Inginerie Mecanică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Motor Bugatti Veyron W16. Inginerii mecanici proiectează motoare, centrale electrice , alte mașini ...
... structuri și vehicule de toate dimensiunile.

Ingineria mecanică este o ramură a ingineriei care aplică principiile fizicii , științei materialelor și a altor discipline legate de proiectarea componentelor și sistemelor mecanice. Este una dintre cele mai vechi și mai mari discipline inginerești. Studiul ingineriei mecanice s-a stabilit în Europa de la Revoluția industrială a secolului al XVIII-lea , deși unele dintre aspectele sale erau deja cunoscute din epoca Greciei Antice [1] , însă dezvoltarea sa poate fi urmărită în urmă cu câteva mii de ani în urmă in jurul lumii.

În secolul al XIX-lea , evoluțiile fizicii au dus la dezvoltarea științei ingineriei mecanice, iar domeniul a evoluat continuu pentru a încorpora progresele actuale; astăzi, inginerii mecanici urmăresc evoluții în domenii precum compozite , mecatronică și nanotehnologie , suprapunându-se, de asemenea, cu ingineria aerospațială , ingineria metalurgică , ingineria civilă , ingineria electrică , ingineria chimică , ingineria industrială și alte discipline de inginerie la diferite niveluri: inginerii mecanici pot lucra și în domeniul ingineriei biomedicale , în special cu biomecanica , fenomenele de transport , biomecatronica , bionanotehnologia și modelarea sistemelor biologice .

Istorie

Roată cu spițe din 2000 î.Hr.
Roată hidraulică
Moara de apa

Aplicarea ingineriei mecanice poate fi văzută în arhivele diferitelor societăți antice și medievale. Cele șase mașini simple clasice erau cunoscute în vechiul Orient Apropiat . Pană și planul înclinat (rampa) erau cunoscute încă din preistorie . [2] roții , împreună cu roata și osia mecanism, a fost inventat în Mesopotamia (Irak modernă) pe parcursul a 5 - mileniul [3] maneta Mecanismul apărut pentru prima dată la aproximativ 5 în urmă cu 000 de ani în Orientul Apropiat, în cazul în care acesta a fost utilizat în o scară simplă [4] și pentru a muta obiecte mari în tehnologia vechilor egipteni. [5] Pârghia a fost folosită și în dispozitivul de ridicare a apei shaduf , prima mașină de macara , care a apărut în Mesopotamia în jurul anului 3.000 î.Hr. Primele dovezi ale scripetelor datează din Mesopotamia la începutul mileniului II î.Hr. [6]

Primele mașini cu propulsie de apă, roata de apă și moara de apă , au apărut pentru prima dată în Imperiul Persan , în ceea ce sunt acum Irakul și Iranul, la începutul secolului IV î.Hr. [7] În Grecia antică , lucrările lui Arhimede (287-212 î.Hr.) a influențat mecanica în tradiția occidentală. În Egiptul Roman , Eroul Alexandriei (c. 10–70 d.Hr.) a creat primul dispozitiv cu abur ( Aeolipile ). [8] În China , Zhang Heng (78-139 d.Hr.) a îmbunătățit ceasul cu apă și a inventat un seismometru , iar Ma Jun (200-265 d.Hr.) a inventat un car cu angrenaje diferențiale . Ceasornicarul și inginerul chinez medieval Su Song (AD 1020-1101) a încorporat un mecanism de evacuare în turnul său astronomic cu ceas cu două secole înainte ca dispozitivele de evacuare să fie găsite în ceasurile medievale europene. El a inventat, de asemenea, prima transmisie cu lanț infinit din lume pentru transmisia puterii. [9]

În timpul epocii de aur islamice (secolele 7-15), inventatorii musulmani au adus contribuții notabile în domeniul tehnologiei mecanice. Al-Jazari , care a fost unul dintre ei, a scris faimoasa sa carte a cunoașterii dispozitivelor mecanice ingenioase în 1206 și a prezentat multe modele mecanice. Al-Jazari este, de asemenea, prima persoană cunoscută care a creat dispozitive precum arborele cotit și arborele cu came , care formează acum baza multor mecanisme. [10]

Progrese importante în fundamentele ingineriei mecanice au avut loc în Anglia în secolul al XVII-lea. Sir Isaac Newton a formulat Regulile de mișcare ale lui Newton și a dezvoltat calculul , baza matematică a fizicii. Newton a fost reticent în a-și publica lucrările de ani de zile, dar în cele din urmă a fost convins să facă acest lucru de către colegii săi, precum Sir Edmond Halley , în beneficiul umanității. Dezvoltarea calculului în această perioadă este atribuită și lui Gottfried Wilhelm Leibniz .

În timpul revoluției industriale de la începutul secolului al XIX-lea, mașinile-unelte au fost dezvoltate în Anglia , Germania și Scoția . Acest lucru a permis ingineriei mecanice să se dezvolte ca un domeniu separat în cadrul ingineriei . Aceste mașini au adus cu ele mașini de producție și motoare pentru a le alimenta. [11] Prima societate profesională britanică de ingineri mecanici a fost fondată în 1847, Institution of Mechanical Engineers, la treizeci de ani după ce inginerii civili au format prima societate profesională de acest gen, Institution of Civil Engineers. [12] Pe continentul european, Johann von Zimmermann (1820-1901) a fondat prima fabrică de mașini de rectificat în Chemnitz , Germania, în 1848.

