L'ingegneria meccanica è un ramo dell'ingegneria che applica principi di fisica, di scienza dei materiali e di altre discipline inerenti alla progettazione di componenti e sistemi meccanici. Si tratta di una delle discipline ingegneristiche più antiche e più ampie. Lo studio dell'ingegneria meccanica si è affermato in Europa a partire dalla Rivoluzione industriale del XVIII secolo, sebbene alcuni suoi aspetti fossero già noti dai tempi dell'Antica Grecia, tuttavia, il suo sviluppo può essere fatto risalire a diverse migliaia di anni fa in tutto il mondo.
Nel XIX secolo, gli sviluppi della fisica portarono allo sviluppo della scienza dell'ingegneria meccanica e il campo si è continuamente evoluto per incorporare i progressi attuali; oggi gli ingegneri meccanici stanno perseguendo sviluppi in settori quali compositi, meccatronica e nanotecnologia, sovrapponendosi anche a ingegneria aerospaziale, ingegneria metallurgica, ingegneria civile, ingegneria elettrica, ingegneria chimica, ingegneria industriale e altre discipline ingegneristiche a vari livelli: gli ingegneri meccanici possono anche lavorare nel campo dell'ingegneria biomedica, in particolare con la biomeccanica, i fenomeni di trasporto, la biomeccatronica, la bionanotecnologia e la modellizzazione dei sistemi biologici.
Storia
L'applicazione dell'ingegneria meccanica può essere vista negli archivi di varie società antiche e medievali. Le sei macchine semplici classiche erano conosciute nell'antico Vicino Oriente. Il cuneo e il piano inclinato (rampa) erano noti fin dalla preistoria. La ruota, insieme al meccanismo ruota e asse, fu inventata in Mesopotamia (moderno Iraq) durante il V millennio a.C. Il meccanismo a leva è apparso per la prima volta circa 5 000 anni fa nel Vicino Oriente, dove veniva utilizzato in una semplice bilancia e per spostare grandi oggetti nella tecnologia degli antichi egizi. La leva veniva anche utilizzata nel dispositivo shaduf di sollevamento dell'acqua, la prima macchina gru, che apparve in Mesopotamia intorno al 3 000 a.C. Le prime prove di pulegge risalgono alla Mesopotamia all'inizio del II millennio a.C.
Le prime macchine a propulsione ad acqua, la ruota idraulica e il mulino ad acqua, apparvero per la prima volta nell'Impero persiano, in quello che ora sono Iraq e Iran, all'inizio del IV secolo a.C. Nell'antica Grecia, le opere di Archimede (287–212 a.C.) influenzarono la meccanica nella tradizione occidentale. Nell'Egitto romano, Erone d'Alessandria (10–70 d.C. circa) creò il primo dispositivo a vapore (Eolipile)."Heron of Alexandria". Encyclopædia Britannica 2010 - Encyclopædia Britannica Online. Accessed: 9 May 2010. In Cina, Zhang Heng (78-139 d.C.) migliorò un orologio ad acqua e inventò un sismometro, e Ma Jun (200-265 d.C.) inventò un carro con ingranaggi differenziali. L'orologiaio e ingegnere cinese medievale Su Song (1020-1101 d.C.) incorporò un meccanismo di scappamento nella sua torre dell'orologio astronomica due secoli prima che fossero trovati dispositivi di scappamento negli orologi medievali europei. Ha anche inventato la prima trasmissione a catena infinita conosciuta per trasmissione di potenza al mondo.Needham, Joseph (1986). Science and Civilization in China: Volume 4. Taipei: Caves Books, Ltd.
