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Ingeniería Mecánica
Ocupación
NombresIngeniero mecánico
Sectores de actividadmecánica aplicada , dinámica , termodinámica , mecánica de fluidos , transferencia de calor , tecnología de producción, entre otros
Descripción
Competenciasconocimientos técnicos, habilidades de gestión, diseño (véase también el glosario de ingeniería mecánica )
Educación requeridaConsulte los requisitos profesionales a continuación
Campos de empleotecnología , ciencia , exploración , militar

La ingeniería mecánica 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 .

El campo de la ingeniería mecánica requiere una comprensión de áreas centrales que incluyen mecánica , dinámica , termodinámica , ciencia de 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 industrial , sistemas de calefacción y refrigeración . sistemas de transporte ,aviones , embarcaciones , robótica , dispositivos médicos , armas y otros. Es la rama de la ingeniería que involucra el diseño, producción y operación de maquinaria . [2] [3]

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 avances en la 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 persiguiendo desarrollos en áreas tales como compuestos , mecatrónica y nanotecnología . También se superpone con la ingeniería aeroespacial , ingeniería metalúrgica , ingeniería civil , ingeniería eléctrica ,la ingeniería de fabricación , ingeniería química , ingeniería industrial , y otras disciplinas de ingeniería a cantidades variables. 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.

... estructuras y vehículos de todos los tamaños.

Historia [ editar ]

Artículo principal: Historia de la ingeniería mecánica.

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) se conocían desde tiempos prehistóricos . [4] La rueda , junto con el mecanismo de la rueda y el eje , se inventó en Mesopotamia (el actual Irak) durante el quinto milenio antes de Cristo. [5] El mecanismo de palanca apareció por primera vez hace unos 5.000 años en el Cercano Oriente, donde se utilizó en una balanza simple , [6]y mover objetos grandes en la tecnología del antiguo Egipto . [7] La palanca también se usó en el dispositivo de elevación de agua a la sombra , la primera máquina grúa , que apareció en Mesopotamia alrededor del 3000 aC. [6] La evidencia más antigua de poleas se remonta a Mesopotamia a principios del segundo milenio antes de Cristo. [8]

La Sakia se desarrolló en el Reino de Kush durante el siglo IV a. C. Se basaba en la potencia animal para reducir el remolque en función de la necesidad de energía humana. [9] Se desarrollaron embalses en forma de Hafirs en Kush para almacenar agua e impulsar el riego. [10] Bloomeries y altos hornos se desarrollaron durante el siglo VII a. C. en Meroe . [11] [12] [13] [14] Los relojes de sol kushita aplicaban las matemáticas en forma de trigonometría avanzada. [15] [16]

Las primeras máquinas prácticas 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. [17] 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 a vapor ( Aeolipile ). [18] En China , Zhang Heng (78-139 d. C.) mejoró un reloj de aguae 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 del reloj astronómico dos siglos antes de que se encontraran dispositivos de escape en los relojes europeos medievales. También inventó la primera transmisión por cadena de transmisión de potencia sin fin conocida del mundo . [19]

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 , quien fue uno de ellos, escribió su famoso Libro de ingeniosos dispositivos en 1206 y presentó muchos diseños mecánicos. Al-Jazari también es la primera persona conocida en crear dispositivos como el cigüeñal y el árbol de levas , que ahora forman los elementos básicos de muchos mecanismos. [20]

Durante el siglo XVII, se produjeron importantes avances en los cimientos de la ingeniería mecánica en Inglaterra . Sir Isaac Newton formuló las leyes del movimiento de Newton y desarrolló el cálculo , la base matemática de la física. Newton se mostró reacio a publicar sus obras durante años, pero finalmente sus colegas, como Sir Edmond Halley , lo persuadieron de hacerlo , en beneficio de toda la humanidad. A Gottfried Wilhelm Leibniz también se le atribuye la creación de Cálculo durante este período de tiempo. [21]

Durante la revolución industrial de principios del siglo XIX, las máquinas herramienta se desarrollaron 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. [22] 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 . [23] En el continente europeo , Johann von Zimmermann (1820-1901) fundó la primera fábrica de rectificadoras enChemnitz , 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). [24] 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 base sólida en matemáticas y ciencias. [25]

Educación [ editar ]

El tornillo de Arquímedes se operaba a mano y podía elevar el agua de manera eficiente, como lo demuestra la bola roja animada.