În Statele Unite, Societatea Americană a Inginerilor Mecanici (ASME) a ​​fost înființată în 1880, devenind a treia cea mai mare companie de ingineri profesioniști, după Societatea Americană a Inginerilor Civili (1852) și Institutul American de Ingineri Minieri (1871). [13] Primele școli din Statele Unite care au oferit cursuri de inginerie au fost Academia Militară a Statelor Unite în 1817, o instituție cunoscută acum sub numele de Universitatea Norwich în 1819 și Institutul Politehnic Rensselaer în 1825. Educația în inginerie mecanică a fost bazată istoric pe o bază solidă în matematică și știință. [14]

Subdisciplinele

Diagrame mecanice pe o tablă

Domeniul ingineriei mecanice poate fi considerat ca o colecție de multe discipline de inginerie științifică. Multe dintre aceste sub-discipline care sunt predate în general la nivel de licență sunt enumerate mai jos, cu o scurtă explicație și cea mai comună aplicație a fiecăruia. Unele dintre aceste subdiscipline sunt unice pentru ingineria mecanică, în timp ce altele sunt o combinație de inginerie mecanică și una sau mai multe alte discipline. Cea mai mare parte a muncii efectuate de un inginer mecanic se folosește de abilitățile și tehnicile multor dintre aceste subdiscipline, precum și subdisciplinele specializate. Subdisciplinele specializate utilizate în acest articol sunt mai susceptibile de a face obiectul unui studiu universitar sau al unei formări la locul de muncă decât cercetarea universitară. Mai multe subdiscipline specializate sunt discutate în această secțiune.

Domeniul ingineriei mecanice necesită înțelegerea domeniilor cheie, inclusiv mecanica , dinamica , termodinamica , știința materialelor , analiza structurală și electricitatea . În plus față de aceste principii fundamentale, inginerii mecanici folosesc instrumente precum proiectarea asistată de computer (CAD), fabricarea asistată de computer (CAM) și gestionarea ciclului de viață al produsului pentru a proiecta și analiza uzine de fabricație , echipamente și mașini industriale, sisteme de încălzire și răcire , sisteme de transport , aeronave , ambarcațiuni , robotică , dispozitive medicale , arme și altele. Este ramura ingineriei care implică proiectarea, fabricarea și operarea mașinilor . [15] [16]

Mecanică

Cercul lui Mohr , un instrument comun pentru studierea tensiunilor dintr-un element mecanic

Mecanica este, în sensul cel mai general, studiul forțelor și efectul acestora asupra materiei . De obicei, mecanica inginerească este utilizată pentru a analiza și prezice accelerația și deformarea (atât elastică, cât și plastică ) a obiectelor supuse unor forțe cunoscute (numite și sarcini) sau solicitări . Subdisciplinele mecanicii includ:

  • Statica , studiul corpurilor non-mobile sub sarcini cunoscute, modul în care forțele afectează corpurile statice;
  • Dinamica este studiul modului în care forțele afectează corpurile în mișcare. Dinamica include cinematică (mișcare, viteză și accelerație) și cinetică (forțe și accelerații rezultate);
  • Mecanica materialelor , studiul modului în care diferite materiale se deformează sub diferite tipuri de stres;
  • Mecanica fluidelor , studiul modului în care fluidele reacționează la forțe; [17]
  • Cinematica , studiul mișcării corpurilor (obiectelor) și sistemelor (grupurilor de obiecte), ignorând forțele care provoacă mișcarea. Cinematica este adesea utilizată în proiectarea și analiza mecanismelor ;
  • Mecanica continuă , o metodă de aplicare a mecanicii care presupune că obiectele sunt continue (mai degrabă decât discrete ).

Inginerii mecanici folosesc în general mecanica în etapele de proiectare și analiză inginerească. Dacă obiectul ar fi proiectarea unei mașini, statica ar putea fi utilizată pentru proiectarea șasiului vehiculului, pentru a evalua unde tensiunile vor fi cele mai intense. Dinamica ar putea fi utilizată la proiectarea motorului mașinii, pentru a evalua forțele din pistoane și came în timpul ciclului motorului. Mecanica materialelor ar putea fi utilizată pentru a alege materialele adecvate pentru cadru și motor. Mecanica fluidelor ar putea fi utilizată pentru a proiecta un sistem de ventilație pentru vehicul (vezi HVAC ) sau pentru a proiecta sistemul de admisie pentru motor.

Mecatronică și robotică

Instruire FMS cu robot de învățare SCORBOT-ER 4u , banc de lucru CNC Mill și strung CNC

Mecatronica este o combinație de mecanică și electronică. Este o ramură interdisciplinară a ingineriei mecanice, a ingineriei electrice și a ingineriei software care se ocupă de integrarea ingineriei electrice și mecanice pentru a crea sisteme hibride. În acest fel, mașinile pot fi automatizate prin utilizarea de motoare electrice , servo-mecanisme și alte sisteme electrice în combinație cu software special. Un exemplu obișnuit de sistem mecatronic este o unitate CD-ROM. Sistemele mecanice deschid și închid unitatea, rotesc CD-ul și mută laserul, în timp ce un sistem optic citește datele de pe CD și le convertește în biți . Software-ul integrat controlează procesul și comunică conținutul CD-ului către computer.

Robotica este aplicația mecatronicii pentru a crea roboți, care sunt adesea folosiți în industrie pentru a îndeplini sarcini periculoase, neplăcute sau repetitive. Acești roboți pot avea orice formă și dimensiune, dar toți sunt preprogramați și interacționează fizic cu lumea. Pentru a crea un robot, un inginer folosește de obicei cinematică (pentru a determina gama de mișcare a robotului) și mecanică (pentru a determina tensiunile din interiorul robotului).

