La ingeniería mecánica es una disciplina centrada en el concepto de utilizar multiplicadores de fuerza , componentes móviles y máquinas . Utiliza conocimientos de matemáticas , física , ciencias de materiales y tecnologías de ingeniería. Es una de las disciplinas de ingeniería más antiguas y amplias .
La ingeniería surgió en las primeras civilizaciones como una disciplina general para la creación de estructuras a gran escala, como irrigación, arquitectura y proyectos militares. Los avances en la producción de alimentos mediante el riego permitieron que una parte de la población se convirtiera en especialistas en la Antigua Babilonia . [1]
Las seis máquinas simples clásicas eran conocidas en el antiguo Cercano Oriente . La cuña y el plano inclinado (rampa) eran conocidos desde tiempos prehistóricos . [2] Varias fuentes, principalmente antiguas, atribuyen a la civilización mesopotámica la invención de la rueda. [3] [4] [5] 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 del Este prehistóricos la invención de la rueda [6] [7] [8] [9] El mecanismo de palanca apareció por primera vez hace unos 5.000 años en el Cercano Oriente , donde se utilizaba en una balanza simple , [10] y para mover objetos grandes en la tecnología del antiguo Egipto . [11] La palanca también se utilizó en el dispositivo de elevación de agua shadoof , la primera máquina grúa , que apareció en Mesopotamia alrededor del año 3000 a.C., [10] y luego en la tecnología del antiguo Egipto alrededor del año 2000 a.C. [12] La evidencia más antigua de poleas se remonta a Mesopotamia a principios del segundo milenio a. C., [13] y al antiguo Egipto durante la Duodécima Dinastía (1991-1802 a. C.). [14] El tornillo , la última de las máquinas simples en inventarse, [15] apareció por primera vez en Mesopotamia durante el período neoasirio (911-609) a.C. [13] Las pirámides de Egipto se construyeron utilizando tres de las seis máquinas simples, el plano inclinado, la cuña y la palanca, para crear estructuras como la Gran Pirámide de Giza . [dieciséis]
Los asirios se destacaron por el uso de la metalurgia y la incorporación de armas de hierro. Muchos de sus avances se produjeron en equipamiento militar. No fueron los primeros en desarrollarlos, pero sí lograron avances en la rueda y el carro. Utilizaron ejes pivotantes en sus vagones, lo que permitía girar fácilmente. También fueron uno de los primeros ejércitos en utilizar la torre de asedio móvil y el ariete. [1]
Las aplicaciones de la ingeniería mecánica se pueden ver en los archivos de varias sociedades antiguas. La polea apareció en Mesopotamia en el año 1.500 a.C., mejorando el transporte acuático. El arqueólogo alemán Robert Koldewey descubrió que los Jardines Colgantes probablemente utilizaban una bomba mecánica impulsada por estas poleas para transportar agua a los jardines de la azotea. [17] Los mesopotámicos avanzarían aún más al reemplazar "la sustitución del movimiento continuo por el intermitente y el giratorio por el movimiento de ida y vuelta" hacia el 1200 a.C. [1]
La Sakia se desarrolló en el reino de Kush durante el siglo IV a.C. Levantó agua de 3 a 8 metros con menos gasto de mano de obra y tiempo. [18] En Kush se desarrollaron embalses en forma de Hafirs para almacenar agua e impulsar el riego. [19] Los Bloomeries y los altos hornos se desarrollaron durante el siglo VII a. C. en Meroe . [20] [21] [22] [23] Los relojes de sol kushitas aplicaron las matemáticas en forma de trigonometría avanzada. [24] [25]
En el Antiguo Egipto , la bomba de tornillo es otro ejemplo del uso de la ingeniería para aumentar la eficiencia del transporte de agua. Aunque los primeros egipcios construyeron estructuras colosales como las pirámides, no desarrollaron poleas para levantar piedras pesadas y utilizaron muy poco la rueda. [1]
Las primeras máquinas prácticas impulsadas por agua , la rueda hidráulica y el molino de agua , aparecieron por primera vez en el Imperio Persa , en lo que hoy son Irak e Irán, a principios del siglo IV a.C. [26]
En la antigua Grecia , Arquímedes (287-212 a. C.) desarrolló varias teorías clave en el campo de la ingeniería mecánica, incluida la ventaja mecánica , la ley de la palanca , y su nombre, la ley de Arquímedes . En el Egipto ptolemático, el Museo de Alejandría desarrolló poleas de grúa con bloque y aparejos para levantar piedras. Estas grúas funcionaban con ruedas de rodadura humana y se basaban en sistemas de poleas de agua mesopotámicos anteriores. [1] Los griegos desarrollarían más tarde la artillería mecánica independientemente de los chinos. El primero de ellos dispararía dardos, pero los avances permitieron arrojar piedras a las fortificaciones o formaciones enemigas. [1]
El mecanismo de engranajes de Antikythera es un ejemplo de ingeniería mecánica antigua.
