Ingeniería Mecánica
Disciplina de ingeniería

Diversos componentes de máquinas utilizados en ingeniería mecánica.

La ingeniería mecánica es el estudio de las máquinas físicas que pueden implicar 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 . [1] Es una de las ramas de la ingeniería más antiguas y amplias .

La ingeniería mecánica requiere una comprensión de áreas fundamentales como la mecánica , la dinámica , la termodinámica , la ciencia de los materiales , el diseño , el análisis estructural y la electricidad . Además de estos principios básicos, los ingenieros mecánicos utilizan herramientas como el diseño asistido por ordenador (CAD), la fabricación asistida por ordenador (CAM), la ingeniería asistida por ordenador (CAE) y la gestión del ciclo de vida del producto para diseñar y analizar plantas de fabricación , equipos y maquinarias industriales , sistemas de calefacción y refrigeración , sistemas de transporte , vehículos de motor , aeronaves , embarcaciones , robótica , dispositivos médicos , armas y otros. [2] [3]

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 física llevaron al desarrollo de la ciencia de la ingeniería mecánica. El campo ha evolucionado continuamente para incorporar avances; hoy en día, los ingenieros mecánicos están buscando 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 diferentes grados. Los ingenieros mecánicos también pueden trabajar en el campo de la ingeniería biomédica , específicamente con biomecánica , fenómenos de transporte , biomecatrónica , bionanotecnología y 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 eran conocidas en el antiguo Cercano Oriente . La cuña y el plano inclinado (rampa) se conocían desde tiempos prehistóricos . [4] A la civilización mesopotámica se le atribuye la invención de la rueda según varias fuentes, principalmente antiguas. [5] [6] [7] Sin embargo, algunas fuentes recientes sugieren que se inventó de forma independiente tanto en Mesopotamia como en Europa del Este o atribuyen a los europeos orientales prehistóricos la invención de la rueda [8] [9] [10] [11] El mecanismo de palanca apareció por primera vez hace unos 5.000 años en el Cercano Oriente, donde se utilizó en una balanza simple , [12] y para mover objetos grandes en la tecnología del antiguo Egipto . [13] La palanca también se utilizó en el dispositivo de elevación de agua shadoof , la primera máquina de grúa , que apareció en Mesopotamia alrededor del 3000 a. C. [12] La evidencia más temprana de poleas se remonta a Mesopotamia a principios del segundo milenio a. C. [14]

El Sakia se desarrolló en el Reino de Kush durante el siglo IV a. C. Se basaba en la fuerza animal, lo que reducía el uso de la energía humana. [15] En Kush se desarrollaron embalses en forma de hafirs para almacenar agua y aumentar el riego. [16] Las calderas y los altos hornos se desarrollaron durante el siglo VII a. C. en Meroe . [17] [18] [19] [20] Los relojes de sol kushitas aplicaban las matemáticas en forma de trigonometría avanzada. [21] [22]

Las primeras máquinas accionadas 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. C. [23] En la antigua Grecia , las obras de Arquímedes (287-212 a. C.) influyeron en la mecánica de la tradición occidental. Los mecanismos de engranajes de Antikythera eran una computadora analógica inventada alrededor del siglo II a. C. [24]

En el Egipto romano , Herón de Alejandría (c. 10-70 d. C.) creó el primer dispositivo impulsado por vapor ( Eolípila ). [25] 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 horólogo 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 energía sin fin conocida del mundo . [26]

La desmotadora de algodón fue inventada en la India en el siglo VI d. C., [27] y la rueca fue inventada en el mundo islámico a principios del siglo XI, [28] Las desmotadoras de doble rodillo aparecieron en la India y China entre los siglos XII y XIV. [29] La desmotadora de rodillos con engranajes helicoidales apareció en el subcontinente indio durante la era temprana del Sultanato de Delhi de los siglos XIII al XIV. [30]

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.