Los títulos en ingeniería mecánica se ofrecen en varias universidades de todo el mundo. Los programas de ingeniería mecánica generalmente toman de cuatro a cinco años de estudio según el lugar y la universidad y dan como resultado una licenciatura en ingeniería (B.Eng. O BE), una licenciatura en ciencias (B.Sc. o BS), una licenciatura en ingeniería científica ( B.Sc.Eng.), Licenciatura en Tecnología (B.Tech.), Licenciatura en Ingeniería Mecánica (BME) o Licenciatura en Ciencias Aplicadas(BASc.), En o con énfasis en ingeniería mecánica. En España, Portugal y la mayor parte de Sudamérica, donde ni BS 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 formación. En Italia, el trabajo del curso se basa en cinco años de educación y capacitación, pero para calificar como ingeniero, uno 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 y el requisito de una Tesis de 'Diploma', que una vez completada se otorga un 'Diploma' en lugar de un B.Sc. [26]

En los Estados Unidos, la mayoría de los programas de pregrado en ingeniería mecánica 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 al 11 de marzo de 2014. [27] Los programas de ingeniería mecánica en Canadá están acreditados por la Junta Canadiense de Acreditación de Ingeniería (CEAB), [28] 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 creciente 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 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. [29] 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 BE, 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 de comercio ITI" y también pasar la Prueba de comercio de toda la India (AITT) con un oficio de ingeniería realizado por el Consejo Nacional de Formación Profesional (NCVT) mediante el cual se le otorga un "Certificado de Comercio Nacional". En Nepal se utiliza un sistema similar. [30]

Algunos ingenieros mecánicos continúan para obtener un título de posgrado, como una Maestría en Ingeniería , Maestría en Tecnología , Maestría en Ciencias , Maestría en Gestión de Ingeniería (M.Eng.Mgt. O MEM), un Doctorado en Filosofía en Ingeniería (Ing. 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 a la academia . [31] El título de ingeniero existe en unas pocas instituciones en un nivel intermedio entre la maestría y el doctorado.

Trabajo de curso [ editar ]

Los estándares establecidos por la sociedad de acreditación de cada país están destinados a 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 Estados Unidos, por ejemplo, son requeridos por ABET para demostrar que sus estudiantes pueden "trabajar profesionalmente en áreas de sistemas térmicos y mecánicos". [32] 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 varias materias en una sola clase o dividirán una materia en varias clases, según el cuerpo docente disponible y las principales áreas de investigación de la universidad.

Las materias fundamentales de la ingeniería mecánica suelen incluir:

  • Matemáticas (en particular, cálculo , ecuaciones diferenciales y álgebra lineal )
  • Ciencias físicas básicas (incluidas 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 )
  • Diseño de mecanismos y máquinas (incluidas cinemática y dinámica )
  • Instrumentación y medida
  • Ingeniería , tecnología o procesos de fabricación
  • 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) [33] [34]

También se espera que los ingenieros mecánicos comprendan y sean capaces de 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 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, tales como sistemas de control , robótica , transporte y logística , criogenia , tecnología de combustibles , ingeniería automotriz , biomecánica , vibración , óptica y otros, si es por separado. departamento no existe para estos temas. [35]

La mayoría de los programas de ingeniería mecánica también requieren diferentes cantidades 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 generalmente no es un mandato de la universidad. La educación cooperativa es otra opción. La investigación sobre habilidades laborales futuras [36] exige componentes de estudio que alimentan la creatividad y la innovación de los estudiantes. [37]

Deberes laborales [ editar ]

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:

  • Analice los problemas para ver cómo los dispositivos mecánicos y térmicos pueden ayudar a resolver el problema.
  • Diseñe o rediseñe dispositivos mecánicos y térmicos mediante análisis y 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.
  • Supervisar el proceso de fabricación del dispositivo.
  • Dirigir un equipo de profesionales en campos especializados como dibujo y diseño mecánico, prototipos, impresión 3D y / y especialistas en Máquinas CNC.

Los ingenieros mecánicos diseñan y supervisan la fabricación de muchos productos que van desde dispositivos médicos hasta baterías nuevas. También diseñan máquinas generadoras 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 [ editar ]

Los ingenieros pueden solicitar la licencia de un gobierno estatal, provincial o nacional. El propósito de este proceso es asegurar que los ingenieros posean el conocimiento técnico necesario, 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 (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 ingeniero europeo (gran parte de la Unión Europea).