Durante l'età d'oro islamica (dal VII al XV secolo), gli inventori musulmani apportarono notevoli contributi nel campo della tecnologia meccanica. Al-Jazari, che era uno di loro, scrisse il suo famoso Libro della conoscenza dei geniali dispositivi meccanici nel 1206 e presentò molti progetti meccanici. Al-Jazari è anche la prima persona conosciuta a creare dispositivi come l'albero a gomiti e l'albero a camme, che ora formano le basi di molti meccanismi.Al-Jazarí. The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices: Kitáb fí ma'rifat al-hiyal al-handasiyya. Springer, 1973. .
Nel corso del XVII secolo, in Inghilterra si verificarono importanti progressi nelle basi dell'ingegneria meccanica. Sir Isaac Newton formulò le Regole del moto di Newton e sviluppò il calcolo infinitesimale, la base matematica della fisica. Newton era riluttante a pubblicare le sue opere per anni, ma alla fine fu convinto a farlo dai suoi colleghi, come Sir Edmond Halley, a tutto vantaggio dell'umanità. Lo sviluppo del calcolo infinitesimale, durante questo periodo di tempo, è inoltre attribuito anche a Gottfried Wilhelm Leibniz.
Durante la rivoluzione industriale dell'inizio del XIX secolo, le macchine utensili furono sviluppate in Inghilterra, Germania e Scozia. Ciò ha permesso all'ingegneria meccanica di svilupparsi come un campo separato all'interno dell'ingegneria. Questi macchinari hanno portato con sé macchine per la produzione e motori per alimentarli.Engineering – Encyclopædia Britannica, accessed 6 May 2008 La prima società professionale britannica di ingegneri meccanici fu fondata nel 1847, Institution of Mechanical Engineers, trenta anni dopo che gli ingegneri civili formarono la prima società professionale di questo tipo, Institution of Civil Engineers.R.A. Buchanan. The Economic History Review, New Series, Vol. 38, No. 1 (Feb. 1985), pp. 42–60. Nel continente europeo, Johann von Zimmermann (1820-1901) fondò la prima fabbrica di rettificatrici a Chemnitz, in Germania, nel 1848.
Negli Stati Uniti, l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) è stata fondata nel 1880, diventando la terza società di ingegneria professionale, dopo l'American Society of Civil Engineers (1852) e l'American Institute of Mining Engineers (1871).ASME history , accessed 6 May 2008. Le prime scuole negli Stati Uniti a offrire una formazione ingegneristica furono l'Accademia militare degli Stati Uniti nel 1817, un'istituzione ora conosciuta come Norwich University nel 1819 e il Rensselaer Polytechnic Institute nel 1825. L'istruzione nell'ingegneria meccanica è stata storicamente basata su solide basi in matematica e scienze.The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition. 2001, engineering, accessed 6 May 2008
Sottodiscipline
Il campo dell'ingegneria meccanica può essere considerato come una raccolta di molte discipline scientifiche dell'ingegneria. Molte di queste sottodiscipline che vengono generalmente insegnate a livello universitario sono elencate di seguito, con una breve spiegazione e l'applicazione più comune di ciascuna. Alcune di queste sottodiscipline sono uniche per l'ingegneria meccanica, mentre altre sono una combinazione di ingegneria meccanica e una o più altre discipline. Gran parte del lavoro svolto da un ingegnere meccanico si avvale delle competenze e delle tecniche di molte di queste sottodiscipline, nonché di sottodiscipline specializzate. Le sottodiscipline specializzate, utilizzate in questo articolo, hanno maggiori probabilità di essere oggetto di studi universitari o formazione sul posto di lavoro rispetto alla ricerca universitaria. Diverse sottodiscipline specializzate sono discusse in questa sezione.
