موضوع مقاله: مهندسی مکانیک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # مهندسی مکانیک | مقدمه: این یک شاخه مهندسی است که اصول فیزیک مهندسی و ریاضیات را با علم مواد ترکیب می‌کند تا سیستم‌های مکانیکی را طراحی، تجزیه و تحلیل، ساخت و نگهداری کند. | ## بخش 1: مهندسی مکانیک | مهندسی مکانیک نیاز به درک زمینه‌های اصلی از جمله مکانیک، دینامیک، ترمودینامیک، علم مواد، طراحی، تحلیل سازه و الکتریسیته دارد. علاوه بر این اصول اصلی، مهندسان مکانیک از ابزارهایی مانند طراحی به کمک کامپیوتر (CAD)، ساخت به کمک کامپیوتر (CAM)، مهندسی به کمک کامپیوتر (CAE) و مدیریت چرخه عمر محصول برای طراحی و تجزیه و تحلیل کارخانه‌های تولیدی، استفاده می‌کنند. و ، سیستم‌های گرمایش و سرمایش، سیستم‌های حمل و نقل، وسایل نقلیه موتوری، هواپیما، کشتی‌های آبی، رباتیک، تجهیزات پزشکی، سلاح‌ها و غیره. امروزه مهندسان مکانیک به دنبال پیشرفت‌هایی در زمینه‌هایی مانند کامپوزیت‌ها، مکاترونیک و نانوتکنولوژی هستند. همچنین با مهندسی هوافضا، مهندسی متالورژی، مهندسی عمران، مهندسی سازه، مهندسی برق، مهندسی ساخت و ساز، مهندسی شیمی، مهندسی صنایع و سایر رشته‌های مهندسی به مقادیر متفاوتی همپوشانی دارد. مهندسان مکانیک همچنین ممکن است در زمینه مهندسی بیوپزشکی، به ویژه با بیومکانیک، پدیده‌های حمل و نقل، بیومکاترونیک، بیونانوتکنولوژی و مدل‌سازی سیستم‌های بیولوژیکی کار کنند. تاریخ کاربرد مهندسی مکانیک را می‌توان در آرشیو جوامع مختلف باستانی و قرون وسطی مشاهده کرد. چرخ به همراه مکانیزم چرخ و محور در هزاره پنجم قبل از میلاد در بین‌النهرین (عراق امروزی) اختراع شد. مکانیسم اهرمی برای اولین بار در حدود ۵۰۰۰ سال پیش در خاور نزدیک ظاهر شد، جایی که در مقیاس ساده تعادل و برای جابجایی اجسام بزرگ در تکنولوژی مصر باستان استفاده می‌شد. این اهرم همچنین در دستگاه بالابر آب سایه، اولین ماشین جرثقیل، که در حدود ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد در بین‌النهرین ظاهر شد، استفاده شد. قدیمی‌ترین شواهد قرقره‌ها به بین‌النهرین در اوایل هزاره دوم قبل از میلاد بازمی‌گردد. اولین ماشین‌های عملی با نیروی آب، چرخ آب و آسیاب آبی، برای اولین بار در اوایل قرن چهارم قبل از میلاد در امپراتوری ایران، در عراق و ایران کنونی ظاهر شدند. در یونان باستان، آثار ارشمیدس (۲۸۷–۲۱۲ قبل از میلاد) بر مکانیک در سنت غربی تأثیر گذاشت. سازوکار آنتیکیترا یک رایانه قیاسی بود که در حدود قرن دوم قبل از میلاد اختراع شد. در مصر رومی، هرون اسکندریه (حدود ۱۰ تا ۷۰ پس از میلاد) اولین دستگاه بخار (آیولیپایل) را ایجاد کرد. در چین، ژانگ هنگ (۷۸–۱۳۹ پس از میلاد) یک ساعت آبی را بهبود بخشید و یک لرزه‌سنج اختراع کرد، و ما جون (۲۰۰–۲۶۵ پس از میلاد) ارابه‌ای با چرخ دنده‌های دیفرانسیل اختراع کرد. ساعت‌شناس و مهندس چینی قرون وسطایی سو سونگ (۱۰۲۰–۱۱۰۱ بعد از میلاد) دو قرن قبل از پیدا شدن دستگاه‌های