En los EE. UU., Para convertirse en un ingeniero profesional con licencia (PE), un ingeniero debe aprobar el examen completo de FE (Fundamentos de ingeniería), trabajar un mínimo de 4 años como pasante de ingeniería (EI) o ingeniero en formación (EIT) y aprobar los exámenes de "Principios y práctica" o PE (Ingeniero en ejercicio o Ingeniero profesional). Los requisitos y pasos de este proceso son 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 requieren un BEng más una maestría apropiada 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 . CEng MIMechE también se puede obtener a través de una ruta de examen administrada por el City and Guilds of London Institute . [38]

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 planos y dibujos de ingeniería a una autoridad pública para su aprobación, o para sellar trabajos de ingeniería para clientes públicos y privados". [39] 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. [40]

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 corran el riesgo de ser expulsados. [41]

Más información: FE examen , Ingeniero Profesional , Ingeniero Incorporated , Acuerdo de Washington , y el Reglamento y otorgamiento de licencias en ingeniería

Estadísticas de sueldos y fuerza laboral [ editar ]

El número total de ingenieros empleados en los EE. UU. En 2015 fue de aproximadamente 1,6 millones. De ellos, 278.340 eran ingenieros mecánicos (17,28%), la disciplina más importante por tamaño. [42] En 2012, el ingreso medio anual de los ingenieros mecánicos en la fuerza laboral de 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). [43] En 2014, se proyectaba que el número total de trabajos de ingeniería mecánica aumentaría un 5% durante la próxima década. [44] A partir de 2009, el salario inicial promedio fue de $ 58.800 con una licenciatura. [45]

Subdisciplinas [ editar ]

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 distintas. La mayoría del trabajo que realiza un ingeniero mecánico utiliza habilidades y técnicas de varias de estas subdisciplinas, así como también subdisciplinas especializadas. Las subdisciplinas especializadas, 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. En esta sección se analizan varias subdisciplinas especializadas.

Mecánica [ editar ]

Círculo de Mohr , una herramienta común para estudiar tensiones en un elemento mecánico
Artículo principal: Mecánica

La mecánica es, en el sentido más general, el estudio de las fuerzas y su efecto sobre la materia . Normalmente, la mecánica de ingeniería se utiliza para analizar y predecir la aceleración y deformación (tanto elásticas como plásticas ) de objetos bajo fuerzas conocidas (también llamadas cargas) o tensiones . Las subdisciplinas de 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 cinemática (sobre movimiento, velocidad y aceleración) y cinética (sobre fuerzas y 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 reaccionan los fluidos a las fuerzas [46]
  • 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 continua , un método de aplicación de la mecánica que asume 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 podrían emplear estática para diseñar el bastidor del vehículo, con el fin de evaluar dónde serán más intensas las tensiones. La dinámica podría usarse al diseñar el motor del automóvil, para evaluar las fuerzas en los pistones y levas a medida que el motor gira. Se puede utilizar la mecánica de los materiales para elegir los materiales adecuados para el bastidor y el motor. La mecánica de fluidos se puede utilizar para diseñar un sistema de ventilación para el vehículo (consulte HVAC ) o para diseñar el sistema de admisión del motor.

Mecatrónica y robótica [ editar ]

Entrenamiento FMS con robot de aprendizaje SCORBOT-ER 4u , banco de trabajo CNC Mill y CNC Torno
Artículos principales: 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 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 normalmente emplea cinemática (para determinar el rango de movimiento del robot) y mecánica (para determinar las tensiones dentro del robot).

Los robots se utilizan 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 garantizar una mejor calidad. Muchas empresas emplean líneas de montaje de robots, especialmente en la industria automotriz y algunas fábricas están tan robotizadas que pueden funcionar por sí mismas . Fuera de la fábrica, se han empleado robots 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 [ editar ]

Artículos principales: Análisis estructural y análisis de fallas.

El análisis estructural es la rama de la ingeniería mecánica (y también 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 (al que se le aplica una fuerza), el objeto analizado se rompe o se deforma plásticamente , según el criterio de falla. Falla por fatigaocurre 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 . [47]

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 diseñados para romperse. Si estos sistemas no se rompen, se puede emplear un análisis de fallas para determinar la causa.

