Ingeniería Mecánica
Ingeniería mecánica es el estudio de máquinas físicas que pueden involucrar fuerza y movimiento. Es una rama de la ingeniería que combina los principios de la física y las matemáticas de la ingeniería con la ciencia de los materiales para diseñar, analizar, fabricar y mantener sistemas mecánicos. Es una de las ramas más antiguas y amplias de la ingeniería.
La ingeniería mecánica requiere una comprensión de las áreas centrales que incluyen mecánica, dinámica, termodinámica, ciencia de los materiales, análisis estructural y electricidad. Además de estos principios básicos, los ingenieros mecánicos utilizan herramientas como el diseño asistido por computadora (CAD), la fabricación asistida por computadora (CAM) y la gestión del ciclo de vida del producto para diseñar y analizar plantas de fabricación, equipos y maquinaria industriales, sistemas de calefacción y refrigeración, sistemas de transporte, aeronaves, embarcaciones, robótica, dispositivos médicos, armas y otros.
La ingeniería mecánica surgió como 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 avances en la física llevaron al desarrollo de la ciencia de la ingeniería mecánica. El campo ha evolucionado continuamente para incorporar avances; en la actualidad, los ingenieros mecánicos buscan desarrollos en áreas como los compuestos, la mecatrónica y la nanotecnología. También se superpone con la ingeniería aeroespacial, la ingeniería metalúrgica, la ingeniería civil, la ingeniería estructural, la ingeniería eléctrica, la ingeniería de fabricación, la ingeniería química, la 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 la biomecánica, los fenómenos de transporte, la biomecatrónica, la bionanotecnología y el modelado de sistemas biológicos.
Historia
La aplicación de la ingeniería mecánica se puede ver en los archivos de varias sociedades antiguas y medievales. Las seis máquinas simples clásicas se conocían en el antiguo Cercano Oriente. La cuña y el plano inclinado (rampa) eran conocidos desde tiempos prehistóricos. La rueda, junto con el mecanismo de la rueda y el eje, se inventó en Mesopotamia (actual Irak) durante el quinto milenio antes de Cristo. El mecanismo de palanca apareció por primera vez hace unos 5000 años en el Cercano Oriente, donde se usaba en una balanza simple y para mover objetos grandes en la tecnología del antiguo Egipto. La palanca también se usó en el dispositivo de elevación de agua shadoof, la primera máquina grúa, que apareció en Mesopotamia alrededor del año 3000 a. La evidencia más temprana de poleas se remonta a Mesopotamia a principios del segundo milenio antes de Cristo.
La Sakia se desarrolló en el Reino de Kush durante el siglo IV a.C. Se basó en la tracción animal para reducir el requerimiento de energía humana. Se desarrollaron embalses en forma de Hafirs en Kush para almacenar agua y potenciar el riego. Bloomeries y altos hornos se desarrollaron durante el siglo VII aC en Meroe. Los relojes de sol kushitas aplicaron las matemáticas en forma de trigonometría avanzada.
Las primeras máquinas prácticas impulsadas por agua, la rueda hidráulica y el molino de agua, aparecieron por primera vez en el Imperio Persa, en lo que ahora son Irak e Irán, a principios del siglo IV a. En la antigua Grecia, las obras de Arquímedes (287-212 a. C.) influyeron en la mecánica de la tradición occidental. En el Egipto romano, Garza de Alejandría (c. 10-70 d. C.) creó el primer dispositivo impulsado por vapor (Eolipile). En China, Zhang Heng (78–139 d. C.) mejoró un reloj de agua e inventó un sismómetro, y Ma Jun (200–265 d. C.) inventó un carro con engranajes diferenciales. El relojero e ingeniero chino medieval Su Song (1020-1101 d. C.) 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 en el mundo.
Durante la Edad de Oro islámica (siglos VII al XV), los inventores musulmanes hicieron notables contribuciones 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.
