Ingeniería mecánica
Definición
| Ocupación | |
|---|---|
| Nombres | Ingeniero mecánico |
Sectores de actividad | Mecánica aplicada, dinámica, termodinámica, mecánica de fluidos, transferencia de calor, tecnología de producción |
| Descripción | |
| Competencias | conocimientos técnicos, habilidades de gestión, diseño (véase también el glosario de ingeniería mecánica) |
Se requiere educación | Ver requisitos profesionales a continuación |
Campos de empleo | tecnología, ciencia, exploración, militar |
El campo de la ingeniería mecánica requiere una comprensión de las áreas centrales, incluidas la mecánica, la dinámica, la termodinámica, la ciencia de los materiales, el análisis estructural y la electricidad. Además de estos principios básicos, los ingenieros mecánicos utilizan herramientas como diseño asistido por computadora (CAD), fabricación asistida por computadora (CAM) y gestión del ciclo de vida del producto para diseñar y analizar plantas de fabricación, equipos y maquinaria industrial, sistemas de calefacción y refrigeración , sistemas de transporte, aeronaves, embarcaciones, robótica, dispositivos médicos, armas y otros. Es la rama de la ingeniería que involucra el diseño, producción y operación de maquinaria.
La ingeniería mecánica surgió como un campo durante la Revolución Industrial en Europa en el siglo XVIII; sin embargo, su desarrollo se remonta a varios miles de años en todo el mundo. En el siglo XIX, los desarrollos en física condujeron al desarrollo de la ciencia de la ingeniería mecánica. El campo ha evolucionado continuamente para incorporar avances; hoy los ingenieros mecánicos están siguiendo desarrollos en áreas tales como compuestos, mecatrónica y nanotecnología. También se superpone con la ingeniería aeroespacial, ingeniería metalúrgica, ingeniería civil, ingeniería eléctrica, ingeniería de fabricación, ingeniería química, ingeniería industrial y otras disciplinas de ingeniería en cantidades variables. Los ingenieros mecánicos también pueden trabajar en el campo de la ingeniería biomédica, específicamente con biomecánica, fenómenos de transporte, biomecatrónica,
Historia
La aplicación de la ingeniería mecánica se puede ver en los archivos de varias sociedades antiguas y medievales. En la antigua Grecia, las obras de Arquímedes (287-212 a. C.) influyeron en la mecánica de la tradición occidental y la Garza de Alejandría (hacia 10-70 DC) creó la primera máquina de vapor (Aeolipile). En China, Zhang Heng (78-139 DC) mejoró un reloj de agua e inventó un sismómetro, y Ma Jun (200-265 DC) inventó un carro con engranajes diferenciales. El horólogo e ingeniero chino medieval Su Song (1020-1101 dC) incorporó un mecanismo de escape en su torre de reloj astronómico dos siglos antes de que se encontraran dispositivos de escape en los relojes europeos medievales. También inventó la primera cadena de transmisión de potencia sin fin conocida del mundo.
Durante la Edad de Oro islámica (siglos VII al XV), los inventores musulmanes hicieron contribuciones notables en el campo de la tecnología mecánica. Al-Jazari, que fue uno de ellos, escribió su famoso Libro del Conocimiento de Ingeniosos Dispositivos Mecánicos en 1206 y presentó muchos diseños mecánicos. También se lo considera el inventor de tales dispositivos mecánicos que ahora forman los mecanismos más básicos, como el cigüeñal y el árbol de levas.
Durante el siglo XVII, importantes avances en los fundamentos de la ingeniería mecánica ocurrieron en Inglaterra. Sir Isaac Newton formuló las Leyes del movimiento de Newton y desarrolló Cálculo, la base matemática de la física. Newton se mostró reacio a publicar sus obras durante años, pero finalmente fue convencido por sus colegas, como Sir Edmond Halley, para el beneficio de toda la humanidad. A Gottfried Wilhelm Leibniz también se le atribuye la creación de Cálculo durante este período de tiempo.