En el siglo XVII, se produjeron importantes avances 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 fiable durante casi 300 años, y publicó una obra dedicada a los diseños de relojes y la teoría detrás de ellos. [31] [32] 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 convencieron de hacerlo . A Gottfried Wilhelm Leibniz , que diseñó anteriormente una calculadora mecánica , también se le atribuye el desarrollo del cálculo durante el mismo período de tiempo. [33]

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 consigo máquinas de fabricación y los motores para impulsarlas. [34] La primera sociedad profesional británica de ingenieros mecánicos se formó en 1847, Institution of Mechanical Engineers , treinta años después de que los ingenieros civiles formaran la primera sociedad profesional de este tipo, Institution of Civil Engineers . [35] 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). [36] Las primeras escuelas en los Estados Unidos en ofrecer una educación en 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 sólida base en matemáticas y ciencias. [37]

Educación

Laboratorio de enseñanza de ingeniería mecánica en la Universidad Estatal de Ohio ( c.  1900 )

En varias universidades del mundo se ofrecen títulos en ingeniería mecánica. Los programas de ingeniería mecánica suelen durar entre cuatro y cinco años de estudio, según el lugar y la universidad, y dan lugar a una licenciatura en ingeniería (B.Eng. o BE), una licenciatura en ciencias (B.Sc. o BS), una licenciatura en ciencias e ingeniería (B.Sc.Eng.), una licenciatura en tecnología (B.Tech.), una licenciatura en ingeniería mecánica (BME) o una licenciatura en ciencias aplicadas (BASc.), en ingeniería mecánica o con énfasis en esta disciplina. En España, Portugal y la mayor parte de Sudamérica, donde no se han adoptado programas de licenciatura ni de licenciatura en tecnología, el nombre formal del título es "ingeniero mecánico" y el plan de estudios se basa en cinco o seis años de formación. En Italia, el plan de estudios se basa en cinco años de educación y formación, pero para obtener el título de ingeniero hay que aprobar un examen estatal al final del curso. En Grecia, el plan de estudios se basa en un plan de estudios de cinco años. [38]

En los Estados Unidos, la mayoría de los programas de ingeniería mecánica de grado están acreditados por la Junta de Acreditación de Ingeniería y Tecnología (ABET, por sus siglas en inglés) para garantizar que los requisitos y estándares de los cursos sean similares entre las universidades. El sitio web de la ABET enumera 302 programas de ingeniería mecánica acreditados al 11 de marzo de 2014. [39] Los programas de ingeniería mecánica en Canadá están acreditados por la Junta Canadiense de Acreditación de Ingeniería (CEAB, por sus siglas en inglés), [40] 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 obtenerlo. 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 una empresa de ingeniería. [41] También existen sistemas similares 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 BE, tener un diploma en ingeniería o completar un curso en un oficio de ingeniería como ajustador del Instituto de Capacitación Industrial (ITIs) para recibir un "Certificado de Oficio ITI" y también aprobar el Examen de Oficios de toda la India (AITT) con un oficio de ingeniería realizado por el Consejo Nacional de Capacitación Vocacional (NCVT) por el cual se otorga un "Certificado Nacional de Oficios". En Nepal se utiliza un sistema similar. [42]

Algunos ingenieros mecánicos continúan sus estudios para obtener un título de posgrado, como una Maestría en Ingeniería , una Maestría en Tecnología , una Maestría en Ciencias , una Maestría en Gestión de Ingeniería (M.Eng.Mgt. o MEM), un Doctorado en Filosofía en ingeniería (Eng.D. o Ph.D.) o un título de ingeniero . Los títulos de maestría e ingeniería pueden incluir o no investigación . El Doctorado en Filosofía incluye un componente de investigación significativo y a menudo se considera el punto de entrada al mundo académico . [43] El título 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 proporcionar uniformidad en el material temático fundamental, promover la competencia entre los ingenieros graduados 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 la ABET a demostrar que sus estudiantes pueden "trabajar profesionalmente en áreas de sistemas térmicos y mecánicos". [44] Sin embargo, los cursos específicos requeridos para graduarse pueden diferir de un programa a otro. Las universidades e institutos de tecnología a menudo combinan múltiples materias en una sola clase o dividen una materia en múltiples clases, dependiendo del profesorado disponible y de las áreas principales de investigación de la universidad.