En el siglo XVII, se produjeron avances importantes en los fundamentos de la ingeniería mecánica en Inglaterra y el continente. El matemático y físico holandés Christiaan Huygens inventó el reloj de péndulo en 1657, que fue el primer cronometrador confiable durante casi 300 años, y publicó un trabajo dedicado a los diseños de relojes y la teoría detrás de ellos. En Inglaterra, Isaac Newton formuló las Leyes del movimiento de Newton y desarrolló el cálculo, que se convertiría en la base matemática de la física. Newton se mostró reacio a publicar sus obras durante años, pero finalmente sus colegas, como Edmond Halley, lo persuadieron de hacerlo. A Gottfried Wilhelm Leibniz, quien anteriormente diseñó una calculadora mecánica, también se le atribuye el desarrollo del cálculo durante el mismo período de tiempo.
Durante la Revolución Industrial de principios del siglo XIX, se desarrollaron máquinas herramienta en Inglaterra, Alemania y Escocia. Esto permitió que la ingeniería mecánica se desarrollara como un campo separado dentro de la ingeniería. Trajeron con ellos máquinas de fabricación y los motores para impulsarlas. La primera sociedad profesional británica de ingenieros mecánicos se formó en 1847, la Institución de Ingenieros Mecánicos, treinta años después de que los ingenieros civiles formaran la primera sociedad profesional de este tipo, 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 Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) se formó en 1880, convirtiéndose en la tercera sociedad de ingeniería profesional de este tipo, después de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (1852) y el Instituto Estadounidense de Ingenieros de Minas (1871).. Las primeras escuelas en los Estados Unidos en ofrecer educación en ingeniería fueron la Academia Militar de los Estados Unidos en 1817, una institución ahora conocida como la Universidad de Norwich en 1819, y el Instituto Politécnico Rensselaer en 1825. Históricamente, la educación en ingeniería mecánica se ha basado en una base sólida. en matemáticas y ciencias.
Educación
Varias universidades de todo el mundo ofrecen títulos en ingeniería mecánica. Los programas de ingeniería mecánica generalmente requieren de cuatro a cinco años de estudio, según el lugar y la universidad, y dan como resultado una Licenciatura en Ingeniería (B.Eng. o B.E.), Licenciatura en Ciencias (B.Sc. o B.S.), Licenciatura en Ciencias de la Ingeniería (B.Sc.Eng.), Licenciatura en Tecnología (B.Tech.), Licenciatura en Ingeniería Mecánica (B.M.E.) o Licenciatura en Ciencias Aplicadas (B.A.Sc.), en o con énfasis en ingeniería mecánica. En España, Portugal y la mayor parte de Sudamérica, donde ni B.S. ni B.Tech. se han adoptado programas, el nombre formal del 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, se debe aprobar un examen estatal al final del curso. En Grecia, el trabajo del curso se basa en un plan de estudios de cinco años.
En los Estados Unidos, la mayoría de los programas universitarios de ingeniería mecánica están acreditados por la Junta de Acreditación de Ingeniería y Tecnología (ABET) para garantizar requisitos y estándares de cursos similares entre universidades. El sitio web de ABET enumera 302 programas de ingeniería mecánica acreditados al 11 de marzo de 2014. Los programas de ingeniería mecánica en Canadá están acreditados por la Junta Canadiense de Acreditación de Ingeniería (CEAB), y la mayoría de los demás países que ofrecen títulos de ingeniería tienen sociedades de acreditación similares.
En Australia, los títulos de ingeniería mecánica se otorgan como Licenciatura en Ingeniería (Mecánica) o una nomenclatura similar, aunque hay un número cada vez mayor de especializaciones. El título requiere cuatro años de estudio a tiempo completo para lograrlo. Para garantizar la calidad de los títulos de ingeniería, Engineers Australia acredita los títulos de ingeniería otorgados por universidades australianas de acuerdo con el Acuerdo de Washington global. Antes de que se pueda otorgar el título, el estudiante debe completar al menos 3 meses de experiencia laboral en el trabajo en una empresa de ingeniería. Sistemas similares también están presentes en Sudáfrica y son supervisados por el Consejo de Ingeniería de Sudáfrica (ECSA).