Los ingenieros mecánicos suelen utilizar el análisis estructural después de que ha ocurrido una falla, o cuando se diseña para evitar fallas. Los ingenieros suelen utilizar documentos y libros en línea, como los publicados por ASM [48], para ayudarlos a determinar el tipo de falla y las posibles causas.

Una vez que la teoría se aplica a un diseño mecánico, a menudo se realizan 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 falla controladas.

Termodinámica y termociencia [ editar ]

Artículo principal: Termodinámica

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 . [49] Normalmente, 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 la transferencia de calor , los termofluidos y la conversión de energía . Los ingenieros mecánicos utilizan termo-ciencia para diseño motores y centrales eléctricas , calefacción, ventilación y sistemas de aire acondicionado (HVAC), intercambiadores de calor , disipadores de calor , radiadores , la refrigeración , el aislamiento , y otros. [50]

Diseño y redacción [ editar ]

Un modelo CAD de un sello mecánico doble
Artículos principales: Dibujo técnico y CNC

La redacción 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 materiales requeridos y otra información pertinente. [51] Un ingeniero mecánico o un trabajador calificado de los EE. UU. Que crea dibujos técnicos puede denominarse redactor o dibujante. El dibujo 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 la fabricación de una pieza deben ser alimentadas a la maquinaria necesaria, ya sea manualmente, mediante instrucciones programadas, o mediante el uso de un programa de fabricación asistida por computadora (CAM) o un programa CAD / CAM combinado. Opcionalmente, un ingeniero también puede fabricar manualmente una pieza utilizando los dibujos técnicos. Sin embargo, con el advenimiento de la fabricación de control numérico por computadora (CNC), las piezas ahora se pueden fabricar sin la necesidad de la participación constante del técnico. Las piezas fabricadas manualmente generalmente consisten en recubrimientos por pulverización , acabados de superficies y otros procesos que una máquina no puede realizar de manera económica o práctica.

La redacción 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 comúnmente en el análisis de elementos finitos (FEA) y la dinámica de fluidos computacional (CFD).

Herramientas modernas [ editar ]

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

Muchas empresas de ingeniería mecánica, especialmente las de 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 de sólidos en 2D y 3D . Este método tiene muchos beneficios, incluida una visualización más fácil 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 comúnmente utilizados por ingenieros mecánicos incluyen herramientas de gestión del ciclo de vida del producto (PLM) y herramientas de análisis que se utilizan para realizar simulaciones complejas. Se pueden utilizar herramientas de análisis para predecir la respuesta del producto a las cargas esperadas, incluida la vida útil por 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 rápida y económicamente el proceso de diseño para desarrollar un producto que cumpla mejor con 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 las 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 está utilizando con otros programas CAE para automatizar y mejorar el proceso de diseño iterativo. Las herramientas 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 manera más inteligente los posibles diseños, encontrando a menudo soluciones mejores e innovadoras para difíciles problemas de diseño multidisciplinarios.

Áreas de investigación [ editar ]

Los ingenieros mecánicos están constantemente ampliando los límites de lo que es físicamente posible para producir máquinas y sistemas mecánicos más seguros, más baratos y más eficientes. Algunas tecnologías a la vanguardia de la ingeniería mecánica se enumeran a continuación (ver también ingeniería exploratoria ).

Sistemas microelectromecánicos (MEMS) [ editar ]

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 utilizan como sensores de bolsas de aire de automóviles, teléfonos móviles modernos, giroscopios para posicionamiento preciso y dispositivos de microfluidos utilizados en aplicaciones biomédicas.

Soldadura por fricción y agitación (FSW) [ editar ]

Artículo principal: soldadura por fricción y agitación

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 soldaban, incluidas varias aleaciones de aluminio . Desempeña un papel importante en la futura construcción de aviones, reemplazando potencialmente los remaches. Los usos actuales de esta tecnología hasta la fecha incluyen la soldadura de las uniones del tanque externo principal de aluminio del Transbordador Espacial, el vehículo Orion Crew, los vehículos de lanzamiento consumibles Boeing Delta II y Delta IV y el SpaceX.Cohete Falcon 1, blindaje para buques de asalto anfibios y 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. [52] [53] [54]

Compuestos [ editar ]

Tela compuesta de fibra de carbono tejida
Artículo principal: material compuesto

Los materiales compuestos o compuestos son una combinación de materiales que proporcionan características físicas diferentes a cada 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 [ editar ]

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. [55] Los sensores electromecánicos típicos utilizados en mecatrónica son galgas extensométricas, termopares y transductores de presión.