گریز در ساعت‌های اروپایی قرون وسطی، مکانیزم فرار را در برج ساعت نجومی خود گنجاند. ماشین پنبه‌پاک‌کن در قرن ششم پس از میلاد در هند اختراع شد، و چرخ نخ‌ریسی در اوایل قرن یازدهم در جهان اسلام اختراع شد، آبکش‌های دو غلتکی بین قرن‌های ۱۲ و ۱۴ در هند و چین ظاهر شد. الجزری که یکی از آنها بود، کتاب معروف خود را به نام دانش دستگاه‌های مکانیکی مبتکرانه در سال ۱۲۰۶ نوشت و طرح‌های مکانیکی زیادی ارائه کرد. در قرن هفدهم، پیشرفت‌های مهمی در پایه‌های مهندسی مکانیک در انگلستان و اروپا رخ داد. ریاضیدان و فیزیکدان هلندی کریستیان هویگنس ساعت آونگی را در سال ۱۶۵۷ اختراع کرد که اولین زمان‌سنج قابل اعتماد برای تقریباً ۳۰۰ سال بود و ساعت آونگی (کتاب) که به طراحی ساعت و نظریه پشت آن اختصاص داشت. در انگلستان، آیزاک نیوتن قوانین حرکت نیوتن را فرموله کرد و حساب دیفرانسیل و انتگرال را توسعه داد که پایه ریاضی فیزیک شد. نیوتن سال‌ها تمایلی به انتشار آثارش نداشت، اما در نهایت توسط همکارانش مانند ادموند هالی به این کار متقاعد شد. گوتفرید لایبنیتس، که قبلاً یک را طراحی کرده بود، همچنین به توسعه حساب در همان دوره زمانی اعتبار داده شده است. در اوایل انقلاب صنعتی قرن ۱۹، ماشین ابزار در انگلستان، آلمان و اسکاتلند توسعه یافت. این به مهندسی مکانیک اجازه داد تا به عنوان یک رشته جداگانه در مهندسی توسعه یابد. در قاره اروپا، یوهان فون زیمرمان (۱۸۲۰–۱۹۰۱) اولین کارخانه ماشین‌های سنگ‌زنی را در کمنیتس آلمان در سال ۱۸۴۸ تأسیس کرد. اولین مدارسی که در ایالات متحده تحصیلات مهندسی ارائه کردند، آکادمی نظامی ایالات متحده در سال ۱۸۱۷ بود، مؤسسه ای که اکنون در سال ۱۸۱۹ به عنوان دانشگاه نورویچ شناخته می‌شود، و مؤسسه پلی‌تکنیک رنسلیر در سال ۱۸۲۵. برنامه‌های مهندسی مکانیک معمولاً بسته به مکان و دانشگاه چهار تا پنج سال طول می‌کشد و منجر به لیسانس مهندسی (B.Eng. برنامه‌هایی اتخاذ شده است، نام رسمی مدرک «مهندس مکانیک» است و کار دوره بر اساس پنج یا شش سال آموزش است. در ایتالیا کار دوره بر اساس پنج سال تحصیل و آموزش است، اما برای واجد شرایط بودن به عنوان مهندس باید در پایان دوره امتحان دولتی را پشت سر بگذارد. در ایالات متحده، اکثر برنامه‌های مهندسی مکانیک در مقطع کارشناسی توسط هیئت اعتباربخشی مهندسی و فناوری (ABET) برای اطمینان از الزامات و استانداردهای دوره مشابه در بین دانشگاه‌ها معتبر هستند. و اکثر کشورهای دیگر ارائه دهنده مدارک مهندسی دارای انجمن‌های اعتباربخشی مشابه هستند. در استرالیا، مدارک مهندسی مکانیک به عنوان لیسانس مهندسی (مکانیک) یا نامگذاری مشابه اعطا می‌شود، اگرچه تعداد فزاینده ای از تخصص‌ها وجود دارد. برای اطمینان از کیفیت در مدارک مهندسی، مدارک مهندسی اعطا شده توسط دانشگاه‌های استرالیا را مطابق با تأیید می‌کند. قبل از اعطای مدرک، دانشجو باید حداقل ۳ ماه سابقه کار در یک شرکت مهندسی را بگذراند. سیستم‌های مشابهی در آفریقای جنوبی نیز وجود