En la India, para convertirse en ingeniero, es necesario tener un título de ingeniería como B.Tech o B.E, tener un diploma en ingeniería o completar un curso en un oficio de ingeniería como instalador del Instituto de Capacitación Industrial (ITI).) para recibir un "Certificado comercial ITI" y también pasar la prueba comercial de toda la India (AITT) con un comercio de ingeniería realizado por el Consejo Nacional de Capacitación Vocacional (NCVT) mediante el cual se otorga un "Certificado comercial nacional". En Nepal se utiliza un sistema similar.
Algunos ingenieros mecánicos obtienen un título de posgrado, como una Maestría en Ingeniería, una Maestría en Tecnología, una Maestría en Ciencias, una Maestría en Administración de Ingeniería (M.Eng.Mgt. o M.E.M.), un Doctorado en Filosofía en ingeniería (Eng.D. o Ph.D.) o un título de ingeniero. Las maestrías e ingenierías pueden o no incluir investigación. El Doctorado en Filosofía incluye un componente de investigación significativo y, a menudo, se lo considera el punto de entrada a la academia. La carrera de Ingeniero existe en algunas instituciones en un nivel intermedio entre la maestría y el doctorado.
Trabajo de curso
Los estándares establecidos por la sociedad de acreditación de cada país tienen como objetivo brindar uniformidad en el material fundamental de las materias, promover la competencia entre los ingenieros que se gradúan y mantener la confianza en la profesión de ingeniería en su conjunto. Los programas de ingeniería en los EE. UU., por ejemplo, están obligados por ABET a demostrar que sus estudiantes pueden "trabajar profesionalmente en áreas de sistemas térmicos y mecánicos". Sin embargo, los cursos específicos requeridos para graduarse pueden diferir de un programa a otro. Las universidades y los institutos de tecnología a menudo combinarán múltiples materias en una sola clase o dividirán una materia en varias clases, según la facultad disponible y las principales áreas de investigación de la universidad.
Los temas fundamentales requeridos para la ingeniería mecánica generalmente incluyen:
- Matemáticas (en particular, cálculo, ecuaciones diferenciales y álgebra lineal)
- Ciencias físicas básicas (incluyendo física y química)
- Statics and dynamics
- Fuerza de materiales y mecánicos sólidos
- Ingeniería de materiales, compuestos
- Termodinámica, transferencia de calor, conversión de energía y HVAC
- Combustible, motor de combustión interna
- Mecánica fluida (incluyendo estática de fluidos y dinámica de fluidos)
- Mecanismo y diseño de máquinas (incluyendo cinemáticas y dinámicas)
- Instrumentación y medición
- Ingeniería, tecnología o procesos de fabricación
- Vibración, teoría de control e ingeniería de control
- Hidraulics and Pneumatics
- Mecatrónica y robótica
- Diseño de ingeniería y diseño de productos
- Redacción, diseño computadorizado (CAD) y fabricación computarizada (CAM)
También se espera que los ingenieros mecánicos comprendan y puedan aplicar conceptos básicos de química, física, tribología, ingeniería química, ingeniería civil e ingeniería eléctrica. Todos los programas de ingeniería mecánica incluyen múltiples semestres de clases de matemáticas que incluyen cálculo y conceptos matemáticos avanzados que incluyen ecuaciones diferenciales, ecuaciones diferenciales parciales, álgebra lineal, álgebra abstracta y geometría diferencial, entre otros.
Además del plan de estudios 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 combustibles, ingeniería automotriz, biomecánica, vibración, óptica y otros. si no existe un departamento separado para estos temas.
La mayoría de los programas de ingeniería mecánica también requieren cantidades variables 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 no suele ser obligatorio en la universidad. La educación cooperativa es otra opción. La investigación futura de habilidades laborales exige componentes de estudio que alimenten la creatividad y la innovación de los estudiantes.
