Historia inżynierii mechanicznej
Inżynieria mechaniczna to dyscyplina skupiona wokół koncepcji wykorzystania mnożników siły , ruchomych komponentów i maszyn . Wykorzystuje wiedzę z matematyki , fizyki , materiałoznawstwa i technologii inżynieryjnych. Jest to jedna z najstarszych i najszerszych dyscyplin inżynierskich .
Od początków cywilizacji do wczesnego średniowiecza
Inżynieria powstała we wczesnej cywilizacji jako ogólna dyscyplina tworzenia struktur na dużą skalę, takich jak nawadnianie, architektura i projekty wojskowe. Postępy w produkcji żywności dzięki irygacji pozwoliły części populacji stać się specjalistami w starożytnym Babilonie .
Wszystkie sześć klasycznych prostych maszyn było znanych na starożytnym Bliskim Wschodzie . Klin i pochylnia (rampa) były znane od czasów prehistorycznych . Koło wraz z mechanizmem koła i osi zostało wynalezione w Mezopotamii ( współczesny Irak) w V tysiącleciu pne. Mechanizm dźwigniowy pojawił się po raz pierwszy około 5000 lat temu na Bliskim Wschodzie , gdzie był używany w prostej skali wagowej oraz do przenoszenia dużych obiektów w technologii starożytnego Egiptu . Dźwignia była również używana w shadoof , pierwszej maszynie dźwigowej , która pojawiła się w Mezopotamii około 3000 pne, a następnie w technice starożytnego Egiptu około 2000 pne. Najwcześniejsze dowody na istnienie kół pasowych pochodzą z Mezopotamii na początku drugiego tysiąclecia pne i starożytnego Egiptu za czasów XII dynastii (1991-1802 pne). Śruba _ , ostatnia z wynalezionych prostych maszyn, pojawiła się po raz pierwszy w Mezopotamii w okresie neoasyryjskim (911-609) pne. Piramidy egipskie zostały zbudowane przy użyciu trzech z sześciu prostych maszyn, pochyłej płaszczyzny, klina i dźwigni, aby stworzyć konstrukcje takie jak Wielka Piramida w Gizie .
Asyryjczycy byli znani ze stosowania metalurgii i stosowania żelaznej broni. Wiele z ich postępów dotyczyło sprzętu wojskowego. Nie byli pierwszymi, którzy je opracowali, ale poczynili postępy w zakresie koła i rydwanu. Korzystali z obrotowych osi w swoich wagonach, umożliwiając łatwe skręcanie. Byli też jedną z pierwszych armii, która użyła ruchomej wieży oblężniczej i taranu.
Zastosowanie inżynierii mechanicznej można zobaczyć w archiwach różnych starożytnych społeczeństw. Krążek 1500 pne, usprawniając transport wody. Niemiecki archeolog Robert Koldewey odkrył, że Wiszące Ogrody prawdopodobnie wykorzystywały mechaniczną pompę napędzaną przez te koła pasowe do transportu wody do ogrodów dachowych. Mezopotamczycy posunęliby się jeszcze dalej, zastępując „zastąpienie ruchu ciągłego ruchem przerywanym i ruchem obrotowym w przód iw tył” do 1200 pne.
Sakia rozwinęła się w królestwie Kush w IV wieku pne . Podniósł wodę na wysokość od 3 do 8 metrów przy mniejszym nakładzie pracy i czasu. W Kush opracowano zbiorniki w postaci Hafirów do przechowywania wody i wspomagania nawadniania. Bloomeries i wielkie piece zostały opracowane w ciągu VII wieku pne w Meroe . Kuszyckie zegary słoneczne stosowały matematykę w postaci zaawansowanej trygonometrii.
W starożytnym Egipcie pompa śrubowa jest kolejnym przykładem wykorzystania inżynierii do zwiększenia wydajności transportu wody. Chociaż pierwsi Egipcjanie budowali kolosalne konstrukcje, takie jak piramidy, nie opracowali kół pasowych do podnoszenia ciężkich kamieni i używali koła bardzo rzadko.