Roboții sunt folosiți pe scară largă în ingineria industrială . Acestea permit companiilor să economisească bani pe forță de muncă, să îndeplinească sarcini care sunt prea periculoase sau prea precise pentru ca oamenii să le îndeplinească economic și să asigure o calitate mai bună. Multe companii folosesc linii de asamblare a roboților, în special în industria auto. Unele fabrici sunt atât de robotizate încât pot funcționa singure. În afara fabricii, roboții au fost angajați în eliminarea bombelor , explorarea spațiului și multe alte domenii. Roboții sunt, de asemenea, vânduți pentru diverse aplicații rezidențiale, de la activități recreative la activități domestice.

Analiză structurală

Deformare elastică
Deformare elastică

Analiza structurală este ramura ingineriei mecanice (și, de asemenea, a ingineriei civile ) dedicată examinării de ce și cum eșuează obiectele, reparării obiectelor și evaluării performanței acestora. Eșecurile structurale apar în general în două moduri: eșecul static și eșecul oboselii.

Eșecul structural static apare atunci când, după încărcare (după aplicarea unei forțe) obiectul analizat se rupe sau se deformează plastic , în funcție de criteriul de evaluare a eșecului. Eșecul de oboseală apare atunci când un obiect eșuează după mai multe cicluri repetate de încărcare și descărcare. Fractura de oboseală apare din cauza imperfecțiunilor obiectului: o fisură microscopică pe suprafața obiectului, de exemplu, va crește ușor cu fiecare ciclu (propagare) până când fisura este suficient de mare pentru a determina ruperea componentei. [18]

Eșecul nu este pur și simplu definit ca un eșec al componentei; dar este definit ca o parte care nu funcționează așa cum era de așteptat. Unele sisteme, de exemplu, precum secțiunile superioare perforate ale unor pungi de plastic, sunt proiectate să se rupă. Dacă aceste sisteme nu cedează, analiza defectelor poate fi utilizată pentru a determina cauza defecțiunii.

Analiza structurală este adesea utilizată de inginerii mecanici după apariția unei defecțiuni sau în timpul proiectării pentru a preveni defecțiunile. Inginerii folosesc adesea documente online și cărți precum cele publicate de ASM pentru a-i ajuta să determine tipul eșecului și cauzele posibile.

Odată ce teoria este aplicată unui proiect mecanic, testele fizice sunt adesea efectuate pentru a verifica rezultatele calculate. Analiza structurală poate fi utilizată într-un birou la proiectarea pieselor, pe teren pentru a analiza piesele defecte sau în laboratoarele în care piesele ar putea fi testate.

Termodinamica și termo-știința

Schimbător de căldură

Termodinamica este o știință aplicată utilizată în mai multe ramuri ale ingineriei, inclusiv ingineria mecanică și chimică. În forma sa cea mai simplă, termodinamica este studiul energiei, utilizarea și transformarea ei într-un sistem . [19] De obicei, termodinamica inginerească se preocupă de schimbarea energiei de la o formă la alta. De exemplu, motoarele auto transformă energia chimică ( entalpia ) din combustibil în căldură, apoi în lucru mecanic care în cele din urmă transformă roțile.

Principiile termodinamicii sunt utilizate de inginerii mecanici în domeniile transferului de căldură , termofluidelor și conversiei energiei. Inginerii mecanici folosesc termodinamică la proiectare motoare și centrale electrice , de încălzire, ventilare și climatizare sisteme (HVAC), schimbătoare de căldură, de căldură chiuvete , radiatoare, racitoare , izolare termica si multe altele. [20]

Planificare și desen

Un model CAD al unei etanșări mecanice duble

Desenul sau desenul tehnic sunt mijloacele prin care inginerii mecanici proiectează produse și creează instrucțiuni pentru fabricarea pieselor. Un desen tehnic poate fi un model de computer sau o diagramă desenată manual care arată toate dimensiunile necesare fabricării unei componente, precum și note de asamblare, o listă a materialelor necesare și alte informații pertinente. [21] Un inginer mecanic sau un muncitor calificat care creează desene tehnice poate fi denumit desenator sau proiectant. Desenul a fost în mod istoric un proces bidimensional, dar programele de proiectare asistată de computer (CAD) permit acum proiectantului să creeze componente în trei dimensiuni și să verifice funcționarea acestora.

Instrucțiunile pentru fabricarea unei componente trebuie trimise către mașini, fie manual, fie prin instrucțiuni programate, fie prin utilizarea unei fabricări asistate de computer (CAM) sau a unui program CAD / CAM combinat. Opțional, un inginer poate avea și o componentă fabricată manual folosind desene tehnice. Cu toate acestea, odată cu apariția fabricării controlului numeric computerizat (CNC), piesele pot fi acum fabricate fără a fi nevoie de intrare constantă din partea inginerului. Astăzi, piesele produse manual constau în general din acoperiri prin pulverizare , finisaje de suprafață și alte procese care nu pot fi realizate economic sau practic de o mașină automată.

Desenul este utilizat în aproape toate subdisciplinele ingineriei mecanice și în multe alte domenii ale ingineriei și arhitecturii. Modelele tridimensionale create folosind software CAD sunt, de asemenea, utilizate în mod obișnuit în analiza elementelor finite (FEA) și dinamica calculată a fluidelor (CFD).