Deberes del trabajo
Los ingenieros mecánicos investigan, diseñan, desarrollan, construyen y prueban dispositivos mecánicos y térmicos, incluidas herramientas, motores y máquinas.
Los ingenieros mecánicos suelen hacer lo siguiente:
- Analizar problemas para ver cómo los dispositivos mecánicos y térmicos podrían ayudar a resolver el problema.
- Diseñar o rediseñar dispositivos mecánicos y térmicos mediante el análisis y el diseño asistido por computadora.
- Desarrollar y probar prototipos de dispositivos que diseñan.
- Analice los resultados de la prueba y cambie el diseño según sea necesario.
- Consulta el proceso de fabricación para el dispositivo.
- Gestione un equipo de profesionales en campos especializados como la redacción y diseño mecánicos, prototipado, impresión 3D o/y especialistas en máquinas CNC.
Los ingenieros mecánicos diseñan y supervisan la fabricación de muchos productos, desde dispositivos médicos hasta baterías nuevas. También diseñan máquinas productoras de energía, 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.
Licencia y regulación
Los ingenieros pueden solicitar una licencia de un gobierno estatal, provincial o nacional. El propósito 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 ejercer la ingeniería a nivel profesional. Una vez certificado, el ingeniero recibe el título de Ingeniero Profesional (Estados Unidos, Canadá, Japón, Corea del Sur, Bangladesh y Sudáfrica), Ingeniero Certificado (en el Reino Unido, Irlanda, India y Zimbabue), Ingeniero Profesional Certificado (en Australia y Nueva Zelanda) o Ingeniero Europeo (gran parte de la Unión Europea).
En los EE. UU., para convertirse en ingeniero profesional (PE) con licencia, un ingeniero debe aprobar el examen completo FE (Fundamentos de ingeniería), trabajar un mínimo de 4 años como pasante de ingeniería (EI) o Ingeniero en formación (EIT), y aprobar los "Principios y práctica" o exámenes PE (Ingeniero en ejercicio o Ingeniero profesional). Los requisitos y pasos de este proceso los establece 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 EE. UU.
En el Reino Unido, los graduados actuales requieren un BEng más una maestría adecuada o un título de MEng integrado, un mínimo de 4 años de posgrado en el desarrollo de competencias laborales y un informe de proyecto revisado por pares para convertirse en Mecánico Certificado Ingeniero (CEng, MIMechE) a través del Instituto de Ingenieros Mecánicos. CEng MIMechE también se puede obtener a través de una ruta de examen administrada por el City and Guilds of London Institute.
En la mayoría de los países desarrollados, ciertas tareas de ingeniería, como el diseño de puentes, centrales eléctricas 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 presentar planos y dibujos de ingeniería a una autoridad pública para su aprobación, o para sellar trabajos de ingeniería para clientes públicos y privados." Este requisito se puede incluir 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 de certificación mantienen un código de ética independiente de la legislación, que esperan que todos los miembros cumplan o corren el riesgo de ser expulsados.
Estadísticas de salarios y fuerza laboral
La cantidad 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 numerosa por tamaño. En 2012, el ingreso anual promedio de los ingenieros mecánicos en la fuerza laboral de los EE. UU. fue de $80,580. El ingreso medio fue más alto cuando trabajaba para el gobierno ($92,030) y más bajo en educación ($57,090). En 2014, se proyectó que el número total de trabajos de ingeniería mecánica crecería un 5 % durante la próxima década. A partir de 2009, el salario inicial promedio fue de $ 58,800 con una licenciatura.
Subdisciplinas
El campo de la ingeniería mecánica se puede considerar como una colección de muchas disciplinas científicas de la ingeniería mecánica. Varias de estas subdisciplinas que normalmente se enseñan a nivel de pregrado se enumeran a continuación, 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 mayor parte del trabajo que realiza un ingeniero mecánico utiliza habilidades y técnicas de varias de estas subdisciplinas, así como de subdisciplinas especializadas. Es más probable que las subdisciplinas especializadas, tal como se utilizan en este artículo, sean objeto de estudios de posgrado o de capacitación en el trabajo que de investigación de pregrado. En esta sección se analizan varias subdisciplinas especializadas.
