命」回顧偉大科學家為制訂共同單位,所付出的時間與生命代價。第10章的「要有光」,也就是從美國加州大學校徽上的「要有光」(Let there be light),介紹藍光二極體發明人中村修二教授,在獲得2014年諾貝爾物理學獎時,頒獎典禮上代表瑞典皇家科學院評審委員會致詞的惠里爾(Anne L’Huillier)教授曾提到:



      在托爾金1954年所著的《魔戒三部曲》中,精靈皇后送給魔戒保管人一個會發亮的水晶瓶,並說道:「當所有光熄滅時,願它會成為黑暗中指引你的那道光」。



      盼《動力學》能引導各位,成為快樂的動力學專家!




    其 他 著 作