Najwcześniejsze praktyczne maszyny napędzane wodą , koło wodne i młyn wodny , pojawiły się po raz pierwszy w Imperium Perskim , na terenach dzisiejszego Iraku i Iranu, na początku IV wieku pne.
W starożytnej Grecji Archimedes (287–212 pne) opracował kilka kluczowych teorii w dziedzinie inżynierii mechanicznej, w tym przewagę mechaniczną , prawo dźwigni i ze względu na jego imię, prawo Archimedesa . W Egipcie Ptolematycznym Muzeum Aleksandryjskie opracowało bloczki dźwigowe z blokiem i wciągnikami podnosić kamienie. Dźwigi te były napędzane kołami z bieżnikiem człowieka i były oparte na wcześniejszych mezopotamskich systemach kół wodnych. Grecy rozwinęli później artylerię mechaniczną niezależnie od Chińczyków. Pierwszy z nich strzelał strzałkami, ale postępy pozwalały na rzucanie kamieniami w fortyfikacje lub formacje wroga.
Przekładniowy mechanizm z Antykithiry jest przykładem starożytnej inżynierii mechanicznej.
Od późnej starożytności do wczesnego średniowiecza
W rzymskim Egipcie Heron z Aleksandrii (ok. 10–70 ne) stworzył pierwsze urządzenie parowe , Aeolipile . Pierwszy w swoim rodzaju, nie miał możliwości poruszania się ani zasilania czegokolwiek poza własnym obrotem.
W Chinach Zhang Heng ( 78-139 ne) udoskonalił zegar wodny i wynalazł sejsmometr . Ma Jun (200–265 ne) wynalazł rydwan z mechanizmami różnicowymi .
, że Lew Filozof pracował nad systemem sygnałowym wykorzystującym zegary w Cesarstwie Bizantyjskim w 850 r., Łączącym Konstantynopol z pograniczem Cycylii i był kontynuacją złożonych zegarów miejskich we wschodnim Rzymie. Te wielkie maszyny rozpowszechniły się w Imperium Arabskim pod rządami Haruna al-Raszida .
Kolejnym wielkim urządzeniem mechanicznym były organy , które zostały ponownie wprowadzone w 757 r., kiedy Konstantyn V podarował je Pepinowi Krótkiemu .
Z wyjątkiem kilku maszyn, inżynieria i nauka uległy stagnacji na Zachodzie z powodu upadku Cesarstwa Rzymskiego w późnej starożytności.
Średniowiecze
Podczas Złotego Wieku Islamu (od VII do XV wieku) muzułmańscy wynalazcy wnieśli znaczący wkład w dziedzinie technologii mechanicznej. Al-Dżazari , który był jednym z nich, napisał swoją słynną Księgę wiedzy o genialnych urządzeniach mechanicznych w 1206 roku i przedstawił wiele projektów mechanicznych.
Najwcześniejsze praktyczne maszyny napędzane wiatrem , wiatrak i pompa wiatrowa , pojawiły się po raz pierwszy w świecie muzułmańskim w okresie Złotego Wieku Islamu , na terenach dzisiejszego Iranu, Afganistanu i Pakistanu, do IX wieku naszej ery. Najwcześniejszą praktyczną parową był podnośnik parowy napędzany turbiną parową , opisany w 1551 roku przez Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf w osmańskim Egipcie .
Odziarniacz bawełny został wynaleziony w Indiach w VI wieku naszej ery, a kołowrotek w świecie islamskim na początku XI wieku, co miało fundamentalne znaczenie dla rozwoju przemysłu bawełnianego . Kołowrotek był również prekursorem przędzarki , która była kluczowym osiągnięciem podczas wczesnej rewolucji przemysłowej w XVIII wieku.
Najwcześniejsze programowalne maszyny powstały w świecie muzułmańskim. Sekwencer muzyczny , programowalny instrument muzyczny , był najwcześniejszym rodzajem programowalnej maszyny. Pierwszym sekwencerem muzycznym był zautomatyzowany fletowy wynaleziony przez braci Banu Musa , opisany w ich Księdze Pomysłowych Urządzeń w IX wieku. W 1206 roku Al-Dżazari wynalazł programowalne automaty / roboty . Opisał cztery automaty muzycy, w tym perkusiści obsługiwani przez programowalną maszynę perkusyjną , w której można było zmusić ich do grania różnych rytmów i różnych schematów perkusyjnych. Zegar zamkowy , mechaniczny zegar astronomiczny z napędem wodnym , wynaleziony przez Al-Dżazariego, był pierwszym programowalnym komputerem analogowym .