Las materias fundamentales requeridas para la ingeniería mecánica generalmente incluyen:

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 varios semestres de clases de matemáticas, incluido el cálculo, y conceptos matemáticos avanzados que incluyen ecuaciones diferenciales , ecuaciones diferenciales parciales , álgebra lineal , geometría diferencial y estadística , 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 estas materias. [47]

La mayoría de los programas de ingeniería mecánica también exigen cantidades variables de investigación o proyectos comunitarios para adquirir 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 un requisito de la universidad. La educación cooperativa es otra opción. La investigación sobre habilidades laborales futuras [48] exige componentes de estudio que alimenten la creatividad y la innovación de los estudiantes. [49]

Funciones del puesto

Los ingenieros mecánicos investigan, diseñan, desarrollan, construyen y prueban dispositivos mecánicos y térmicos, incluidas herramientas, motores y máquinas.

Los ingenieros mecánicos normalmente hacen 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 utilizando análisis y diseño asistido por computadora.
  • Desarrollar y probar prototipos de los dispositivos que diseñan.
  • Analice los resultados de las pruebas y cambie el diseño según sea necesario.
  • Supervisar el proceso de fabricación del dispositivo.
  • Dirigir un equipo de profesionales en campos especializados como dibujo y diseño mecánico, creación de prototipos, 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 que producen 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 utilizan 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 a un gobierno estatal, provincial o nacional. El objetivo de este proceso es garantizar que los ingenieros posean los conocimientos técnicos, la experiencia en el mundo real y el conocimiento del sistema legal local necesarios 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 Colegiado (en el Reino Unido, Irlanda, India y Zimbabue), Ingeniero Profesional Colegiado (en Australia y Nueva Zelanda) o Ingeniero Europeo (en gran parte de la Unión Europea).

En los EE. UU., para obtener la licencia de ingeniero profesional (PE), un ingeniero debe aprobar el examen integral de Fundamentos de ingeniería (FE), trabajar un mínimo de 4 años como pasante de ingeniería (EI) o ingeniero en formación (EIT) y aprobar los exámenes de Principios y práctica (PE) o ingeniero en ejercicio (Practicing Engineer o Professional Engineer). Los requisitos y pasos de este proceso están establecidos por el Consejo Nacional de Examinadores de Ingeniería y Topografía (NCEES), compuesto por juntas de licencias de ingeniería y topografía que representan a todos los estados y territorios de los EE. UU.

En el Reino Unido, los graduados actuales necesitan un BEng más un título de máster apropiado 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 Ingeniero Mecánico Colegiado (CEng, MIMechE) a través de la Institución de Ingenieros Mecánicos . El CEng MIMechE también se puede obtener a través de una ruta de examen administrada por el City and Guilds of London Institute . [50]

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 . "Sólo un ingeniero con licencia, por ejemplo, puede preparar, firmar, sellar y presentar planes y dibujos de ingeniería a una autoridad pública para su aprobación, o para sellar trabajos de ingeniería para clientes públicos y privados". [51] Este requisito puede incluirse en la legislación estatal y provincial, como en las provincias canadienses, por ejemplo, la Ley de Ingenieros de Ontario o Quebec. [52]

En otros países, como Australia y el Reino Unido, no existe una legislación de ese tipo; sin embargo, prácticamente todos los organismos de certificación mantienen un código de ética independiente de la legislación, que esperan que todos los miembros respeten o se arriesgan a ser expulsados. [53]

Salarios y estadísticas de la fuerza laboral

En 2015, el número total de ingenieros empleados en los EE. UU. fue de aproximadamente 1,6 millones. De ellos, 278 340 eran ingenieros mecánicos (17,28 %), la disciplina más grande por tamaño. [54] En 2012, el ingreso anual medio de los ingenieros mecánicos en la fuerza laboral de los EE. UU. fue de $80 580. El ingreso medio fue más alto cuando se trabajaba para el gobierno ($92 030) y más bajo en educación ($57 090). [55] En 2014, se proyectó que el número total de empleos de ingeniería mecánica crecería un 5 % durante la próxima década. [56] A partir de 2009, el salario inicial promedio fue de $58 800 con una licenciatura. [57]

Subdisciplinas

El campo de la ingeniería mecánica puede considerarse como una colección de muchas disciplinas científicas de ingeniería mecánica. A continuación se enumeran varias de estas subdisciplinas que se enseñan normalmente 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 adicionales. La mayor parte del trabajo que realiza un ingeniero mecánico utiliza habilidades y técnicas de varias de estas subdisciplinas, así como de subdisciplinas especializadas. Las subdisciplinas especializadas, como se utilizan en este artículo, tienen más probabilidades de ser 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