Mecánica
La mecánica es, en el sentido más general, el estudio de las fuerzas y su efecto sobre la materia. Por lo general, la ingeniería mecánica 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 la mecánica incluyen
- Statics, el estudio de cuerpos no movimientos bajo cargas conocidas, cómo las fuerzas afectan a los cuerpos estáticos
- Dinámica del estudio de cómo las fuerzas afectan a los cuerpos móviles. Dinámica incluye cinemática (sobre movimiento, velocidad y aceleración) y kinetics (sobre fuerzas y aceleraciónes resultantes).
- Mecánica de materiales, estudio de cómo se deforman diferentes materiales bajo diversos tipos de estrés
- Mecánica fluido, el estudio de cómo los fluidos reaccionan a las fuerzas
- Kinematics, el estudio de la moción de cuerpos (objetos) y sistemas (grupos de objetos), ignorando 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 de mecánica que asume que los objetos son continuos (más que discretos)
Los ingenieros mecánicos suelen utilizar la mecánica en las fases de diseño o análisis de la ingeniería. Si el proyecto de ingeniería fuera el diseño de un vehículo, se podría emplear la estática para diseñar la estructura del vehículo, a fin de evaluar dónde serán más intensas las tensiones. La dinámica se puede usar al diseñar el motor del automóvil, para evaluar las fuerzas en los pistones y las levas a medida que el motor funciona. Se puede utilizar la mecánica de los materiales para elegir los materiales apropiados para el bastidor y el motor. La mecánica de fluidos podría usarse para diseñar un sistema de ventilación para el vehículo (ver HVAC), o para diseñar el sistema de admisión para el motor.
Mecatrónica y robótica
La mecatrónica es una combinación de mecánica y electrónica. Es una rama interdisciplinaria de la ingeniería mecánica, la ingeniería eléctrica y la ingeniería de software que se ocupa de integrar la ingeniería eléctrica y mecánica para crear sistemas de automatización híbridos. De esta manera, las máquinas pueden automatizarse mediante el uso de motores eléctricos, servomecanismos 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 del CD y los convierte en bits. El software integrado controla el proceso y comunica el contenido 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 peligrosas, desagradables o repetitivas. Estos robots pueden tener cualquier forma y tamaño, pero todos están preprogramados e interactúan físicamente con el mundo. Para crear un robot, un ingeniero generalmente emplea la cinemática (para determinar el rango de movimiento del robot) y la mecánica (para determinar las tensiones dentro del robot).
Los robots se utilizan ampliamente en la ingeniería de automatización 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 garantizar una mejor calidad. Muchas empresas emplean líneas de montaje de robots, especialmente en las industrias automotrices y algunas fábricas están tan robotizadas que pueden funcionar solas. Fuera de la fábrica, los robots se han empleado en la desactivación 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 fallan los objetos y corregir los objetos y su rendimiento. Las fallas estructurales ocurren en dos modos generales: falla estática y falla por fatiga. La falla estructural estática ocurre cuando, al ser cargado (aplicando una fuerza), el objeto que se analiza se rompe o se deforma plásticamente, según el criterio de falla. La falla por fatiga ocurre cuando un objeto falla después de varios ciclos repetidos de carga y descarga. La falla por fatiga ocurre debido a imperfecciones en el objeto: una grieta microscópica en la superficie del objeto, por ejemplo, crecerá ligeramente con cada ciclo (propagación) hasta que la grieta sea lo suficientemente grande como para causar la falla final.
Sin embargo, la falla no se define simplemente como cuando una pieza se rompe; se define como cuando una pieza no funciona según lo previsto. Algunos sistemas, como las secciones superiores perforadas de algunas bolsas de plástico, están diseñadas para romperse. Si estos sistemas no fallan, se puede emplear un análisis de fallas para determinar la causa.