Średniowieczny chiński horolog i inżynier Su Song (1020–1101 ne) włączył mechanizm wychwytowy do swojej astronomicznej wieży zegarowej na dwa wieki przed znalezieniem urządzeń wychwytowych w średniowiecznych zegarach europejskich, a także wynalazł pierwszy na świecie znany nieskończony napęd łańcuchowy przenoszący moc .
W średniowieczu szeroko rozpowszechniły się maszyny wspomagające pracę. Liczne rzeki Anglii i północnej Europy pozwoliły wykorzystać siłę poruszającej się wody. Młyn wodny odegrał kluczową rolę w produkcji wielu towarów, takich jak żywność, tkaniny, skóry i papiery. Te używane maszyny były jednymi z pierwszych, w których zastosowano koła zębate i koła zębate, co znacznie zwiększyło wydajność młynów. Wałek rozrządu umożliwiał przekształcenie siły obrotowej w siłę kierunkową. W mniejszym stopniu wykorzystywano również pływy zbiorników wodnych.
Energia wiatrowa stała się później nowym źródłem energii w Europie, uzupełniając młyn wodny. Ten postęp przeniósł się z Europy na Bliski Wschód podczas wypraw krzyżowych.
Metalurgia rozwinęła się znacznie w średniowieczu, a żelazo wyższej jakości pozwoliło na bardziej wytrzymałe konstrukcje i projekty. Młyny i moc mechaniczna zapewniały stały dopływ uderzeń młota i powietrza z miechów.
Renesans i rewolucja naukowa
Leonardo da Vinci był wybitnym inżynierem, projektującym i badającym wiele systemów mechanicznych, które koncentrowały się na transporcie i działaniach wojennych. Jego projekty zostały później porównane do wczesnych projektów samolotów.
Chociaż energia wiatrowa stanowiła źródło energii z dala od posiadłości nad rzeką i nastąpiła ogromna poprawa w jej wykorzystaniu, nie mogła zastąpić stałej i dużej mocy młyna wodnego. Woda pozostanie głównym źródłem mocy przedindustrialnego przemysłu miejskiego przez cały renesans.
W XVII wieku, podczas rewolucji naukowej , w Anglii i na kontynencie nastąpiły ważne przełomy w podstawach inżynierii mechanicznej . Holenderski matematyk i fizyk Christiaan Huygens wynalazł zegar wahadłowy w 1657 roku, który był pierwszym niezawodnym chronometrażystą od prawie 300 lat, i opublikował pracę poświęconą projektom zegarów i stojącej za nimi teorii. Isaac Newton sformułował prawa ruchu Newtona i opracował rachunek różniczkowy , które stałyby się matematyczną podstawą fizyki. Newton przez lata niechętnie publikował swoje prace, ale ostatecznie przekonali go do tego koledzy, tacy jak Edmond Halley . Gottfriedowi Wilhelmowi Leibnizowi przypisuje się również rozwój rachunku różniczkowego niezależnie od Newtona w tym okresie.
Rewolucja przemysłowa
Pod koniec renesansu naukowcy i inżynierowie zaczęli eksperymentować z energią parową. Większość wczesnych aparatów borykała się z problemami związanymi z niską mocą, nieefektywnością lub niebezpieczeństwem. Potrzeba efektywnego i ekonomicznego źródła energii powstała w związku z zalaniem kopalń głębinowych w Anglii , których nie można było wypompować metodami alternatywnymi. Pierwszym działającym projektem był patent Thomasa Savery'ego z 1698 roku. Nieustannie pracował nad ulepszaniem i sprzedażą wynalazku w całej Anglii. W tym samym czasie inni pracowali nad ulepszeniami projektu Savery'ego, który nie przenosił skutecznie ciepła.