Círculo de Mohr , una herramienta común para estudiar tensiones en un elemento mecánico

La mecánica es, en el sentido más general, el estudio de las fuerzas y sus efectos sobre la materia . Normalmente, la mecánica de ingeniería se utiliza para analizar y predecir la aceleración y la deformación (tanto elástica como plástica ) de objetos sometidos a fuerzas conocidas (también llamadas cargas) o tensiones . Las subdisciplinas de la mecánica incluyen

  • Estática , el estudio de cuerpos inmóviles bajo cargas conocidas, cómo las fuerzas afectan a los cuerpos estáticos.
  • Dinámica , el estudio de cómo las fuerzas afectan a los cuerpos en movimiento. La dinámica incluye la cinemática (sobre el movimiento, la velocidad y la aceleración) y la cinética (sobre las fuerzas y las aceleraciones resultantes).
  • Mecánica de materiales , el estudio de cómo se deforman los diferentes materiales bajo diversos tipos de tensión.
  • Mecánica de fluidos , el estudio de cómo reaccionan los fluidos a las fuerzas [58]
  • Cinemática , el estudio del movimiento de cuerpos (objetos) y sistemas (grupos de objetos), ignorando las fuerzas que provocan el movimiento. La cinemática se utiliza a menudo en el diseño y análisis de mecanismos .
  • Mecánica del medio continuo , un método de aplicación de la 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 fuera el diseño de un vehículo, se podría emplear la estática para diseñar el bastidor del vehículo, con el fin de evaluar dónde serán más intensas las tensiones. La dinámica se podría utilizar al diseñar el motor del coche, para evaluar las fuerzas en los pistones y las levas a medida que el motor realiza sus ciclos. La mecánica de materiales se podría utilizar para elegir los materiales adecuados para el bastidor y el motor. La mecánica de fluidos se podría utilizar para diseñar un sistema de ventilación para el vehículo (véase HVAC ) o para diseñar el sistema de admisión del motor.

Mecatrónica y robótica

Formación FMS con robot de aprendizaje SCORBOT-ER 4u, banco de trabajo fresadora CNC y torno CNC

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 la integración de la ingeniería eléctrica y mecánica para crear sistemas de automatización híbridos. De esta manera, las máquinas se pueden automatizar mediante el uso de motores eléctricos , servomecanismos y otros sistemas eléctricos en conjunción 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 suelen utilizarse 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 normalmente 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 de manera económica 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 por sí solas . Fuera de la fábrica, los robots se han utilizado en la desactivación de bombas, la exploración espacial y muchos otros campos. Los robots también se venden para diversas aplicaciones residenciales, desde la recreación hasta las aplicaciones domésticas. [59]

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 a reparar 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 (habiéndosele aplicado una fuerza), el objeto que se analiza se rompe o se deforma plásticamente , dependiendo del criterio de falla. La falla por fatiga ocurre cuando un objeto falla después de una serie de 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 . [60]

Sin embargo, el fallo no se define simplemente como la rotura de una pieza, sino como el funcionamiento de una pieza que no funciona como está 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 emplear un análisis de fallos para determinar la causa.

Los ingenieros mecánicos suelen utilizar el análisis estructural después de que se ha producido una falla o cuando diseñan para evitar fallas. Los ingenieros suelen utilizar documentos y libros en línea, como los publicados por ASM [61], para ayudarlos a determinar el tipo de falla y las posibles causas.

Una vez que se aplica la teoría a un diseño mecánico, se suelen realizar pruebas físicas para verificar los resultados calculados. El análisis estructural se puede utilizar en una oficina al diseñar 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, incluidas 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 . [62] Por lo general, la termodinámica de ingeniería se ocupa de cambiar la energía de una forma a otra. Por ejemplo, los motores de los 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 la transferencia de calor , los termofluidos y la conversión de energía . Los ingenieros mecánicos utilizan la termociencia para diseñar motores y plantas de energía , sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), intercambiadores de calor , disipadores de calor , radiadores , refrigeración , aislamiento y otros. [63]

