La ingeniería mecánica es el estudio de máquinas físicas que pueden implicar fuerza y movimiento. Es una rama de la ingeniería que combina principios de ingeniería física y matemáticas con la ciencia de 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 centrales que incluyen mecánica , dinámica , termodinámica , ciencia de materiales , diseño , 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 industriales , sistemas de calefacción y refrigeración . sistemas de transporte , 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 de la física condujeron al desarrollo de la ciencia de la ingeniería mecánica. El campo ha evolucionado continuamente para incorporar avances; Hoy en día, los ingenieros mecánicos persiguen avances 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 la ingeniería en cantidades variables. Los ingenieros mecánicos también pueden trabajar en el campo de la ingeniería biomédica , específicamente en biomecánica , fenómenos de transporte , biomecatrónica , bionanotecnología y modelado de sistemas biológicos.
Las aplicaciones de la ingeniería mecánica se pueden 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) eran conocidos desde tiempos prehistóricos . [4] La rueda , junto con el mecanismo de rueda y eje , fue inventada 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 usaba en una balanza simple , [6] y para mover objetos grandes en la tecnología del antiguo Egipto . [7] 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. [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 basó en la fuerza animal, reduciendo el remolque según el requerimiento de energía humana. [9] En Kush se desarrollaron embalses en forma de Hafirs para almacenar agua e impulsar el riego. [10] Los Bloomeries y los altos hornos se desarrollaron durante el siglo VII a. C. en Meroe . [11] [12] [13] [14] Los relojes de sol kushitas aplicaron las matemáticas en forma de trigonometría avanzada. [15] [16]
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. [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 , Herón de Alejandría (c. 10-70 d.C.) creó el primer dispositivo impulsado por vapor ( Aeolipile ). [18] 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 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. También inventó la primera transmisión por cadena de transmisión de potencia sin fin conocida en el 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 , 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 en casi 300 años, y publicó un trabajo dedicado a los diseños de relojes y la teoría detrás de ellos. [20] [21] 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 persuadieron para que lo hiciera . A Gottfried Wilhelm Leibniz , quien anteriormente diseñó una calculadora mecánica , también se le atribuye el desarrollo del cálculo durante el mismo período de tiempo. [22]
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. [23] 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 . [24] En el continente europeo , Johann von Zimmermann (1820-1901) fundó la primera fábrica de máquinas 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 profesional de ingeniería de este tipo, después de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (1852) y el Instituto Estadounidense de Ingenieros de Minas (1871). [25] Las primeras escuelas en los Estados Unidos que ofrecieron 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. Históricamente, la educación en ingeniería mecánica se ha basado en una base sólida en matemáticas y ciencias. [26]
Los títulos en ingeniería mecánica se ofrecen en varias universidades de todo el mundo. Los programas de ingeniería mecánica suelen tomar 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 ( 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 formación, pero para calificar como ingeniero hay que aprobar un examen estatal al final del curso. En Grecia, los cursos se basan en un plan de estudios de cinco años. [27]
En los Estados Unidos, la mayoría de los programas universitarios de 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. [28] Los programas de ingeniería mecánica en Canadá están acreditados por la Junta Canadiense de Acreditación de Ingeniería (CEAB), [29] 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 nomenclatura similar, aunque hay un número cada vez mayor de especializaciones. Para lograr el título se necesitan cuatro años de estudio a tiempo completo. Para garantizar la calidad de los títulos de ingeniería, Engineers Australia acredita títulos de ingeniería otorgados por universidades australianas de acuerdo con el Acuerdo global de Washington . Antes de que se pueda otorgar el título, el estudiante debe completar al menos 3 meses de experiencia laboral en una empresa de ingeniería. [30] 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 en ingeniería como un 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 aprobar el All India Trade Test (AITT) con un título de ingeniería. comercio realizado por el Consejo Nacional de Formación Profesional (NCVT) por el cual se otorga un "Certificado Nacional de Comercio". En Nepal se utiliza un sistema similar. [31]
Algunos ingenieros mecánicos obtienen 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 . Las maestrías y las ingenierías pueden incluir o no investigación . El Doctorado en Filosofía incluye un importante componente de investigación y, a menudo, se lo considera el punto de entrada a la academia . [32] El título de ingeniero existe en algunas instituciones a un nivel intermedio entre la maestría y el doctorado.