Thomas Newcomen wykorzystał wszystkie osiągnięcia inżynierów i opracował silnik atmosferyczny Newcomen . Ten nowy projekt znacznie zmniejszyłby straty ciepła, odprowadzał wodę bezpośrednio z silnika i pozwoliłby na wbudowanie różnych proporcji.
Rewolucja przemysłowa przyniosła fabryki napędzane parą, wykorzystujące koncepcje inżynierii mechanicznej. Te postępy umożliwiły niewiarygodny wzrost skali produkcji, liczby i wydajności.
W XIX wieku postęp w materiałoznawstwie zaczął umożliwiać wdrażanie silników parowych do lokomotyw parowych i statków o napędzie parowym , szybko zwiększając prędkość, z jaką ludzie i towary mogą przemieszczać się po całym świecie. Powodem tych postępów było to, że obrabiarki zostały opracowane w Anglii, Niemczech i Szkocji . Pozwoliło to na rozwój inżynierii mechanicznej jako odrębnej dziedziny inżynierii. Przywieźli ze sobą maszyny produkcyjne i silniki do ich napędzania.
Pod koniec rewolucji przemysłowej technologia silników spalinowych przyniosła ze sobą samolot tłokowy i samochód . Inżynieria lotnicza rozwinęła się na początku XX wieku jako odgałęzienie inżynierii mechanicznej, ostatecznie obejmując rakietę.
węgiel został zastąpiony pochodnymi ropy naftowej .
Wiek nowożytny
Wraz z pojawieniem się komputerów w XX wieku inżynierowie mieli dostęp do bardziej precyzyjnych metod projektowania i produkcji. Rozwój oprogramowania CAD skrócił czas projektowania i umożliwił precyzyjną produkcję. Inżynierowie są w stanie symulować siły i naprężenia konstrukcji za pomocą programów komputerowych. Zautomatyzowana i skomputeryzowana produkcja umożliwiła pojawienie się wielu nowych dziedzin inżynierii mechanicznej, takich jak inżynieria przemysłowa . Chociaż większość samochodów nadal jest napędzana gazem, pojazdy elektryczne stały się realną alternatywą.
Ze względu na zwiększoną złożoność projektów inżynierskich wiele dyscyplin inżynierskich współpracuje i specjalizuje się w poddziedzinach . Jedną z takich współpracy jest dziedzina robotyki , w której inżynierowie elektrycy , inżynierowie komputerowi i inżynierowie mechanicy mogą się specjalizować i współpracować. Inżynieria mechaniczna jest najpopularniejszym ze wszystkich kierunków inżynierskich na kierunkach uniwersyteckich w XXI wieku.
Stowarzyszenia zawodowe
Pierwsze brytyjskie stowarzyszenie zawodowe inżynierów mechaników powstało w 1847 r. Institution of Mechanical Engineers , trzydzieści lat po tym, jak inżynierowie budownictwa utworzyli pierwsze takie stowarzyszenie zawodowe Institution of Civil Engineers .
W Stanach Zjednoczonych w 1880 r. Powstało Amerykańskie Towarzystwo Inżynierów Mechaników (ASME), stając się trzecim takim profesjonalnym stowarzyszeniem inżynierskim, po Amerykańskim Stowarzyszeniu Inżynierów Budownictwa (1852) i Amerykańskim Instytucie Inżynierów Górnictwa (1871).
Edukacja
Pierwszymi szkołami w Stanach Zjednoczonych, które oferowały kształcenie w zakresie inżynierii mechanicznej, była Akademia Wojskowa Stanów Zjednoczonych w 1817 r., instytucja znana obecnie jako Norwich University w 1819 r., oraz Rensselaer Polytechnic Institute w 1825 r. Historycznie edukacja w zakresie inżynierii mechanicznej opierała się na silnym podstawy matematyki i nauk ścisłych.
W XX wieku wiele rządów zaczęło regulować zarówno tytuł inżyniera, jak i praktykę inżynierską , wymagając dyplomu z akredytowanej uczelni i zdania testu kwalifikacyjnego.