Diseño y redacción

Un modelo CAD de un sello doble mecánico

El dibujo técnico o delineante es el medio por el cual los ingenieros mecánicos diseñan productos y crean instrucciones para fabricar piezas. Un dibujo técnico puede ser un modelo de computadora o un esquema dibujado a mano que muestra todas las dimensiones necesarias para fabricar una pieza, así como notas de ensamblaje, una lista de materiales necesarios y otra información pertinente. [64] A un ingeniero mecánico o trabajador calificado estadounidense que crea dibujos técnicos se lo puede denominar 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 introducirse en la maquinaria necesaria, ya sea manualmente, mediante instrucciones programadas, o mediante el uso de un programa de fabricación asistida por ordenador (CAM) o una combinación de CAD/CAM. Opcionalmente, un ingeniero también puede fabricar manualmente una pieza utilizando los dibujos técnicos. Sin embargo, con la llegada de la fabricación controlada numéricamente por ordenador (CNC), las piezas ahora se pueden fabricar sin la necesidad de la intervención constante de un técnico. Las piezas fabricadas manualmente generalmente consisten en recubrimientos por pulverización , acabados de superficie y otros procesos que no se pueden realizar de forma económica o práctica con una máquina.

El dibujo técnico 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 utilizan habitualmente en el análisis de elementos finitos (FEA) y la dinámica de fluidos computacional (CFD).

Herramientas modernas

Vista oblicua de un cigüeñal de cuatro cilindros en línea con pistones.

Muchas empresas de ingeniería mecánica, especialmente las de países industrializados, han incorporado programas de ingeniería asistida por computadora (CAE) a sus procesos de diseño y análisis existentes, incluido el diseño asistido por computadora (CAD) de modelado de sólidos en 2D y 3D . Este método tiene muchas ventajas, entre ellas, una visualización más sencilla y exhaustiva de los productos, la capacidad de crear conjuntos virtuales de piezas y la facilidad de uso para diseñar interfaces de acoplamiento y tolerancias.

Otros programas CAE que utilizan habitualmente los ingenieros mecánicos son las herramientas de gestión del ciclo de vida del producto (PLM) y las herramientas de análisis que se utilizan para realizar simulaciones complejas. Las herramientas de análisis se pueden utilizar para predecir la respuesta del producto a las cargas previstas, incluida la vida útil por fatiga y la capacidad de fabricación. Estas herramientas incluyen el análisis de elementos finitos (FEA), la dinámica de fluidos computacional (CFD) y la fabricación asistida por ordenador (CAM).

Con los programas CAE, un equipo de diseño mecánico puede iterar de forma rápida y económica el proceso de diseño para desarrollar un producto que cumpla mejor con los requisitos de costo, 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 piezas 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 de diseño multidisciplinario (MDO) se utiliza con otros programas CAE para automatizar y mejorar el proceso de diseño iterativo. Las herramientas MDO se integran en 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 algoritmos de optimización sofisticados para explorar de forma más inteligente los posibles diseños, y a menudo encuentran soluciones mejores e innovadoras para problemas de diseño multidisciplinario difíciles.

Áreas de investigación

Los ingenieros mecánicos están constantemente ampliando los límites de lo físicamente posible para producir máquinas y sistemas mecánicos más seguros, más económicos y más eficientes. A continuación se enumeran algunas tecnologías de vanguardia de la ingeniería mecánica (véase también ingeniería exploratoria ).

Sistemas microelectromecánicos (MEMS)

Los componentes mecánicos a escala micrométrica, como resortes, engranajes y dispositivos de transferencia de calor y fluidos, se fabrican a partir de una variedad de materiales de sustrato, como silicio, vidrio y polímeros como el SU8 . Algunos ejemplos de componentes MEMS son los acelerómetros que se utilizan como sensores de airbag de automóviles, los teléfonos celulares modernos, los giroscopios para posicionamiento preciso y los 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 el Instituto de Soldadura (TWI). La innovadora técnica de soldadura en estado estable (sin fusión) une materiales que antes no se podían soldar, incluidas varias aleaciones de aluminio . Desempeña un papel importante en la futura construcción de aviones, reemplazando potencialmente a los remaches. Los usos actuales de esta tecnología hasta la fecha incluyen la soldadura de las costuras del tanque externo principal de aluminio del transbordador espacial, el vehículo de tripulación Orion, los vehículos de lanzamiento prescindibles Delta II y Delta IV de Boeing y el cohete Falcon 1 de SpaceX , el blindaje de los buques de asalto anfibio y la soldadura de las alas y los paneles del fuselaje del nuevo avión Eclipse 500 de Eclipse Aviation, entre un grupo de usos cada vez mayor. [65] [66] [67]