En el Egipto romano , Herón de Alejandría (c. 10-70 d.C.) creó el primer dispositivo impulsado por vapor , el Aeolipile . [27] El primero de su tipo, no tenía la capacidad de mover o impulsar nada más que su propia rotación.
En China , Zhang Heng (78-139 d.C.) mejoró un reloj de agua e inventó un sismómetro . Ma Jun (200-265 d.C.) inventó un carro con engranajes diferenciales .
Se sabe que León el Filósofo trabajó en un sistema de señales utilizando relojes en el Imperio Bizantino en 850, conectando Constantinopla con la Frontera de Cicilia y fue una continuación de los complejos relojes de las ciudades del este de Roma. Estas grandes máquinas se difundieron por el Imperio árabe bajo el mando de Harun al-Rashid . [28]
Otro gran dispositivo mecánico fue el órgano , que se reintrodujo en 757 cuando Constantino V le regaló uno a Pipino el Breve . [28]
Con la excepción de unas pocas máquinas, la ingeniería y la ciencia se estancaron en Occidente debido al colapso del Imperio Romano durante la antigüedad tardía.
Durante la Edad de Oro islámica (siglos VII al XV), los inventores musulmanes hicieron notables contribuciones en el campo de la tecnología mecánica. Al-Jazari , que fue uno de ellos, escribió su famoso Libro del conocimiento de ingeniosos dispositivos mecánicos en 1206 y presentó muchos diseños mecánicos.
Las primeras máquinas prácticas impulsadas por el viento , el molino de viento y la bomba de viento , aparecieron por primera vez en el mundo musulmán durante la Edad de Oro islámica , en lo que hoy son Irán, Afganistán y Pakistán, en el siglo IX d.C. [29] [30] [31] [32] La primera máquina práctica impulsada por vapor fue un gato de vapor impulsado por una turbina de vapor , descrito en 1551 por Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf en el Egipto otomano . [33] [34]
La desmotadora de algodón se inventó en la India en el siglo VI d. C., [35] y la rueca se inventó en el mundo islámico a principios del siglo XI, [36] los cuales fueron fundamentales para el crecimiento de la industria del algodón . La rueca también fue precursora de la hiladora jenny , que fue un desarrollo clave durante la Revolución Industrial temprana en el siglo XVIII. [37]
Las desmotadoras de doble rodillo aparecieron en India y China entre los siglos XII y XIV. Este dispositivo mecánico, en algunas zonas, funcionaba con energía hidráulica. [38] La desmotadora de rodillos de engranaje helicoidal apareció en el subcontinente indio durante la era temprana del Sultanato de Delhi de los siglos XIII al XIV. Fue ampliamente utilizado durante el Imperio Mughal alrededor del siglo XVI. [39]
Las primeras máquinas programables se desarrollaron en el mundo musulmán. Un secuenciador de música , un instrumento musical programable , fue el primer tipo de máquina programable. El primer secuenciador musical fue un flautista automatizado inventado por los hermanos Banu Musa , descrito en su Libro de los ingeniosos dispositivos , en el siglo IX. [40] [41] En 1206, Al-Jazari inventó autómatas / robots programables . Describió a cuatro músicos autómatas , incluidos bateristas operados por una caja de ritmos programable , donde se les podía hacer tocar diferentes ritmos y diferentes patrones de batería. [42] El reloj del castillo , un reloj astronómico mecánico de propulsión hidroeléctrica inventado por Al-Jazari, fue la primera computadora analógica programable . [43] [44] [45]
El relojero e ingeniero medieval chino Su Song (1020-1101 d. C.) incorporó un mecanismo de escape en la torre de su reloj astronómico dos siglos antes de que se encontraran dispositivos de escape en los relojes europeos medievales y también inventó la primera cadena de transmisión de energía sin fin conocida del mundo . [46]
La Edad Media vio la adopción generalizada de máquinas para ayudar en el trabajo. Los numerosos ríos de Inglaterra y el norte de Europa permitieron utilizar el poder del agua en movimiento. El molino de agua jugó un papel decisivo en la producción de muchos bienes, como alimentos, telas, cueros y papeles. Estas máquinas utilizadas fueron algunas de las primeras en utilizar engranajes y ruedas dentadas, lo que aumentó considerablemente la productividad de los molinos. El árbol de levas permitía convertir la fuerza de rotación en fuerza direccional. De manera menos significativa, también se aprovecharon las mareas de masas de agua. [47]
Posteriormente, la energía eólica se convirtió en la nueva fuente de energía en Europa, complementando al molino de agua. Este avance salió de Europa hacia el Medio Oriente durante las Cruzadas. [47]
La metalurgia avanzó en gran medida durante la Edad Media, y el hierro de mayor calidad permitió construcciones y diseños más resistentes. Los molinos y la energía mecánica proporcionaban un suministro constante de golpes de martillo y aire de los fuelles. [47]
Leonardo da Vinci fue un ingeniero notable que diseñó y estudió muchos sistemas mecánicos centrados en el transporte y la guerra [48] Sus diseños se compararían más tarde con los primeros diseños de aviones. [49] [50]
Aunque la energía eólica proporcionó una fuente de energía lejos de las fincas ribereñas y experimentó enormes mejoras en su aprovechamiento, no pudo reemplazar la potencia constante y fuerte del molino de agua. El agua seguiría siendo la principal fuente de energía de la industria urbana preindustrial durante el Renacimiento.