Învățământ școlar și universitar

Șurubul lui Arhimede era acționat manual și putea ridica efectiv apa, așa cum demonstrează mingea roșie animată
Arbore cotit

Diplomele de inginerie mecanică sunt oferite la diferite universități din întreaga lume. Programele de inginerie mecanică necesită de obicei trei până la cinci ani de studii, diplomă în inginerie mecanică (3 ani), cu specializare în inginerie mecanică (3 + 2 ani). În Italia pentru a te califica ca inginer este necesar să promovezi un examen de stat la sfârșitul cursului.

În Statele Unite, majoritatea programelor de diplomă în inginerie mecanică sunt acreditate de Consiliul de acreditare pentru inginerie și tehnologie (ABET) pentru a asigura cerințe și standarde de curs similare în toate universitățile. Site-ul web ABET enumeră 302 de programe de inginerie mecanică acreditate începând cu 11 martie 2014. [22] Programele de inginerie mecanică din Canada sunt acreditate de Consiliul canadian de acreditare inginerie (CEAB), [23] și majoritatea celorlalte țări care oferă diplome de inginerie au o acreditare similară. companii.

În Australia , diplomele de inginerie mecanică sunt acordate ca o diplomă de inginerie (mecanică) sau o nomenclatură similară, deși există un număr tot mai mare de specializări. Gradul necesită patru ani de studiu cu normă întreagă pentru ao obține. Pentru a asigura calitatea gradului de inginer, Engineers Australia acredită programe de studii de inginer, acordate de universitățile australiene, în conformitate cu Acordul de la Washington . Înainte de a putea absolvi, studentul trebuie să parcurgă cel puțin 3 luni de experiență de lucru într-o companie de inginerie. [24] Sisteme similare există și în Africa de Sud și sunt supravegheate de Consiliul de Inginerie din Africa de Sud (ECSA).

În India , pentru a deveni inginer, trebuie să dețineți o diplomă de inginer, cum ar fi B.Tech sau BE, o diplomă în inginerie sau finalizarea unui curs de inginerie comercială ca instalator la Institutul de Formare Industrială (ITI) pentru a primi un „Certificat” ITI comercial ”și, de asemenea, treceți testul All India Trade Test (AITT) cu o activitate de inginerie desfășurată de Consiliul Național de Formare Profesională (NCVT) cu care se obține un„ Certificat comercial național ”. Un sistem similar este utilizat în Nepal .

Unii ingineri mecanici continuă să urmeze diplome postuniversitare, cum ar fi un Master of Engineering, un Master of Technology, un Master of Science , un Master of Management Engineering (M.Eng. Mgt. Or MEM), un doctorat în inginerie (ing. D. sau doctorat) sau o altă diplomă de inginer. Diplomele de masterat și inginerie pot include sau nu cercetarea . Doctoratul include o componentă semnificativă de cercetare și este adesea văzut ca poarta de acces către mediul academic . [25] Diploma de inginer există în unele instituții la nivel intermediar între master și doctorat.

Cursuri de pregatire

Test de compresie a betonului
Mașină de rulat țigări
Vechi motor cu ardere internă
Hidraulică și hidrostatică
Exemplu de desen tehnic
Exemplu de proiectare asistată de computer
Robot industrial

Standardele stabilite de compania de acreditare a fiecărei țări sunt destinate să asigure uniformitatea materialului de bază, să promoveze competența în rândul inginerilor absolvenți și să mențină încrederea în profesia de inginer în ansamblu. Programele de inginerie din Statele Unite, de exemplu, sunt solicitate de ABET pentru a demonstra că studenții lor pot „lucra profesional în ambele domenii ale sistemelor termice și mecanice”. [26] Cu toate acestea, cursurile specifice necesare absolvirii pot diferi de la program la program. Universitățile și institutele de tehnologie combină adesea mai multe discipline într-o singură clasă sau împart o disciplină în mai multe clase, în funcție de facultatea disponibilă și de principalele domenii de cercetare ale universității.

Problemele de interes special pentru ingineria mecanică sunt cele referitoare la energie , mașini , mecanisme și, mai general, tot ceea ce se ocupă cu conversia și utilizarea energiei . Un alt domeniu de interes pentru ingineria mecanică este dimensionarea componentelor mecanice sau a structurilor mecanice în general, prin studiul sarcinilor aplicate, constrângerilor și proprietăților elastico-plastice ale materialelor .

Subiectele de bază ale ingineriei mecanice includ de obicei:

În plus, din evoluția la scară globală a concurenței în sectorul industrial, apare nevoia de a combina disciplinele enumerate mai sus cu altele de natură pur managerială și economică, prezentate aici:

Inginerii mecanici sunt, de asemenea, așteptați să înțeleagă și să poată aplica conceptele de bază de chimie , fizică , tribologie , inginerie chimică , inginerie civilă și inginerie electrică . Toate programele de inginerie mecanică includ cursuri matematice, inclusiv calcule și concepte matematice avansate, inclusiv ecuații diferențiale , ecuații parțiale diferențiale , algebră liniară , algebră abstractă și geometrie diferențială , printre altele.