Los estándares establecidos por la sociedad de acreditación de cada país tienen como objetivo proporcionar uniformidad en el material de las materias fundamentales, promover la competencia entre los ingenieros graduados y mantener la confianza en la profesión de ingeniería en su conjunto. ABET exige que los programas de ingeniería en los EE. UU., por ejemplo, demuestren que sus estudiantes pueden "trabajar profesionalmente en áreas de sistemas térmicos y mecánicos". [33] Sin embargo, los cursos específicos necesarios para graduarse pueden diferir de un programa a otro. Las universidades e institutos de tecnología a menudo combinan varias materias en una sola clase o dividen una materia en varias clases, según el cuerpo docente disponible y las principales áreas de investigación de la universidad.
Las materias fundamentales requeridas para la ingeniería mecánica suelen incluir:
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 varios semestres de clases de matemáticas que incluyen 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 son separados. No existe departamento para estas materias. [36]
La mayoría de los programas de ingeniería mecánica también requieren cantidades variables de investigación o proyectos comunitarios para obtener 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 la universidad generalmente no lo exige. La educación cooperativa es otra opción. La investigación sobre habilidades laborales futuras [37] exige componentes de estudio que alimenten la creatividad y la innovación de los estudiantes. [38]
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:
Los ingenieros mecánicos diseñan y supervisan la fabricación de muchos productos, desde dispositivos médicos hasta baterías nuevas. También diseñan máquinas productoras 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 utilizan computadoras para ayudar a crear y analizar diseños, ejecutar simulaciones y probar cómo es probable que funcione una máquina.
Los ingenieros pueden solicitar una licencia de un gobierno estatal, provincial o nacional. El propósito de este proceso es garantizar que los ingenieros posean el conocimiento técnico, la experiencia del 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 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 (PE) con licencia, un ingeniero debe aprobar el examen integral 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 los establece 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 EE. UU.
En el Reino Unido, los graduados actuales requieren un título de BEng más una maestría adecuada o un título de MEng integrado , un mínimo de 4 años de posgrado en desarrollo de competencias laborales y un informe de proyecto revisado por pares para convertirse en ingeniero mecánico colegiado (CEng, MIMechE). a través del Instituto de Ingenieros Mecánicos . CEng MIMechE también se puede obtener mediante un examen administrado por el City and Guilds of London Institute . [39]
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 autorizado, por ejemplo, puede preparar, firmar, sellar y presentar planos y dibujos de ingeniería a una autoridad pública para su aprobación, o sellar trabajos de ingeniería para clientes públicos y privados". [40] Este requisito puede incluirse en la legislación estatal y provincial, como en las provincias canadienses, por ejemplo en la Ley de Ingenieros de Ontario o Quebec. [41]
En otros países, como Australia y el Reino Unido, no existe tal legislación; sin embargo, prácticamente todos los organismos certificadores mantienen un código de ética independiente de la legislación, que esperan que todos los miembros cumplan o corren el riesgo de ser expulsados. [42]
El número total de ingenieros empleados en Estados Unidos en 2015 fue de aproximadamente 1,6 millones. De ellos, 278.340 eran ingenieros mecánicos (17,28%), la disciplina más grande por tamaño. [43] En 2012, el ingreso anual medio de los ingenieros mecánicos en la fuerza laboral estadounidense era de 80.580 dólares. El ingreso medio era más alto cuando trabajaba para el gobierno ($92,030) y el más bajo en educación ($57,090). [44] En 2014, se proyectó que el número total de trabajos de ingeniería mecánica crecería un 5% durante la próxima década. [45] En 2009, el salario inicial promedio era de $ 58.800 con una licenciatura. [46]
El campo de la ingeniería mecánica puede considerarse como una colección de muchas disciplinas científicas de la ingeniería mecánica. A continuación se enumeran varias de estas subdisciplinas que normalmente se enseñan a nivel universitario, 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 diferentes. La mayor parte del trabajo que realiza un ingeniero mecánico utiliza habilidades y técnicas de varias de estas subdisciplinas, así como de subdisciplinas especializadas. Es más probable que las subdisciplinas especializadas, tal como se utilizan en este artículo, sean objeto de estudios de posgrado o capacitación en el trabajo que de investigación de pregrado. En esta sección se analizan varias subdisciplinas especializadas.