En el siglo XVII, durante la Revolución Científica , 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 en casi 300 años, y publicó un trabajo dedicado a los diseños de relojes y la teoría detrás de ellos. [51] [52] Isaac Newton formuló las leyes del movimiento de Newton y desarrolló el cálculo , que se convertiría en la base matemática de la física. Newton se mostró reacio a publicar sus obras durante años, pero finalmente sus colegas, como Edmond Halley, lo persuadieron para que lo hiciera . A Gottfried Wilhelm Leibniz también se le atribuye el desarrollo del cálculo independientemente de Newton durante este período.
Al final del Renacimiento, los científicos e ingenieros comenzaron a experimentar con la energía del vapor. La mayoría de los primeros aparatos enfrentaban problemas de baja potencia, ineficiencia o peligro. La necesidad de una fuente de energía eficaz y económica surgió debido a la inundación de minas profundas en Inglaterra , que no podían extraerse con métodos alternativos. El primer diseño funcional fue la patente de 1698 de Thomas Savery . Trabajó continuamente para mejorar y comercializar el invento en toda Inglaterra. Al mismo tiempo, otros estaban trabajando en mejoras al diseño de Savery, que no transfería el calor de manera efectiva. [53]
Thomas Newcomen tomaría todos los avances de los ingenieros y desarrollaría el motor atmosférico Newcomen . Este nuevo diseño reduciría en gran medida la pérdida de calor, movería el agua directamente desde el motor y permitiría incorporar una variedad de proporciones. [53]
La Revolución Industrial trajo fábricas impulsadas por vapor que utilizaban conceptos de ingeniería mecánica. Estos avances permitieron un aumento increíble en la escala de producción, los números y la eficiencia.
Durante el siglo XIX, los avances en las ciencias de los materiales comenzaron a permitir la implementación de máquinas de vapor en locomotoras de vapor y barcos propulsados por vapor , aumentando rápidamente la velocidad a la que las personas y las mercancías podían moverse por el mundo. El motivo de estos avances fue que 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. [54]
Hacia el final de la Revolución Industrial, la tecnología de los motores de combustión interna trajo consigo el avión de pistón y el automóvil . La ingeniería aeroespacial se desarrollaría a principios del siglo XX como una rama de la ingeniería mecánica y eventualmente incorporaría los cohetes.
El carbón fue sustituido por derivados del petróleo en muchas aplicaciones.
Con la llegada de las computadoras en el siglo XX, los ingenieros dispusieron de métodos de diseño y fabricación más precisos. El auge del software CAD ha reducido los tiempos de diseño y ha permitido una fabricación de precisión. Los ingenieros pueden simular las fuerzas y tensiones de los diseños a través de programas informáticos. La fabricación automatizada e informatizada permitió que surgieran muchos campos nuevos de la Ingeniería Mecánica, como la Ingeniería Industrial . Aunque la mayoría de los automóviles siguen funcionando con gasolina, los vehículos eléctricos se han convertido en una alternativa viable. [55]
Debido a la mayor complejidad de los proyectos de ingeniería, muchas disciplinas de ingeniería colaboran y se especializan en subcampos . [56] Una de estas colaboraciones es el campo de la robótica , en el que ingenieros eléctricos , ingenieros informáticos e ingenieros mecánicos pueden especializarse y trabajar juntos. La ingeniería mecánica es el más popular de todos los campos de ingeniería para las carreras universitarias en el siglo XXI.
La primera sociedad profesional británica de ingenieros mecánicos se formó en 1847 (Institución de Ingenieros Mecánicos) , treinta años después de que los ingenieros civiles formaran la primera sociedad profesional de este tipo ( Institución de Ingenieros Civiles) . [57]
En los Estados Unidos, la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) se formó en 1880, convirtiéndose en la tercera sociedad profesional de ingeniería, después de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (1852) y el Instituto Estadounidense de Ingenieros de Minas (1871). [58]
Las primeras escuelas en los Estados Unidos que ofrecieron educación en ingeniería mecánica 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. Históricamente, la educación en ingeniería mecánica se ha basado en una fuerte fundamentos en matemáticas y ciencias. [59]
En el siglo XX, muchos gobiernos comenzaron a regular tanto el título de ingeniero como la práctica de la ingeniería , exigiendo un título de una universidad acreditada y aprobar una prueba de calificación.
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )La spinning jenny fue básicamente una adaptación de su precursora la rueca.
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