În plus față de programa de bază de inginerie mecanică, multe programe de inginerie mecanică oferă programe și clase mai specializate, cum ar fi sisteme de control , robotică , transport și logistică , criogenie , tehnologie a combustibilului , inginerie auto, biomecanică , vibrații , optică și altele, dacă există nu există cursuri de inginerie dedicate acestor discipline. [29]

Majoritatea programelor de inginerie mecanică necesită, de asemenea, cantități variate de proiecte de cercetare pentru a dobândi experiență practică în rezolvarea problemelor. În Statele Unite, este obișnuit ca studenții de inginerie mecanică să finalizeze unul sau mai multe stagii în timpul studiilor, deși acest lucru nu este cerut în general de către universitate. Educația cooperativă este o altă opțiune. Căutarea de viitoare competențe de muncă [30] ridică nevoia de a dezvolta componente de studiu care să încurajeze creativitatea și inovația elevilor. [31]

Instrumente moderne

O vedere oblică a unui arbore cotit cu patru cilindri în linie cu pistoane

Multe companii de inginerie mecanică, în special cele din țările industrializate, au început să integreze programe de inginerie asistată de computer (CAE) în procesele lor de proiectare și analiză, inclusiv proiectarea asistată de computer (CAD) a modelării 2D și 3D. Această metodă oferă multe avantaje, inclusiv vizualizarea mai simplă și mai completă a produsului, capacitatea de a crea ansambluri virtuale de piese și ușurința utilizării în proiectarea interfețelor și a toleranțelor de împerechere.

Alte programe CAE utilizate în mod obișnuit de inginerii mecanici includ instrumentele de management al ciclului de viață al produsului (PLM) și instrumentele de analiză utilizate pentru a rula simulări complexe. Instrumentele de analiză pot fi utilizate pentru a prezice răspunsul produsului la sarcinile așteptate, inclusiv durata de viață a oboselii și fabricabilitatea. Aceste instrumente includ Analiza elementelor finite (FEA), Computational Fluid Dynamics (CFD) și Computer Aided Manufacturing (CAM).

Folosind programele CAE, o echipă de proiectare mecanică poate repeta rapid și eficient procesul de proiectare pentru a dezvolta un produs care să corespundă cel mai bine costurilor, performanței și altor constrângeri de proiectare. Non è necessario creare alcun prototipo fisico fino a quando il progetto non si avvicina al completamento, consentendo di valutare centinaia o migliaia di progetti, anziché un numero relativamente modesto. Inoltre, i programmi di analisi CAE possono modellare fenomeni fisici complicati che non possono essere risolti a mano, come la viscoelasticità , il contatto complesso tra le parti accoppiate o i fluidi non newtoniani .

Mentre l'ingegneria meccanica incomincia a fondersi con altre discipline, come si vede nella meccatronica , l' ottimizzazione della progettazione multidisciplinare (MDO) viene utilizzata con altri programmi CAE per automatizzare e migliorare il processo di progettazione iterativa. Gli strumenti MDO racchiudono i processi CAE esistenti, consentendo alla valutazione del prodotto e di continuare anche dopo che l'analista è tornato a casa a fine giornata. Utilizzano inoltre sofisticati algoritmi di ottimizzazione per esplorare in modo più intelligente possibili progetti, trovando spesso soluzioni migliori e innovative a difficili problemi di progettazione multidisciplinare.

Ambiti lavorativi

Gli ingegneri meccanici progettano, sviluppano, costruiscono e testano dispositivi meccanici e termici, inclusi strumenti, motori e macchine.

Gli ingegneri meccanici in genere effettuano le seguenti operazioni:

  • Analizzare i problemi per vedere come i dispositivi meccanici e termici potrebbero aiutare a risolvere il problema.
  • Progettare o riprogettare i dispositivi meccanici e termici utilizzando l'analisi e la progettazione assistita da computer.
  • Sviluppare e testare prototipi di dispositivi che progettano.
  • Analizzare i risultati dei test e modificare il design secondo necessità.
  • Supervisionare i processi di fabbricazione.

Gli ingegneri meccanici progettano e supervisionano la produzione di molti prodotti che vanno dai dispositivi medici alle nuove batterie. Progettano inoltre macchine per la produzione di energia come generatori elettrici, motori a combustione interna e turbine a vapore oa gas, nonché macchine che consumano energia, come i sistemi di refrigerazione e di condizionamento dell'aria.

Come altri ingegneri, gli ingegneri meccanici usano i computer per aiutare a creare e analizzare progetti, eseguire simulazioni e testare il funzionamento di una macchina.

Stipendi e statistiche lavorative

Il numero totale di ingegneri impiegati negli Stati Uniti nel 2015 è stato di circa 1,6 milioni. Di questi, 278 340 erano ingegneri meccanici (17,28%), la più grande disciplina per dimensioni. [32] Nel 2012, il reddito medio annuo degli ingegneri meccanici nella forza lavoro statunitense era di 80 580 $. Il reddito medio era più alto per chi lavorava per il governo (92 030 $) e il più basso nell'istruzione (57 090 $). [33] Nel 2014, il numero totale di lavoratori in ingegneria meccanica dovrebbe aumentare del 5% nel prossimo decennio. [34] A partire dal 2009, lo stipendio medio iniziale era di 58 800 $ con una laurea. [35]

Aree di ricerca

Gli ingegneri meccanici spingono costantemente i limiti di ciò che è fisicamente possibile al fine di produrre macchine e sistemi meccanici più sicuri, economici ed efficienti. Alcune tecnologie all'avanguardia dell'ingegneria meccanica sono elencate di seguito (vedi anche ingegneria esplorativa ).