Durante la revolución industrial de principios del siglo XIX, se desarrollaron máquinas herramientas en Inglaterra, Alemania y Escocia. Esto permitió que la ingeniería mecánica se desarrollara como un campo separado dentro de la ingeniería. Trajeron consigo máquinas de fabricación y los motores para alimentarlos. La primera sociedad profesional británica de ingenieros mecánicos se formó en 1847 en la Institución de Ingenieros Mecánicos, treinta años después de que los ingenieros civiles formaran la primera sociedad profesional de esa clase, la Institución de Ingenieros Civiles. En el continente europeo, Johann von Zimmermann (1820-1901) fundó la primera fábrica de rectificadoras en Chemnitz, Alemania, en 1848.
En los Estados Unidos, la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) se formó en 1880, convirtiéndose en la tercera sociedad de ingeniería profesional, después de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (1852) y el Instituto Americano de Ingenieros de Minas (1871). Las primeras escuelas en los Estados Unidos en ofrecer una educación de ingeniería fueron la Academia Militar de los Estados Unidos en 1817, una institución ahora conocida como Universidad de Norwich en 1819, y el Instituto Politécnico Rensselaer en 1825. La educación en ingeniería mecánica se ha basado históricamente en una base sólida en matemáticas y ciencia
Educación
Los títulos en ingeniería mecánica se ofrecen en diversas universidades de todo el mundo. Los programas de ingeniería mecánica generalmente requieren de cuatro a cinco años de estudio y dan como resultado un título de Bachelor of Engineering (B.Eng. O BE), un Bachelor of Science (B.Sc. o BS), un Bachelor of Science Engineering (B.Sc.Eng. ), Bachelor of Technology (B.Tech.), Bachelor of Mechanical Engineering (BME), o Bachelor of Applied Science (BASc.) Grado, en o con énfasis en ingeniería mecánica. En España, Portugal y la mayor parte de Sudamérica, donde ni B.Sc. ni B.Tech. se han adoptado programas, el nombre formal para el título es "Ingeniero Mecánico", y el trabajo del curso se basa en cinco o seis años de capacitación. En Italia, el trabajo del curso se basa en cinco años de educación y capacitación, pero para calificar como Ingeniero uno tiene que aprobar un examen estatal al final del curso. En Grecia, el trabajo del curso se basa en un plan de estudios de cinco años y el requisito de una Tesis de "Diploma", que al finalizar se otorga un "Diploma" en lugar de un B.Sc.
In Australia, mechanical engineering degrees are awarded as Bachelor of Engineering (Mechanical) or similar nomenclature although there are an increasing number of specialisations. The degree takes four years of full-time study to achieve. To ensure quality in engineering degrees, Engineers Australia accredits engineering degrees awarded by Australian universities in accordance with the global Washington Accord. Before the degree can be awarded, the student must complete at least 3 months of on the job work experience in an engineering firm. Similar systems are also present in South Africa and are overseen by the Engineering Council of South Africa (ECSA).
En los Estados Unidos, la mayoría de los programas de ingeniería mecánica de pregrado están acreditados por la Junta de Acreditación de Ingeniería y Tecnología (ABET) para garantizar requisitos y estándares de cursos similares entre las universidades. El sitio web de ABET enumera 302 programas de ingeniería mecánica acreditados hasta el 11 de marzo de 2014. Los programas de ingeniería mecánica en Canadá están acreditados por la Junta de Acreditación de Ingeniería canadiense (CEAB) y la mayoría de los demás países que ofrecen títulos de ingeniería tienen sociedades de acreditación similares.
En la India, para convertirse en ingeniero, uno debe tener un título de ingeniería como un B.Tech o BE, tener un diploma en ingeniería, o al completar un curso en un oficio de ingeniería como ajustador del Instituto de Capacitación Industrial (ITI) para recibir un "Certificado de Comercio ITI" y también aprueba el All India Trade Test (AITT) con un comercio de ingeniería realizado por el Consejo Nacional de Formación Profesional (NCVT) por el cual se le otorga un "Certificado Nacional de Comercio". Un sistema similar se usa en Nepal.
Algunos ingenieros mecánicos continúan estudiando para obtener un título de postgrado, como un Master en Ingeniería, un Master en Tecnología, un Master of Science, un Master en Ingeniería Administrativa (M.Eng.Mgt. O MEM), un Doctor en Filosofía en Ingeniería (Eng.D. o Ph.D.) o un título de ingeniero. Los títulos de maestría e ingeniería pueden o no incluir investigación. El Doctor en Filosofía incluye un importante componente de investigación y, a menudo, es visto como el punto de entrada a la academia. El título de ingeniero existe en unas pocas instituciones en un nivel intermedio entre el máster y el doctorado.