La mecánica es, en el sentido más general, el estudio de las fuerzas y su efecto sobre la materia . Normalmente, la ingeniería mecánica se utiliza para analizar y predecir la aceleración y deformación (tanto elástica como plástica ) de objetos bajo fuerzas (también llamadas cargas) o tensiones conocidas . Las subdisciplinas de la mecánica incluyen
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 la estructura 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 las levas a medida que el motor funciona. Se podría utilizar la mecánica de materiales para elegir los materiales apropiados para el bastidor y el motor. La mecánica de fluidos podría usarse para diseñar un sistema de ventilación para el vehículo (ver HVAC ) o para diseñar el sistema de admisión del motor.
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 de automatización híbridos. De esta manera, las máquinas pueden automatizarse mediante el uso de motores eléctricos , servomecanismos y otros sistemas eléctricos en conjunto 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 suele emplear 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 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 forma económica y garantizar una mejor calidad. Muchas empresas emplean líneas de montaje de robots, especialmente en la industria automovilística, y algunas fábricas están tan robotizadas que pueden funcionar por sí mismas . Fuera de la fábrica, se han empleado robots en desactivación de bombas, exploración espacial y muchos otros campos. Los robots también se venden para diversas aplicaciones residenciales, desde recreación hasta aplicaciones domésticas. [48]
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 arreglarlos y su desempeño. Las fallas estructurales ocurren en dos modos generales: falla estática y falla por fatiga. La falla estructural estática ocurre cuando, al ser cargado (al aplicarle 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 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 . [49]
Sin embargo, el fallo 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 podría 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 diseñan para evitar fallas. Los ingenieros suelen utilizar documentos y libros en línea como los publicados por ASM [50] para ayudarles a determinar el tipo de falla y sus posibles causas.
Una vez que se aplica la teoría 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 podrían someterse a pruebas de falla controladas.
La termodinámica es una ciencia aplicada utilizada 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 . [51] Normalmente, la termodinámica de la 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 eventualmente 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. [52]
El dibujo o dibujo técnico es el medio por el cual los ingenieros mecánicos diseñan productos y crean instrucciones para fabricar piezas. Un dibujo técnico puede ser un modelo por computadora o un esquema dibujado a mano que muestra todas las dimensiones necesarias para fabricar una pieza, así como notas de montaje, una lista de materiales necesarios y otra información pertinente. [53] Un ingeniero mecánico estadounidense o un trabajador calificado que crea dibujos técnicos puede denominarse 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 enviarse a la maquinaria necesaria, ya sea manualmente, mediante instrucciones programadas o mediante el uso de un programa de fabricación asistida por computadora (CAM) o combinado 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 computadora (CNC), ahora se pueden fabricar piezas sin la necesidad de la intervención constante de un técnico. Las piezas fabricadas manualmente generalmente consisten en recubrimientos por pulverización , acabados superficiales y otros procesos que una máquina no puede realizar de manera económica ni práctica.
El dibujo 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 análisis de elementos finitos (FEA) y dinámica de fluidos computacional (CFD).
Muchas empresas de ingeniería mecánica, especialmente aquellas en países industrializados, han incorporado programas de ingeniería asistida por computadora (CAE) en sus procesos de diseño y análisis existentes, incluido el diseño asistido por computadora (CAD) de modelado sólido 2D y 3D . Este método tiene muchos beneficios, incluida una visualización más sencilla y exhaustiva de los productos, la capacidad de crear conjuntos virtuales de piezas y la facilidad de uso en el diseño de tolerancias y interfaces de acoplamiento.
Otros programas CAE comúnmente utilizados por ingenieros mecánicos incluyen herramientas de gestión del ciclo de vida del producto (PLM) y herramientas de análisis utilizadas para realizar simulaciones complejas. Se pueden utilizar herramientas de análisis para predecir la respuesta del producto a las cargas esperadas, incluida la vida 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).