Compuestos

Tejido compuesto formado por fibra de carbono tejida

Los materiales compuestos son una combinación de materiales que proporcionan características físicas diferentes a las de cada material por separado. La investigación de materiales compuestos en ingeniería mecánica se centra normalmente en el diseño (y, posteriormente, en la búsqueda de aplicaciones) de materiales más resistentes o más rígidos, intentando al mismo tiempo reducir el peso , la susceptibilidad a la corrosión y otros factores indeseables. Los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono, por ejemplo, se han utilizado en aplicaciones tan diversas como las naves espaciales y las 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 principios mecánicos con ingeniería eléctrica. Los conceptos mecatrónicos se utilizan en la mayoría de los sistemas electromecánicos. [68] Los sensores electromecánicos típicos utilizados en mecatrónica son los extensómetros, los termopares y los transductores de presión.

Nanotecnología

En las escalas más pequeñas, la ingeniería mecánica se convierte en nanotecnología, uno de cuyos objetivos especulativos es crear un ensamblador molecular para construir moléculas y materiales mediante mecanosíntesis . Por ahora, ese objetivo permanece dentro de la ingeniería exploratoria . Las áreas de investigación actual de ingeniería mecánica en nanotecnología incluyen nanofiltros, [69] nanopelículas, [70] y nanoestructuras, [71] 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 deflexión de los 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. [72] Este campo no es nuevo, ya que la base del análisis de elementos finitos (FEA) o el método de elementos finitos (FEM) se remonta a 1941. Pero la evolución de las computadoras ha hecho que FEA/FEM sea una opción viable para el análisis de problemas estructurales. Muchas aplicaciones de software comerciales como NASTRAN , ANSYS y ABAQUS se utilizan ampliamente 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.

Se emplean otras técnicas como el método de diferencias finitas (FDM) y el método de volúmenes finitos (FVM) 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 . [73] La biomecánica también ayuda a crear miembros protésicos y órganos artificiales para humanos. La biomecánica está estrechamente relacionada con la ingeniería , porque a menudo utiliza ciencias de 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, ha obtenido financiación en el ámbito 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. [74] El objetivo es reemplazar el acero crudo con biomaterial para el diseño estructural.

Durante la última década, el método de elementos finitos (FEM) también ha entrado en el sector biomédico, destacando otros aspectos de ingeniería de la biomecánica. Desde entonces, el FEM se ha establecido como una alternativa a la evaluación quirúrgica in vivo y ha ganado una amplia aceptación en el ámbito 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. [75] Esto ha llevado al modelado de elementos finitos al 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. Se utilizan computadoras para realizar los cálculos necesarios para simular la interacción de líquidos y gases con superficies definidas por condiciones de contorno. [76] Con supercomputadoras de alta velocidad, se pueden lograr mejores soluciones. La investigación en curso produce software que mejora la precisión y la velocidad de escenarios de simulación complejos como flujos turbulentos. La validación inicial de dicho software se realiza utilizando un túnel de viento y la validación final se realiza en pruebas a gran escala, por ejemplo, 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 manera 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, unos auriculares 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. [77]

La ingeniería de fabricación , la ingeniería aeroespacial , la ingeniería automotriz y la ingeniería marina a veces se agrupan con la ingeniería mecánica. Una licenciatura en estas áreas generalmente tendrá una diferencia de algunas clases especializadas.

Véase también

Liza
Asociaciones
Wikilibros
  • Ingeniería mecánica
  • Termodinámica de ingeniería
  • Ingeniería acústica
  • Mecánica de fluidos
  • Transferencia de calor
  • Microtecnología
  • Nanotecnología
  • Pro/Engineer (ProE CAD)
  • Resistencia de materiales/Mecánica de sólidos

Referencias

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Lectura adicional

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