Curso
Los estándares establecidos por la sociedad de acreditación de cada país tienen la intención de proporcionar uniformidad en el material fundamental del tema, promover la competencia entre los ingenieros graduados y mantener la confianza en la profesión de ingeniería en general. Los programas de ingeniería en los Estados Unidos, por ejemplo, son requeridos por ABET para demostrar que sus estudiantes pueden "trabajar profesionalmente en áreas de sistemas térmicos y mecánicos". Sin embargo, los cursos específicos necesarios para graduarse pueden diferir de un programa a otro. Las universidades e institutos tecnológicos a menudo combinarán múltiples materias en una sola clase o dividirán una materia en múltiples clases, dependiendo de la facultad disponible y de las principales áreas de investigación de la universidad.
Los temas fundamentales de la ingeniería mecánica generalmente incluyen:
- Matemáticas (en particular, cálculo, ecuaciones diferenciales y álgebra lineal)
- Ciencias físicas básicas (incluida la física y la química)
- Estática y dinámica
- Resistencia de materiales y mecánica sólida
- Ingeniería de Materiales, Composites
- Termodinámica, transferencia de calor, conversión de energía y HVAC
- Combustibles, combustión, motor de combustión interna
- Mecánica de fluidos (incluida la estática de fluidos y la dinámica de fluidos)
- Mecanismo y diseño de máquinas (incluida la cinemática y la dinámica)
- Instrumentación y medición
- Ingeniería de fabricación, tecnología o procesos
- Vibración, teoría de control e ingeniería de control
- Hidráulica y neumática
- Mecatrónica y robótica
- Diseño de ingeniería y diseño de producto
- Redacción, diseño asistido por computadora (CAD) y fabricación asistida por computadora (CAM)
También se espera que los ingenieros mecánicos entiendan y puedan aplicar conceptos básicos de química, física, ingeniería química, ingeniería civil e ingeniería eléctrica. Todos los programas de ingeniería mecánica incluyen múltiples semestres de clases matemáticas, incluido el cálculo, y conceptos matemáticos avanzados que incluyen ecuaciones diferenciales, ecuaciones en derivadas parciales, álgebra lineal, álgebra abstracta y geometría diferencial, entre otros.
Además del currículo básico de ingeniería mecánica, muchos programas de ingeniería mecánica ofrecen programas y clases más especializados, como sistemas de control, robótica, transporte y logística, criogenia, tecnología de combustible, ingeniería automotriz, biomecánica, vibración, óptica y otros, si se trata de un departamento separado no existe para estos sujetos.
La mayoría de los programas de ingeniería mecánica también requieren diferentes cantidades de investigación o proyectos comunitarios para obtener experiencia práctica en la resolución de problemas. En los Estados Unidos, es común que los estudiantes de ingeniería mecánica completen una o más pasantías mientras estudian, aunque esto generalmente no es un mandato de la universidad. La educación cooperativa es otra opción. La investigación futura de habilidades laborales pone a la demanda en componentes de estudio que alimentan la creatividad e innovación de los estudiantes.
Licencia y regulación
Los ingenieros pueden solicitar la licencia de un gobierno estatal, provincial o nacional. El objetivo de este proceso es garantizar que los ingenieros posean los conocimientos técnicos necesarios, la experiencia del mundo real y el conocimiento del sistema legal local para practicar la ingeniería a nivel profesional. Una vez certificado, el ingeniero recibe el título de Ingeniero profesional (en los Estados Unidos, Canadá, Japón, Corea del Sur, Bangladesh y Sudáfrica), ingeniero colegiado (en el Reino Unido, Irlanda, India y Zimbabwe), ingeniero profesional colegiado ( en Australia y Nueva Zelanda) o un ingeniero europeo (gran parte de la Unión Europea).
En los EE. UU., Para convertirse en Ingeniero Profesional licenciado (PE), un ingeniero debe aprobar el examen exhaustivo FE (Fundamentos de Ingeniería), trabajar un mínimo de 4 años como un Interno de Ingeniería (EI) o Ingeniero en Formación (EIT) y aprobar los exámenes "Principios y práctica" o PE (Practicante de ingeniería o ingeniero profesional). Los requisitos y pasos de este proceso son establecidos por el Consejo Nacional de Examinadores de Ingeniería y Agrimensura (NCEES), compuesto por juntas de licencias de ingeniería y agrimensura que representan a todos los estados y territorios de los EE. UU.