Sistemi microelettromeccanici ( MEMS )

Ruote dentate

I componenti meccanici su scala dei micron quali molle , ingranaggi , dispositivi di trasferimento di fluido e calore sono fabbricati da una varietà di materiali con substrati come silicio, vetro e polimeri come SU8 . Esempi di componenti MEMS sono gli accelerometri utilizzati come sensori airbag per auto, nei telefoni cellulari moderni, nei giroscopi per il posizionamento preciso e dispositivi microfluidici utilizzati in applicazioni biomediche.

Saldatura a frizione (FSW)

Saldatura a frizione

La saldatura per attrito, un nuovo tipo di saldatura , è stata scoperta nel 1991 da The Welding Institute (TWI). L'innovativa tecnica di saldatura a stato stazionario (non di fusione) unisce materiali che precedentemente non erano saldabili, tra cui diverse leghe di alluminio . Svolge un ruolo importante nella futura costruzione di aeroplani, potrebbe potenzialmente sostituire i rivetti. Gli attuali usi di questa tecnologia fino a oggi includono la saldatura delle giunture del serbatoio esterno principale dello Space Shuttle realizzato in alluminio, il veicolo con equipaggio Orion , i veicoli Boeing Delta II e Delta IV e il razzo SpaceX Falcon 1 , la corazza per navi d'assalto anfibie e la saldatura delle ali e dei pannelli di fusoliera del nuovo velivolo Eclipse 500 di Eclipse Aviation tra un pool di usi sempre più crescente. [36] [37] [38]

Compositi

Tessuto composito costituito da fibra di carbonio intrecciata

I compositi oi materiali compositi sono una combinazione di materiali che forniscono caratteristiche fisiche diverse rispetto ai materiali che lo costituiscono. La ricerca sui materiali compositi nell'ambito dell'ingegneria meccanica si concentra in genere sulla progettazione (e, successivamente, sulla ricerca) di materiali più forti o più rigidi mentre si tenta di ridurre il peso , la suscettibilità alla corrosione e altri fattori indesiderati. I compositi rinforzati con fibra di carbonio , ad esempio, sono stati utilizzati in diverse applicazioni come veicoli spaziali e canne da pesca .

Meccatronica

La meccatronica è la combinazione sinergica di ingegneria meccanica, ingegneria elettronica e ingegneria software. La disciplina della meccatronica incominciò come un modo per combinare i principi meccanici con l'ingegneria elettrica. I concetti meccatronici sono utilizzati nella maggior parte dei sistemi elettromeccanici. [39] I tipici sensori elettromeccanici utilizzati nella meccatronica sono estensimetri, termocoppie e trasduttori di pressione.

Nanotecnologia

Nella scala microscopica, l'ingegneria meccanica diventa nanotecnologia, un obiettivo speculativo di cui è creare un assemblatore molecolare per costruire molecole e materiali attraverso la meccanosintesi . Per ora quell'obiettivo rimane all'interno dell'ingegneria esplorativa . Le aree dell'attuale ricerca di ingegneria meccanica nelle nanotecnologie includono nanofiltri , [40] nanofilm , [41] e nanostrutture , [42] tra gli altri.

Analisi agli elementi finiti

L'analisi degli elementi finiti è uno strumento computazionale utilizzato per stimare le sollecitazioni, la deformazione e la deflessione dei corpi solidi. Utilizza una configurazione mesh con dimensioni definite dall'utente per misurare le quantità fisiche in un nodo. Più nodi ci sono, maggiore è la precisione. [43] Questo campo non è nuovo, poiché la base dell'analisi degli elementi finiti (FEA) o del metodo degli elementi finiti (FEM) risale al 1941. Ma l'evoluzione dei computer ha reso FEA/FEM un'opzione praticabile per l'analisi di problemi strutturali. Molti codici commerciali come NASTRAN , ANSYS e ABAQUS sono ampiamente utilizzati nell'industria per lo studio e la progettazione di componenti. Alcuni pacchetti software di modellazione 3D e CAD hanno al loro interno moduli FEA per un'analisi veloce e completa di tutti gli aspetti della progettazione di un componente. Negli ultimi tempi stanno diventando più comuni le piattaforme di simulazione cloud come SimScale.

Altre tecniche come il metodo della differenza finita (FDM) e il metodo del volume finito (FVM) sono utilizzate per risolvere problemi relativi al trasferimento di calore e di massa, flussi di fluido, interazione della superficie del fluido, ecc.

Biomeccanica

La biomeccanica è l'applicazione di principi meccanici a sistemi biologici, come esseri umani , animali , piante , organi e cellule . [44] La biomeccanica aiuta anche a creare arti protesici e organi artificiali per l'uomo. Essa è strettamente correlata all'ingegneria , perché spesso utilizza le scienze ingegneristiche tradizionali per analizzare i sistemi biologici. Alcune semplici applicazioni della meccanica newtoniana e/o delle scienze dei materiali possono fornire approssimazioni corrette alla meccanica di molti sistemi biologici.

Nell'ultimo decennio il reverse engineering di materiali trovati in natura, come la materia ossea, ha ottenuto finanziamenti nel mondo accademico. La struttura della sostanza ossea è ottimizzata per il suo scopo a sopportare una grande quantità di stress di compressione per unità di peso. [45] L'obiettivo è sostituire l'acciaio grezzo con un bio-materiale per la progettazione strutturale.