Al utilizar 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 costos, el rendimiento y otras limitaciones. No es necesario crear ningún prototipo físico hasta que el diseño esté casi finalizado, 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 manualmente, como la viscoelasticidad , el contacto complejo entre piezas acopladas o 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 utiliza con otros programas CAE para automatizar y mejorar el proceso de diseño iterativo. Las herramientas MDO envuelven los procesos CAE existentes, permitiendo 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 posibles diseños y, a menudo, encuentran soluciones mejores e innovadoras a problemas difíciles de diseño multidisciplinario.
Los ingenieros mecánicos están constantemente superando los límites de lo que es físicamente posible para producir máquinas y sistemas mecánicos más seguros, más baratos y más eficientes. A continuación se enumeran algunas tecnologías de vanguardia en ingeniería mecánica (ver también ingeniería exploratoria ).
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 airbag de automóviles, los teléfonos móviles modernos, los giroscopios para un posicionamiento preciso y los dispositivos de microfluidos utilizados en aplicaciones biomédicas.
La soldadura por fricción-agitación, un nuevo tipo de soldadura , fue descubierta en 1991 por The Welding Institute (TWI). La innovadora técnica de soldadura en estado estable (sin fusión) une materiales que antes no eran soldables, 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 soldar las uniones del tanque externo principal de aluminio del transbordador espacial, el vehículo de tripulación Orion, los vehículos de lanzamiento desechables Boeing Delta II y Delta IV y el cohete SpaceX Falcon 1, blindaje para barcos de asalto anfibio y soldar el alas y paneles de fuselaje del nuevo avión Eclipse 500 de Eclipse Aviation entre un conjunto de usos cada vez mayor. [54] [55] [56]
Los composites o materiales compuestos son una combinación de materiales que proporcionan características físicas diferentes a las de 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 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.
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 la ingeniería eléctrica. Los conceptos mecatrónicos se utilizan en la mayoría de los sistemas electromecánicos. [57] Los sensores electromecánicos típicos utilizados en mecatrónica son galgas extensométricas, termopares y transductores de presión.
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 la mecanosíntesis . Por ahora ese objetivo permanece dentro de la ingeniería exploratoria . Las áreas de investigación actual en ingeniería mecánica en nanotecnología incluyen nanofiltros, [58] nanopelículas, [59] y nanoestructuras, [60] entre otras.
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. [61] Este campo no es nuevo, ya que la base del Análisis de Elementos Finitos (FEA) o 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 como SimScale se están volviendo más comunes.
Otras técnicas, como el método de diferencias finitas (FDM) y el método de volúmenes finitos (FVM), se emplean para resolver problemas relacionados con la transferencia de calor y masa, flujos de fluidos, interacción de superficies de fluidos, etc.
La biomecánica es la aplicación de principios mecánicos a sistemas biológicos, como humanos , animales , plantas , órganos y células . [62] 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 tradicionales de la ingeniería para analizar sistemas biológicos. Algunas aplicaciones simples de la mecánica newtoniana y/o de 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 ganado financiación en el mundo académico. La estructura de la materia ósea está optimizada para soportar una gran cantidad de tensión de compresión por unidad de peso. [63] El objetivo es sustituir el acero bruto por biomateriales para el diseño estructural.
Durante la última década, el método de los 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 ha ganado una amplia aceptación académica. 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. [64] Esto ha llevado al modelado FE hasta el 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).
La dinámica de fluidos computacional, generalmente abreviada como CFD, es una rama de la mecánica de fluidos que utiliza métodos y algoritmos numéricos 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 límite. [65] Con supercomputadoras de alta velocidad se pueden lograr mejores soluciones. Las investigaciones en curso producen 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 utilizando un túnel de viento y la validación final se realiza mediante pruebas a gran escala, por ejemplo, pruebas de vuelo.
La ingeniería acústica es una de muchas otras subdisciplinas de la ingeniería mecánica y es la aplicación de la acústica. La ingeniería acústica es el estudio del Sonido y las Vibraciones . Estos ingenieros trabajan eficazmente para reducir la contaminación acústica en dispositivos mecánicos y edificios insonorizando o eliminando fuentes de ruido no deseado. El estudio de la acústica puede abarcar desde diseñar un audífono, un micrófono, un auricular o un estudio de grabación más eficiente hasta mejorar la calidad del sonido de una sala de orquesta. La ingeniería acústica también se ocupa de la vibración de diferentes sistemas mecánicos. [66]
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 algunas clases especializadas.