En el Reino Unido, los graduados actuales requieren un BEng más una maestría apropiada o un grado MEng integrado, un mínimo de 4 años de posgrado en el desarrollo de competencias laborales y un informe de proyecto revisado por pares en el área de especialidades de candidatos para convertirse en un Chartered Ingeniero Mecánico (CEng, MIMechE) a través de la Institución de Ingenieros Mecánicos. CEng MIMechE también se puede obtener a través de una ruta de examen administrada por City and Guilds of London Institute.
En la mayoría de los países desarrollados, ciertas tareas de ingeniería, como el diseño de puentes, plantas de energía eléctrica y plantas químicas, deben ser aprobadas por un ingeniero profesional o un ingeniero colegiado. "Solo un ingeniero con licencia, por ejemplo, puede preparar, firmar, sellar y enviar planos de ingeniería y dibujos a una autoridad pública para su aprobación, o para sellar el trabajo de ingeniería para clientes públicos y privados". Este requisito puede escribirse en la legislación estatal y provincial, como en las provincias canadienses, por ejemplo, la Ley de Ingenieros de Ontario o Quebec.
En otros países, como Australia y el Reino Unido, no existe tal legislación; sin embargo, prácticamente todos los organismos certificadores mantienen un código de ética independiente de la legislación, que esperan que todos los miembros cumplan o se arriesguen a la expulsión.
Deberes del trabajo
Los ingenieros mecánicos investigan, diseñan, desarrollan, construyen y prueban dispositivos mecánicos y térmicos, que incluyen herramientas, motores y máquinas.
Los ingenieros mecánicos generalmente hacen lo siguiente:
- Analice los problemas para ver cómo los dispositivos mecánicos y térmicos podrían ayudar a resolver el problema.
- Diseñe o rediseñe dispositivos mecánicos y térmicos utilizando análisis y diseño asistido por computadora.
- Desarrolla y prueba prototipos de dispositivos que diseñan.
- Analice los resultados de la prueba y cambie el diseño según sea necesario.
- Supervise el proceso de fabricación del dispositivo.
Los ingenieros mecánicos diseñan y supervisan la fabricación de muchos productos que van desde dispositivos médicos hasta baterías nuevas. También diseñan máquinas que producen electricidad, como generadores eléctricos, motores de combustión interna y turbinas de vapor y gas, así como máquinas que utilizan energía, como sistemas de refrigeración y aire acondicionado.
Al igual que otros ingenieros, los ingenieros mecánicos usan computadoras para ayudar a crear y analizar diseños, ejecutar simulaciones y probar cómo es probable que funcione una máquina.
Sueldos y estadísticas de la fuerza de trabajo
El número total de ingenieros empleados en los EE. UU. En 2015 fue de aproximadamente 1,6 millones. De estos, 278,340 eran ingenieros mecánicos (17,28%), la disciplina más grande por tamaño. En 2012, el ingreso medio anual de los ingenieros mecánicos en la fuerza de trabajo de los EE. UU. Fue de $ 80.580. El ingreso promedio fue más alto cuando se trabaja para el gobierno ($ 92,030) y el más bajo en educación ($ 57,090). En 2014, se proyectó que la cantidad total de trabajos de ingeniería mecánica crecería un 5% durante la próxima década. A partir de 2009, el salario inicial promedio fue $ 58.800 con una licenciatura.
Herramientas modernas
Muchas compañías de ingeniería mecánica, especialmente las de naciones industrializadas, han comenzado a incorporar programas de ingeniería asistida por computadora (CAE) en sus procesos de diseño y análisis existentes, incluido el diseño asistido por computadora (CAD) de modelado sólido 2D y 3D. Este método tiene muchos beneficios, incluida la visualización más sencilla y exhaustiva de los productos, la capacidad de crear conjuntos virtuales de piezas y la facilidad de uso para diseñar interfaces y tolerancias de acoplamiento.
Otros programas CAE comúnmente utilizados por ingenieros mecánicos incluyen herramientas de gestión del ciclo de vida del producto (PLM) y herramientas de análisis utilizadas para realizar simulaciones complejas. Las herramientas de análisis se pueden usar para predecir la respuesta del producto a las cargas esperadas, incluida la vida útil y la capacidad de fabricación. Estas herramientas incluyen análisis de elementos finitos (FEA), dinámica de fluidos computacional (CFD) y fabricación asistida por computadora (CAM).