Il campo dell'ingegneria meccanica richiede una comprensione delle aree chiave tra cui meccanica, dinamica, termodinamica, scienza dei materiali, analisi strutturale ed elettricità. Oltre a questi principi fondamentali, gli ingegneri meccanici utilizzano strumenti come progettazione assistita da computer (CAD), produzione assistita da computer (CAM) e gestione del ciclo di vita del prodotto per progettare e analizzare impianti di produzione, attrezzature e macchinari industriali, sistemi di riscaldamento e raffreddamento, sistemi di trasporto, aeromobili, moto d'acqua, robotica, dispositivi medici, armi e altri. È il ramo dell'ingegneria che coinvolge la progettazione, la produzione e il funzionamento dei macchinari.engineering "mechanical engineering". The American Heritage Dictionary of the English Language, Fourth Edition. Retrieved: 19 September 2014."mechanical engineering". Webster dictionary. Retrieved: 19 September 2014.
Meccanica
La meccanica è, nel senso più generale, lo studio delle forze e il loro effetto sulla materia. Tipicamente, la meccanica ingegneristica viene utilizzata per analizzare e prevedere l'accelerazione e la deformazione (sia elastica sia plastica) di oggetti sottoposti a forze note (chiamate anche carichi) o sollecitazioni. Le sottodiscipline della meccanica includono:
Statica, lo studio dei corpi non mobili sotto carichi noti, come le forze influenzano i corpi statici; Dinamica lo studio di come le forze influenzano i corpi in movimento. La dinamica comprende la cinematica (movimento, velocità e accelerazione) e la cinetica (forze e accelerazioni risultanti); Meccanica dei materiali, studio di come diversi materiali si deformano sotto vari tipi di sollecitazione; Meccanica dei fluidi, lo studio di come i fluidi reagiscono alle forze;Note: fluid mechanics can be further split into fluid statics and fluid dynamics, and is itself a subdiscipline of continuum mechanics. The application of fluid mechanics in engineering is called hydraulics and pneumatics. Cinematica, lo studio del moto di corpi (oggetti) e sistemi (gruppi di oggetti), ignorando le forze che causano il movimento. La cinematica viene spesso utilizzata nella progettazione e nell'analisi dei meccanismi; Meccanica del continuo, un metodo di applicazione della meccanica che presuppone che gli oggetti siano continui (piuttosto che discreti).
Gli ingegneri meccanici generalmente usano la meccanica nelle fasi di progettazione e analisi ingegneristica. Se l'oggetto fosse la progettazione di una vettura, la statica potrebbe essere impiegata per progettare il telaio del veicolo, al fine di valutare dove le sollecitazioni saranno più intense. La dinamica potrebbe essere utilizzata durante la progettazione del motore dell'auto, per valutare le forze nei pistoni e nelle camme durante il ciclo del motore. La meccanica dei materiali potrebbe essere utilizzata per scegliere materiali appropriati per il telaio e il motore. La meccanica dei fluidi potrebbe essere utilizzata per progettare un sistema di ventilazione per il veicolo (vedere HVAC) o per progettare il sistema di aspirazione per il motore.
Meccatronica e robotica
La meccatronica è una combinazione di meccanica ed elettronica. È un ramo interdisciplinare di ingegneria meccanica, ingegneria elettrica e ingegneria del software che si occupa di integrare ingegneria elettrica e meccanica per creare sistemi ibridi. In questo modo, le macchine possono essere automatizzate attraverso l'uso di motori elettrici, servo-meccanismi e altri sistemi elettrici in combinazione con un software speciale. Un esempio comune di un sistema meccatronico è un'unità CD-ROM. I sistemi meccanici aprono e chiudono l'unità, fanno girare il CD e spostano il laser, mentre un sistema ottico legge i dati sul CD e li converte in bit. Il software integrato controlla il processo e comunica il contenuto del CD al computer.
La robotica è l'applicazione della meccatronica per creare robot, che vengono spesso utilizzati nell'industria per svolgere compiti pericolosi, spiacevoli o ripetitivi. Questi robot possono avere qualsiasi forma e dimensione, ma tutti sono preprogrammati e interagiscono fisicamente con il mondo. Per creare un robot, un ingegnere impiega in genere cinematica (per determinare la gamma di movimento del robot) e meccanica (per determinare le sollecitazioni all'interno del robot).