Negli ultimi dieci anni anche il metodo degli elementi finiti (FEM) è entrato nel settore biomedico evidenziando ulteriori aspetti ingegneristici della biomeccanica. Da allora la FEM si è affermata come alternativa alla valutazione chirurgica in vivo e ha ottenuto l'ampia accettazione del mondo accademico. Il vantaggio principale della biomeccanica computazionale risiede nella sua capacità di determinare la risposta endo-anatomica di un'anatomia, senza essere soggetta a restrizioni etiche. [46] Ciò ha portato la modellistica a elementi finiti al punto di diventare onnipresente in diversi campi della biomeccanica mentre diversi progetti hanno persino adottato una filosofia open source (ad es. BioSpine ).

Fluidodinamica computazionale

Simulazione numerica attorno ad un profilo alare

La fluidodinamica computazionale , solitamente abbreviata in CFD, è una branca della meccanica dei fluidi che utilizza metodi numerici e algoritmi per risolvere e analizzare i problemi che coinvolgono i flussi di fluidi. I computer vengono utilizzati per eseguire i calcoli necessari per simulare l'interazione di liquidi e gas con superfici definite da condizioni al contorno. [47] Con i supercomputer ad alta velocità, è possibile ottenere soluzioni migliori. La ricerca in corso produce software che migliorano l'accuratezza e la velocità di simulazione degli scenari complessi come flussi turbolenti. La convalida di tale software viene eseguita inizialmente utilizzando una galleria del vento e in definitiva può arrivare a in prove su vasta scala, ad esempio prove di volo.

Ingegneria acustica

Camera anecoica

L' ingegneria acustica è una delle molte altre sotto-discipline dell'ingegneria meccanica ed è l'applicazione dell' acustica . L'ingegneria acustica è lo studio del suono e delle vibrazioni . Questi ingegneri lavorano efficacemente per ridurre l'inquinamento acustico nei dispositivi meccanici e negli edifici mediante isolamento acustico o rimozione di fonti di rumore indesiderato. Lo studio dell'acustica può variare dalla progettazione di un apparecchio acustico, microfono, cuffia o studio di registrazione più efficiente al miglioramento della qualità del suono di una sala per orchestra. L'ingegneria acustica si occupa anche della vibrazione di diversi sistemi meccanici. [48]

Campi correlati

L' ingegneria di produzione , l' ingegneria aerospaziale e l' ingegneria automobilistica sono talvolta raggruppate con l'ingegneria meccanica. Una laurea in queste aree avrà in genere una differenza di alcuni esami specialistici.