Mediante el uso de programas CAE, un equipo de diseño mecánico puede iterar de forma rápida y económica el proceso de diseño para desarrollar un producto que satisfaga mejor los costos, el rendimiento y otras limitaciones. No es necesario crear ningún prototipo físico hasta que el diseño esté casi terminado, lo que permite evaluar cientos o miles de diseños, en lugar de unos pocos. Además, los programas de análisis CAE pueden modelar fenómenos físicos complicados que no se pueden resolver a mano, como la viscoelasticidad, el contacto complejo entre partes de acoplamiento o flujos no newtonianos.
A medida que la ingeniería mecánica comienza a fusionarse con otras disciplinas, como se ve en la mecatrónica, la optimización del diseño multidisciplinar (MDO) se utiliza con otros programas de CAE para automatizar y mejorar el proceso de diseño iterativo. Las herramientas de MDO envuelven los procesos de CAE existentes, permitiendo que la evaluación del producto continúe incluso después de que el analista se vaya a casa por un día. También utilizan sofisticados algoritmos de optimización para explorar más inteligentemente posibles diseños, a menudo encontrando soluciones mejores e innovadoras para problemas difíciles de diseño multidisciplinarios.
Subdisciplinas
El campo de la ingeniería mecánica se puede considerar como una colección de muchas disciplinas científicas de ingeniería mecánica. A continuación, se enumeran algunas de estas subdisciplinas que se enseñan típicamente a nivel de pregrado, con una breve explicación y la aplicación más común de cada una. Algunas de estas subdisciplinas son exclusivas de la ingeniería mecánica, mientras que otras son una combinación de ingeniería mecánica y una o más disciplinas. La mayoría del trabajo que hace un ingeniero mecánico usa habilidades y técnicas de varias de estas subdisciplinas, así como también subdisciplinas especializadas. Las subdisciplinas especializadas, tal como se utilizan en este artículo, tienen más probabilidades de ser objeto de estudios de posgrado o capacitación en el trabajo que la investigación de pregrado. Varias subdisciplinas especializadas se discuten en esta sección.
Mecánica
La mecánica es, en el sentido más general, el estudio de las fuerzas y su efecto sobre la materia. Típicamente, la mecánica de ingeniería se usa para analizar y predecir la aceleración y la deformación (tanto elástica como plástica) de objetos bajo fuerzas conocidas (también llamadas cargas) o tensiones. Las subdisciplinas de mecánica incluyen
- Estática, el estudio de cuerpos no móviles bajo cargas conocidas, cómo las fuerzas afectan cuerpos estáticos
- Dinámica El estudio de cómo las fuerzas afectan a los cuerpos en movimiento. La dinámica incluye cinemática (sobre movimiento, velocidad y aceleración) y cinética (sobre las fuerzas y las aceleraciones resultantes).
- Mecánica de materiales, el estudio de cómo diferentes materiales se deforman bajo varios tipos de estrés
- Mecánica de fluidos, el estudio de cómo los fluidos reaccionan a las fuerzas
- Cinemática, el estudio del movimiento de los cuerpos (objetos) y sistemas (grupos de objetos), mientras se ignoran las fuerzas que causan el movimiento. La cinemática se utiliza a menudo en el diseño y análisis de mecanismos.
- Mecánica continua, un método de aplicación mecánica que supone que los objetos son continuos (en lugar de discretos)
Los ingenieros mecánicos suelen utilizar la mecánica en las fases de diseño o análisis de la ingeniería. Si el proyecto de ingeniería fue el diseño de un vehículo, la estática podría emplearse para diseñar el marco del vehículo, con el fin de evaluar dónde las tensiones serán más intensas. La dinámica podría utilizarse al diseñar el motor del automóvil, para evaluar las fuerzas en los pistones y las levas a medida que el motor enciende en ciclos. La mecánica de los materiales se puede utilizar para elegir los materiales adecuados para el armazón y el motor. La mecánica de fluidos se puede utilizar para diseñar un sistema de ventilación para el vehículo (ver HVAC) o para diseñar el sistema de admisión del motor.