Nanotecnología [ editar ]

Artículo principal: 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 a través de la mecanosíntesis . Por ahora, ese objetivo permanece dentro de la ingeniería exploratoria . Las áreas de investigación de la ingeniería mecánica actual en nanotecnología incluyen nanofiltros, [56] nanofilms, [57] y nanoestructuras, [58] entre otros.

Ver también: Picotecnología

Análisis de elementos finitos [ editar ]

Artículo principal: 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 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. [59] 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 de FEA / FEM una opción viable para el análisis de problemas estructurales. Muchos códigos comerciales como NASTRAN , ANSYS y ABAQUS se utilizan ampliamente en la industria para la investigación y el diseño de componentes. Algunos paquetes de software CAD y de modelado 3D han agregado módulos FEA. En los últimos tiempos, las plataformas de simulación en la nube comoSimScale se está volviendo más común.

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 la superficie del fluido, etc.

Biomecánica [ editar ]

Artículo principal: Biomecánica

La biomecánica es la aplicación de principios mecánicos a sistemas biológicos, como humanos , animales , plantas , órganos y células . [60] 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, 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. [61] 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, FEM se ha establecido como una alternativa a la evaluación quirúrgica in vivo y ganó 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. [62] Esto ha llevado al modelado de EF 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 [ editar ]

Artículo principal: 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. [63] 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 los flujos turbulentos. La validación inicial de dicho software se realiza mediante un túnel de viento y la validación final se realiza en pruebas a gran escala, por ejemplo, pruebas de vuelo.

Ingeniería acústica [ editar ]

Artículo principal: 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 eficazmente para reducir la contaminación acústica en dispositivos mecánicos y en edificios insonorizando o eliminando fuentes de ruido no deseado. El estudio de la acústica puede abarcar desde diseñar un audífono, micrófono, auriculares o estudio de grabación más eficientes hasta mejorar la calidad del sonido de una sala de orquesta. La ingeniería acústica también se ocupa de la vibración de diferentes sistemas mecánicos. [64]

Campos relacionados [ editar ]

La ingeniería de fabricación , la ingeniería aeroespacial y la ingeniería automotriz se agrupan en ocasiones con la ingeniería mecánica. Una licenciatura en estas áreas generalmente tendrá una diferencia de unas pocas clases especializadas.

Ver también [ editar ]

Liza
  • Glosario de ingeniería mecánica
  • Lista de hitos históricos de ingeniería mecánica
  • Lista de inventores
  • Lista de temas de ingeniería mecánica
  • Lista de ingenieros mecánicos
  • Lista de revistas relacionadas
  • Lista de empresas fabricantes de equipos mecánicos, eléctricos y electrónicos por ingresos
Asociaciones
  • Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE)
  • Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME)
  • Pi Tau Sigma (Sociedad de honor de Ingeniería Mecánica)
  • Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE)
  • Sociedad de Mujeres Ingenieras (SWE)
  • Institución de ingenieros mecánicos (IMechE) (británico)
  • Institución colegiada de ingenieros de servicios de construcción (CIBSE) (británico)
  • Verein Deutscher Ingenieure (VDI) (Alemania)
Wikilibros
  • Ingeniería Mecánica
  • Termodinámica de ingeniería
  • Acústica de ingeniería
  • Mecánica de fluidos
  • Transferencia de calor
  • Microtecnología
  • Nanotecnología
  • Pro / Ingeniero (ProE CAD)
  • Resistencia de materiales / Mecánica sólida

Referencias [ editar ]

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Lectura adicional [ editar ]

Recursos de la biblioteca sobre
ingeniería mecánica
  • Recursos en su biblioteca
  • Recursos en otras bibliotecas
  • Burstall, Aubrey F. (1965). Una historia de la ingeniería mecánica . La prensa del MIT. ISBN 978-0-262-52001-0.
  • Manual estándar de Marks para ingenieros mecánicos (11 ed.). McGraw-Hill. 2007. ISBN 978-0-07-142867-5.
  • Oberg, Erik; Franklin D. Jones; Holbrook L. Horton; Henry H. Ryffel; Christopher McCauley (2016). Manual de maquinaria (30ª ed.). Nueva York: Industrial Press Inc. ISBN 978-0-8311-3091-6.

Enlaces externos [ editar ]

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