Los ingenieros mecánicos suelen utilizar el análisis estructural después de que se ha producido un fallo o cuando se diseña para evitar fallos. Los ingenieros a menudo usan documentos y libros en línea como los publicados por ASM para ayudarlos a determinar el tipo de falla y las posibles causas.
Una vez que se aplica la teoría a un diseño mecánico, a menudo se realizan pruebas físicas para verificar los resultados calculados. El análisis estructural se puede utilizar en una oficina cuando se diseñan piezas, en el campo para analizar piezas defectuosas o en laboratorios donde las piezas pueden someterse a pruebas de fallas controladas.
Termodinámica y termociencia
La termodinámica es una ciencia aplicada que se utiliza 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. Por ejemplo, los motores de automóviles convierten la energía química (entalpía) del combustible en calor y luego en trabajo mecánico que finalmente hace girar las ruedas.
Los ingenieros mecánicos utilizan los principios de la termodinámica en los campos de transferencia de calor, termofluidos y conversión de energía. Los ingenieros mecánicos utilizan la termociencia para diseñar motores y centrales eléctricas, sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), intercambiadores de calor, disipadores de calor, radiadores, refrigeración, aislamiento y otros.
Diseño y redacción
El diseño o 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 ensamblaje, una lista de los materiales necesarios y otra información pertinente. Un ingeniero mecánico estadounidense o un trabajador calificado que crea dibujos técnicos puede denominarse dibujante o dibujante. Históricamente, el dibujo ha sido 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 enviarse a la maquinaria necesaria, ya sea manualmente, a través de instrucciones programadas o mediante el uso de un programa de fabricación asistida por computadora (CAM) o CAD/CAM combinado. Opcionalmente, un ingeniero también puede fabricar manualmente una pieza utilizando los dibujos técnicos. Sin embargo, con el advenimiento de la fabricación controlada numéricamente por computadora (CNC), ahora se pueden fabricar piezas sin la necesidad de la intervención constante de un técnico. Las piezas fabricadas manualmente generalmente consisten en recubrimientos por aspersión, acabados superficiales y otros procesos que una máquina no puede realizar económica o prácticamente.
El dibujo 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 software CAD también se usan comúnmente en análisis de elementos finitos (FEA) y dinámica de fluidos computacional (CFD).
Herramientas modernas
Muchas empresas de ingeniería mecánica, especialmente aquellas en países industrializados, 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 una visualización más sencilla y exhaustiva de los productos, la capacidad de crear ensamblajes virtuales de piezas y la facilidad de uso para diseñar interfaces de acoplamiento y tolerancias.
Otros programas CAE que suelen utilizar los ingenieros mecánicos incluyen herramientas de gestión del ciclo de vida del producto (PLM) y herramientas de análisis que se utilizan 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 a la fatiga y la capacidad de fabricación. Estas herramientas incluyen análisis de elementos finitos (FEA), dinámica de fluidos computacional (CFD) y fabricación asistida por computadora (CAM).
Con los programas CAE, un equipo de diseño mecánico puede iterar el proceso de diseño de manera rápida y económica para desarrollar un producto que cumpla mejor con los costos, el rendimiento y otras limitaciones. No es necesario crear un 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 acopladas o los 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 multidisciplinario (MDO) se usa con otros programas CAE para automatizar y mejorar el proceso de diseño iterativo. Las herramientas de MDO envuelven los procesos CAE existentes, lo que permite que la evaluación del producto continúe incluso después de que el analista se vaya a casa por el día. También utilizan sofisticados algoritmos de optimización para explorar de forma más inteligente los posibles diseños, a menudo encontrando soluciones mejores e innovadoras para problemas de diseño multidisciplinarios difíciles.
Áreas de investigación
Los ingenieros mecánicos superan constantemente 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 (ver también ingeniería exploratoria).
Sistemas microelectromecánicos (MEMS)
Los componentes mecánicos a escala micrométrica, como resortes, 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 usan como sensores de bolsas de aire para automóviles, teléfonos celulares modernos, giroscopios para posicionamiento preciso y dispositivos microfluídicos que se usan en aplicaciones biomédicas.