Mecatrónica y robótica
La mecatrónica es una combinación de mecánica y electrónica. Es una rama interdisciplinaria de ingeniería mecánica, ingeniería eléctrica e ingeniería de software que se ocupa de la integración de la ingeniería eléctrica y mecánica para crear sistemas híbridos. De esta forma, las máquinas se pueden automatizar mediante el uso de motores eléctricos, servo-mecanismos y otros sistemas eléctricos junto con un software especial. Un ejemplo común de un sistema mecatrónico es una unidad de CD-ROM. Los sistemas mecánicos abren y cierran la unidad, hacen girar el CD y mueven el láser, mientras que un sistema óptico lee los datos en el CD y los convierte en bits. El software integrado controla el proceso y comunica los contenidos del CD a la computadora.
La robótica es la aplicación de la mecatrónica para crear robots, que a menudo se utilizan en la industria para realizar tareas que son peligrosas, desagradables o repetitivas. Estos robots pueden ser de cualquier forma y tamaño, pero todos están preprogramados e interactúan físicamente con el mundo. Para crear un robot, un ingeniero generalmente emplea cinemática (para determinar el rango de movimiento del robot) y mecánica (para determinar las tensiones dentro del robot).
Los robots se usan ampliamente en la ingeniería industrial. Permiten a las empresas ahorrar dinero en mano de obra, realizar tareas que son demasiado peligrosas o demasiado precisas para que los humanos las realicen económicamente y para garantizar una mejor calidad. Muchas empresas emplean líneas de ensamblaje de robots, especialmente en industrias automotrices, y algunas fábricas están tan robotizadas que pueden funcionar solas. Fuera de la fábrica, los robots han sido empleados en la eliminación de bombas, la exploración espacial y muchos otros campos. Los robots también se venden para diversas aplicaciones residenciales, desde recreación hasta aplicaciones domésticas.
Análisis estructural
El análisis estructural es la rama de la ingeniería mecánica (y también de la ingeniería civil) dedicada a examinar por qué y cómo los objetos fallan y a reparar los objetos y su desempeño. Las fallas estructurales ocurren en dos modos generales: falla estática y falla por fatiga. La falla estructural estática ocurre cuando, al ser cargada (con una fuerza aplicada), el objeto analizado se rompe o se deforma plásticamente, dependiendo del criterio de falla. La falla por fatiga ocurre cuando un objeto falla después de varios ciclos de carga y descarga repetidos. La falla por fatiga ocurre debido a imperfecciones en el objeto: una grieta microscópica en la superficie del objeto, por ejemplo, crecerá levemente con cada ciclo (propagación) hasta que la grieta sea lo suficientemente grande como para causar la falla final.
La falla no se define simplemente como cuando una parte se rompe, sin embargo; se define como cuando una parte no funciona según lo previsto. Algunos sistemas, como las secciones superiores perforadas de algunas bolsas de plástico, están diseñados para romperse. Si estos sistemas no se rompen, se puede utilizar el análisis de fallas para determinar la causa.
Los ingenieros mecánicos suelen utilizar el análisis estructural después de que se produce una falla o cuando se diseña para evitar fallas. Los ingenieros a menudo usan documentos en línea y libros como los publicados por ASM para ayudarlos a determinar el tipo de falla y las posibles causas.
El análisis estructural se puede utilizar en la oficina cuando se diseñan piezas, en el campo para analizar piezas defectuosas o en laboratorios donde las piezas pueden someterse a pruebas de falla controladas.
Termodinámica y termociencia
La termodinámica es una ciencia aplicada utilizada en varias ramas de la ingeniería, incluida la ingeniería mecánica y química. En su forma más simple, la termodinámica es el estudio de la energía, su uso y transformación a través de un sistema. Por lo general, la termodinámica de ingeniería se ocupa de cambiar la energía de una forma a otra. Como ejemplo, los motores automotrices convierten la energía química (entalpía) del combustible en calor, y luego en el trabajo mecánico que eventualmente hace girar las ruedas.
Principios de termodinámica son utilizados por ingenieros mecánicos en los campos de transferencia de calor, termofluidos y conversión de energía. Los ingenieros mecánicos utilizan la termociencia para diseñar motores y plantas de energía, calefacción, ventilación y sistemas de aire acondicionado (HVAC), intercambiadores de calor, disipadores de calor, radiadores, refrigeración, aislamiento y otros.