Note

  1. ^ William D. Callister, David G. Rethwisch,, Scienza e ingegneria dei materiali .
  2. ^ Peter Roger Stuart Moorey, Ancient Mesopotamian Materials and Industries: The Archaeological Evidence , Eisenbrauns , 1999, ISBN 9781575060422 .
  3. ^ DT Potts, A Companion to the Archaeology of the Ancient Near East , 2012, p. 285.
  4. ^ SA Paipetis e Marco Ceccarelli, The Genius of Archimedes -- 23 Centuries of Influence on Mathematics, Science and Engineering: Proceedings of an International Conference held at Syracuse, Italy, June 8-10, 2010 , Springer Science & Business Media , 2010, p. 416, ISBN 9789048190911 .
  5. ^ Somers Clarke e Reginald Engelbach,Ancient Egyptian Construction and Architecture , Courier Corporation , 1990, pp. 86 -90, ISBN 9780486264851 .
  6. ^ Peter Roger Stuart Moorey, Ancient Mesopotamian Materials and Industries: The Archaeological Evidence , Eisenbrauns , 1999, p. 4 , ISBN 9781575060422 .
  7. ^ Helaine Selin, Encyclopaedia of the History of Science, Technology, and Medicine in Non-Westen Cultures , Springer Science & Business Media , 2013, p. 282, ISBN 9789401714167 .
  8. ^ "Heron of Alexandria" . Encyclopædia Britannica 2010 - Encyclopædia Britannica Online. Accessed: 9 May 2010.
  9. ^ Needham, Joseph (1986). Science and Civilization in China: Volume 4 . Taipei: Caves Books, Ltd.
  10. ^ Al-Jazarí. The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices: Kitáb fí ma'rifat al-hiyal al-handasiyya . Springer, 1973. ISBN 90-277-0329-9 .
  11. ^ Engineering – Encyclopædia Britannica, accessed 6 May 2008
  12. ^ RA Buchanan. The Economic History Review, New Series, Vol. 38, No. 1 (Feb. 1985), pp. 42–60.
  13. ^ ASME history Archiviato il 23 febbraio 2011 in Wikiwix., accessed 6 May 2008.
  14. ^ The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition. 2001, engineering , accessed 6 May 2008
  15. ^ engineering "mechanical engineering" . The American Heritage Dictionary of the English Language, Fourth Edition. Retrieved: 19 September 2014.
  16. ^ "mechanical engineering" . Webster dictionary. Retrieved: 19 September 2014.
  17. ^ Note: fluid mechanics can be further split into fluid statics and fluid dynamics, and is itself a subdiscipline of continuum mechanics. The application of fluid mechanics in engineering is called hydraulics and pneumatics.
  18. ^ Chapter 8. Failure , su www.virginia.edu . URL consultato il 9 settembre 2018 .
  19. ^ Thermodynamics , su www.grc.nasa.gov . URL consultato il 9 settembre 2018 .
  20. ^ Applications of Thermodynamics Laws. Carnot, Stirling, Ericsson, Diesel cycles , su Brighthub Engineering , 10 giugno 2009. URL consultato il 9 settembre 2018 .
  21. ^ ( EN )SOLIDWORKS 3D CAD , su SOLIDWORKS , 27 novembre 2017. URL consultato il 9 settembre 2018 .
  22. ^ ABET searchable database of accredited engineering programs , Accessed 11 March 2014.
  23. ^ Accredited engineering programs in Canada by the Canadian Council of Professional Engineers Archiviato il 10 maggio 2007 in Internet Archive ., Accessed 18 April 2007.
  24. ^ Mechanical Engineering , su flinders.edu.au . URL consultato l'8 dicembre 2011 .
  25. ^ Types of post-graduate degrees offered at MIT Archiviato il 16 giugno 2006 in Internet Archive . - Accessed 19 June 2006.
  26. ^ 2008-2009 ABET Criteria Archiviato il 28 febbraio 2008 in Internet Archive ., p. 15.
  27. ^ University of Tulsa Required ME Courses – Undergraduate Majors and Minors Archiviato il 4 agosto 2012 in Archive.is .. Department of Mechanical Engineering, University of Tulsa, 2010. Accessed: 17 December 2010.
  28. ^ Harvard Mechanical Engineering Page Archiviato il 21 marzo 2007 in Internet Archive .. Harvard.edu. Accessed: 19 June 2006.
  29. ^ Mechanical Engineering courses , MIT. Accessed 14 June 2008.
  30. ^ Archived copy , su apolloresearchinstitute.com . URL consultato il 5 novembre 2012 (archiviato dall' url originale il 4 novembre 2011) . . Apollo Research Institute, Future Work Skills 2020, Accessed 5 November 2012.
  31. ^ Archived copy , su aaltodesignfactory.fi . URL consultato il 5 novembre 2012 (archiviato dall' url originale il 16 novembre 2012) . Aalto University School of Engineering, Design Factory – Researchers Blog, Accessed 5 November 2012.
  32. ^ May 2015 National Occupational Employment and Wage Estimates , su bls.gov , US Department of Labor, Bureau of Labor Statistics. URL consultato il 3 marzo 2017 .
  33. ^ Occupational Employment and Wages, 17-2141 Mechanical Engineers . US Bureau of Labor, May 2012. Accessed: 15 February 2014.
  34. ^ Mechanical Engineers . US Bureau of Labor Statistics, December 17, 2015. Accessed: 3 March 2017.
  35. ^ "2010–11 Edition, Engineers" . Bureau of Labor Statistics, US Department of Labor, Occupational Outlook Handbook, Accessed: 9 May 2010.
  36. ^ Advances in Friction Stir Welding for Aerospace Applications ( PDF ), su niar.wichita.edu . URL consultato il 12 agosto 2017 .
  37. ^ Proposal Number: 08-1 A1.02-9322 – NASA 2008 SBIR
  38. ^ Military Applications , su ntefsw.com . URL consultato il 4 febbraio 2020 (archiviato dall' url originale il 31 gennaio 2019) .
  39. ^ ( EN ) What is Mechatronics Technology? , su www.ecpi.edu . URL consultato il 9 settembre 2018 .
  40. ^ Nilsen, Kyle. (2011) "Development of Low Pressure Filter Testing Vessel and Analysis of Electrospun Nanofiber Membranes for Water Treatment"
  41. ^ Mechanical Characterization of Aluminium Nanofilms , Microelectronic Engineering, Volume 88, Issue 5, May 2011, pp. 844–847.
  42. ^ http://www.cise.columbia.edu/nsec/ Columbia University and National Science Foundation, Accessed 20 June 2012.
  43. ^ Ting Xia, Introduction to Finite Element Analysis (FEA) ( PDF ), su UIOWA Engineering , Feb 3, 2003. URL consultato il Sep 4, 2018 (archiviato dall' url originale il 30 agosto 2017) .
  44. ^ Mechanics of animal movement , DOI : 10.1016/j.cub.2005.08.016 .
  45. ^ Coleman Dempster, Tensile strength of bone along and across the grain , in Journal of Applied Physiology , vol. 16, n. 2, 15 agosto 1960, pp. 355–360, DOI : 10.1152/jappl.1961.16.2.355 , PMID 13721810 .
  46. ^ Tsouknidas, A., Savvakis, S., Asaniotis, Y., Anagnostidis, K., Lontos, A., Michailidis, N. (2013) The effect of kyphoplasty parameters on the dynamic load transfer within the lumbar spine considering the response of a bio-realistic spine segment. Clinical Biomechanics 28 (9–10), pp. 949–955.
  47. ^ ( EN ) What is CFD | Computational Fluid Dynamics? — SimScale Documentation , su www.simscale.com . URL consultato il 9 settembre 2018 .
  48. ^ What is the Job Description of an Acoustic Engineer? , su learn.org .

Bibliografia

  • Aubrey F. Burstall, A History of Mechanical Engineering , The MIT Press, 1965, ISBN 978-0-262-52001-0 .
  • Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers , 11ª ed., McGraw-Hill, 2007, ISBN 978-0-07-142867-5 .
  • Erik Oberg, Franklin D. Jones e Holbrook L. Horton, Machinery's Handbook , 30thª ed., New York, Industrial Press Inc., 2016, ISBN 978-0-8311-3091-6 .

Altri progetti

Collegamenti esterni

Controllo di autorità Thesaurus BNCF 21013 · LCCN ( EN ) sh85082757 · GND ( DE ) 4037790-8 · BNF ( FR ) cb119403951 (data) · BNE ( ES ) XX534253 (data) · NDL ( EN , JA ) 00565745
Estratto da " https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Ingegneria_meccanica&oldid=122397229 "