Soldadura por fricción-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 se podían soldar, incluidas varias aleaciones de aluminio. Juega un papel importante en la futura construcción de aviones, reemplazando potencialmente a los remaches. Los usos actuales de esta tecnología hasta la fecha incluyen soldar las costuras del tanque externo principal de aluminio del transbordador espacial, el vehículo de tripulación Orion, los vehículos de lanzamiento desechables Boeing Delta II y Delta IV y el cohete SpaceX Falcon 1, el blindaje de los barcos de asalto anfibio y soldar el alas y paneles de fuselaje del nuevo avión Eclipse 500 de Eclipse Aviation entre un grupo de usos cada vez mayor.
Compuestos
Los composites o materiales compuestos son una combinación de materiales que proporcionan diferentes características físicas que cualquiera de los materiales 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 al intentar 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. La disciplina de la mecatrónica comenzó como una forma de combinar los principios mecánicos con la ingeniería eléctrica. Los conceptos mecatrónicos se utilizan en la mayoría de los sistemas electromecánicos. Los sensores electromecánicos típicos utilizados en mecatrónica son galgas extensométricas, termopares y transductores de presión.
Nanotecnología
En las escalas más pequeñas, la ingeniería mecánica se convierte en nanotecnología, cuyo 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 actual de ingeniería mecánica en nanotecnología incluyen nanofiltros, nanopelículas y nanoestructuras, entre otras.
Análisis de elementos finitos
El análisis de elementos finitos es una herramienta computacional que se utiliza para estimar la tensión, la deformación y la desviación de cuerpos sólidos. Utiliza una configuración de malla con tamaños definidos por el usuario para medir cantidades físicas en un nodo. Cuantos más nodos haya, mayor será la precisión. Este campo no es nuevo, ya que la base del Análisis de Elementos Finitos (FEA) o Método de Elementos Finitos (FEM) data de 1941. Pero la evolución de las computadoras ha hecho de FEA/FEM una opción viable para el análisis de problemas estructurales. Muchos códigos comerciales como NASTRAN, ANSYS 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 diferencias finitas (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 superficies de fluidos, etc.
Biomecánica
La biomecánica es la aplicación de principios mecánicos a sistemas biológicos, como humanos, animales, plantas, órganos y células. La biomecánica también ayuda a crear prótesis 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 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.
En la última década, la ingeniería inversa de materiales que se encuentran en la naturaleza, como la materia ósea, ganó financiación en el mundo académico. La estructura de la materia ósea está optimizada para su propósito de soportar una gran cantidad de tensión de compresión por unidad de peso. El objetivo es reemplazar el acero crudo con biomaterial para el diseño estructural.
Durante la última década, el método de elementos finitos (FEM) también ingresó al sector biomédico, destacando otros aspectos de ingeniería de la biomecánica. Desde entonces, FEM se ha establecido como una alternativa a la evaluación quirúrgica in vivo y obtuvo una amplia aceptación en el mundo académico. 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 volverse 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 supercomputadoras 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 turbulentos. La validación inicial de dicho software se realiza mediante un túnel de viento y la validación final se realiza mediante pruebas a gran escala, p. pruebas de vuelo
Ingeniería acústica
La ingeniería acústica es una de las muchas otras subdisciplinas de la ingeniería mecánica y es la aplicación de la acústica. La ingeniería acústica es el estudio del sonido y la vibración. Estos ingenieros trabajan de forma eficaz 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 el diseño de un audífono, un micrófono, un auricular o un estudio de grabación más eficientes hasta la mejora de la calidad del sonido de una sala de orquesta. La ingeniería acústica también se ocupa de la vibración de diferentes sistemas mecánicos.
Campos relacionados
En ocasiones, la ingeniería de fabricación, la ingeniería aeroespacial y la ingeniería automotriz se agrupan con la ingeniería mecánica. Una licenciatura en estas áreas generalmente tendrá una diferencia de algunas clases especializadas.
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