Diseño y dibujo
El dibujo o el dibujo técnico es el medio por el cual los ingenieros mecánicos diseñan productos y crean instrucciones para la fabricación de piezas. Un dibujo técnico puede ser un modelo de computadora o un esquema dibujado a mano que muestre todas las dimensiones necesarias para fabricar una pieza, así como notas de montaje, una lista de materiales requeridos y otra información pertinente. Un ingeniero mecánico o un trabajador calificado de los Estados Unidos que cree dibujos técnicos puede denominarse dibujante o dibujante. El diseño ha sido históricamente un proceso bidimensional, pero los programas de diseño asistido por computadora (CAD) ahora permiten al diseñador crear en tres dimensiones.
Las instrucciones para fabricar una pieza deben ser alimentadas a la maquinaria necesaria, ya sea manualmente, a través de instrucciones programadas, o mediante el uso de una fabricación asistida por computadora (CAM) o un programa combinado de CAD / CAM. Opcionalmente, un ingeniero también puede fabricar manualmente una pieza usando los dibujos técnicos, pero esto se está convirtiendo en una rareza creciente, con el advenimiento de la fabricación controlada por computadora numérica (CNC). Los ingenieros principalmente fabrican piezas manualmente en las áreas de recubrimientos por pulverización aplicados, acabados y otros procesos que una máquina no puede hacer económica o prácticamente.
El diseño se utiliza en casi todas las subdisciplinas de la ingeniería mecánica y en muchas otras ramas de la ingeniería y la arquitectura. Los modelos tridimensionales creados con el software CAD también se utilizan comúnmente en el análisis de elementos finitos (FEA) y la dinámica de fluidos computacional (CFD).
Áreas de investigación
Los ingenieros mecánicos están constantemente superando los límites de lo que es físicamente posible para producir máquinas y sistemas mecánicos más seguros, económicos y eficientes. Algunas tecnologías a la vanguardia de la ingeniería mecánica se enumeran a continuación (véase también ingeniería exploratoria).
Micro sistemas electromecánicos (MEMS)
Los componentes mecánicos de escala micrométrica, como muelles, engranajes, dispositivos fluídicos y de transferencia de calor, se fabrican a partir de una variedad de materiales de sustrato, como silicio, vidrio y polímeros como SU8. Ejemplos de componentes MEMS son los acelerómetros que se utilizan como sensores de airbag para automóvil, teléfonos celulares modernos, giroscopios para posicionamiento preciso y dispositivos microfluídicos utilizados en aplicaciones biomédicas.
Soldadura por fricción y agitación (FSW)
La soldadura por fricción y agitación, un nuevo tipo de soldadura, fue descubierta en 1991 por The Welding Institute (TWI). La innovadora técnica de soldadura de estado estacionario (sin fusión) une materiales que antes no soldables, incluidas varias aleaciones de aluminio. Desempeña un papel importante en la futura construcción de aviones, potencialmente reemplazando remaches. Los usos actuales de esta tecnología hasta la fecha incluyen soldar las costuras del tanque externo principal de aluminio del transbordador espacial, artículo de prueba del vehículo Orion Crew, Boeing Delta II y Delta IV vehículos de lanzamiento fungibles y el cohete SpaceX Falcon 1, armadura para buques de asalto anfibios y soldando las alas y paneles de fuselaje del nuevo avión Eclipse 500 de Eclipse Aviation entre un grupo de usos cada vez mayor.
Composites
Los compuestos o materiales compuestos son una combinación de materiales que proporcionan diferentes características físicas que cualquier material por separado. La investigación de materiales compuestos dentro de la ingeniería mecánica generalmente se enfoca en diseñar (y, posteriormente, encontrar aplicaciones para) materiales más fuertes o más rígidos mientras se intenta reducir el peso, la susceptibilidad a la corrosión y otros factores indeseables. Los compuestos reforzados con fibra de carbono, por ejemplo, se han utilizado en aplicaciones tan diversas como naves espaciales y cañas de pescar.
Mecatrónica
La mecatrónica es la combinación sinérgica de ingeniería mecánica, ingeniería electrónica e ingeniería de software. El propósito de este campo de ingeniería interdisciplinaria es el estudio de la automatización desde una perspectiva de ingeniería y sirve para controlar los sistemas híbridos avanzados.
Nanotecnología
En las escalas más pequeñas, la ingeniería mecánica se convierte en nanotecnología; un objetivo especulativo es crear un ensamblador molecular para construir moléculas y materiales a través de la mecanosíntesis. Por ahora, ese objetivo permanece dentro de la ingeniería exploratoria. Las áreas de investigación en ingeniería mecánica actual en nanotecnología incluyen nanofiltros, nanofilms y nanoestructuras, entre otros.
Análisis de elementos finitos
Este campo no es nuevo, ya que la base del Análisis de Elementos Finitos (FEA) o el Método de Elementos Finitos (FEM) data de 1941. Pero la evolución de las computadoras ha convertido a FEA / FEM en una opción viable para el análisis de problemas estructurales. Muchos códigos comerciales como ANSYS, NASTRAN y ABAQUS son ampliamente utilizados en la industria para la investigación y el diseño de componentes. Algunos paquetes de software de modelado 3D y CAD han agregado módulos FEA. En los últimos tiempos, las plataformas de simulación en la nube como SimScale se están volviendo más comunes.
Otras técnicas como el método de diferencia finita (FDM) y el método de volumen finito (FVM) se emplean para resolver problemas relacionados con la transferencia de calor y masa, flujos de fluidos, interacción de superficie de fluidos, etc. En los últimos años, los métodos sin malla como la hidrodinámica de partículas suavizadas están ganando popularidad en caso de resolver problemas que involucran geometrías complejas, superficies libres, límites móviles y refinamiento adaptativo.
Biomecánica
La biomecánica es la aplicación de principios mecánicos a los sistemas biológicos, como los humanos, los animales, las plantas, los órganos y las células. La biomecánica también ayuda a crear extremidades protésicas y órganos artificiales para humanos.
La biomecánica está estrechamente relacionada con la ingeniería, porque a menudo utiliza las ciencias de la ingeniería tradicionales para analizar los sistemas biológicos. Algunas aplicaciones simples de la mecánica newtoniana y / o las ciencias de los materiales pueden proporcionar aproximaciones correctas a la mecánica de muchos sistemas biológicos.
Durante la última década, el método de elementos finitos (FEM) también ingresó al sector biomédico y destacó otros aspectos de ingeniería de la biomecánica. FEM se ha establecido desde entonces como una alternativa a la evaluación quirúrgica in vivo y obtuvo la amplia aceptación de la academia. La principal ventaja de la biomecánica computacional radica en su capacidad para determinar la respuesta endoanatómica de una anatomía, sin estar sujeta a restricciones éticas. Esto ha llevado al modelado FE hasta el punto de hacerse omnipresente en varios campos de la Biomecánica, mientras que varios proyectos incluso han adoptado una filosofía de código abierto (por ejemplo, BioSpine).
Dinámica de fluidos computacional
La dinámica de fluidos computacional, generalmente abreviada como CFD, es una rama de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas que involucran flujos de fluidos. Las computadoras se utilizan para realizar los cálculos necesarios para simular la interacción de líquidos y gases con superficies definidas por condiciones de contorno. Con los supercomputadores de alta velocidad, se pueden lograr mejores soluciones. La investigación en curso produce un software que mejora la precisión y la velocidad de los escenarios de simulación complejos, como los flujos transónicos o turbulentos. La validación inicial de dicho software se realiza utilizando un túnel de viento con la validación final en pruebas a gran escala, por ejemplo, pruebas de vuelo.
Ingeniería acústica
La ingeniería acústica es una de muchas otras subdisciplinas de la ingeniería mecánica y es la aplicación de la acústica. La ingeniería acústica es el estudio de sonido y vibración. Estos ingenieros trabajan eficazmente para reducir la contaminación acústica en dispositivos mecánicos y en edificios mediante la insonorización o la eliminación de fuentes de ruido no deseado. El estudio de la acústica puede abarcar desde diseñar un audífono más eficiente, micrófono, auriculares o estudio de grabación hasta mejorar la calidad del sonido de una sala de orquesta. La ingeniería acústica también se ocupa de la vibración de diferentes sistemas mecánicos.
Campos relacionados
La ingeniería de fabricación, la ingeniería aeroespacial y la ingeniería automotriz a veces se agrupan con ingeniería mecánica. Una licenciatura en estas áreas típicamente tendrá una diferencia de unas pocas clases especializadas.