دارد و توسط شورای مهندسی آفریقای جنوبی (ECSA) نظارت می‌شود. یا BE، دیپلم مهندسی داشته باشید، یا با گذراندن دوره ای در یک حرفه مهندسی مانند فیتر از (ITIs) برای دریافت "گواهی تجارت ITI" و همچنین گذراندن آزمون تجارت سراسر هند (AITT) با یک رشته مهندسی تجارتی که توسط شورای ملی آموزش حرفه ای (NCVT) انجام می‌شود و به وسیله آن یک "گواهی تجارت ملی" اعطا می‌شود. برخی از مهندسان مکانیک در ادامه تحصیلات تکمیلی خود را ادامه می‌دهند مانند کارشناسی ارشد مهندسی، کارشناسی ارشد فناوری، ، (M.Eng.Mgt. کار درسی استانداردهای تعیین شده توسط انجمن اعتباردهی هر کشور برای ایجاد یکنواختی در مواد موضوعی اساسی، ارتقای شایستگی در میان مهندسان فارغ‌التحصیل و حفظ اعتماد به حرفه مهندسی به عنوان یک کل در نظر گرفته شده است. دوره‌های خاص مورد نیاز برای فارغ‌التحصیلی، با این حال، ممکن است از برنامه ای به برنامه دیگر متفاوت باشد. دانشگاه‌ها و مؤسسات فناوری اغلب چندین موضوع را در یک کلاس واحد ترکیب می‌کنند یا یک موضوع را به چندین کلاس تقسیم می‌کنند، بسته به دانشکده در دسترس و حوزه (های) اصلی پژوهش دانشگاه. همچنین از مهندسان مکانیک انتظار می‌رود که مفاهیم اولیه شیمی، فیزیک، تریبولوژی، مهندسی شیمی، مهندسی عمران و مهندسی برق را درک کرده و قادر به اعمال آن باشند. تمام برنامه‌های مهندسی مکانیک شامل چندین ترم از کلاس‌های ریاضی از جمله حساب دیفرانسیل و انتگرال، و مفاهیم پیشرفته ریاضی از جمله معادلات دیفرانسیل، معادلات دیفرانسیل جزئی، جبر خطی، هندسه دیفرانسیل و آمار و غیره است. علاوه بر برنامه درسی اصلی مهندسی مکانیک، بسیاری از برنامه‌های مهندسی مکانیک برنامه‌ها و کلاس‌های تخصصی‌تری مانند سیستم‌های کنترل، رباتیک، حمل‌ونقل و لجستیک، برودتی، فناوری سوخت، مهندسی خودرو، بیومکانیک، ارتعاش، اپتیک و غیره را ارائه می‌دهند. اکثر برنامه‌های مهندسی مکانیک نیز به مقادیر متفاوتی از تحقیقات یا پروژه‌های اجتماعی برای به دست آوردن تجربه حل مسئله عملی نیاز دارند. در ایالات متحده معمول است که دانشجویان مهندسی مکانیک یک یا چند دوره کارآموزی را در حین تحصیل بگذرانند، اگرچه این معمولاً توسط دانشگاه الزامی نیست. بر مؤلفه‌های مطالعه‌ای که خلاقیت و نوآوری دانش‌آموز را تغذیه می‌کند، تقاضا می‌کند. وظایف کاری مهندسان مکانیک به تحقیق، طراحی، توسعه، ساخت و آزمایش دستگاه‌های مکانیکی و حرارتی، از جمله ابزار، موتورها و ماشین‌ها می‌پردازند. مهندسان مکانیک معمولاً کارهای زیر را انجام می‌دهند: مشکلات را تجزیه و تحلیل کنید تا ببینید چگونه دستگاه‌های مکانیکی و حرارتی ممکن است به حل مشکل کمک کنند. طراحی یا طراحی مجدد دستگاه‌های مکانیکی و حرارتی با استفاده از تحلیل و طراحی به کمک کامپیوتر. تیمی از متخصصان در زمینه‌های تخصصی مانند طراحی و طراحی مکانیکی، نمونه‌سازی، چاپ سه بعدی یا/و متخصصان ماشین‌های CNC را مدیریت کنید. مهندسان مکانیک بر ساخت بسیاری از محصولات از تجهیزات پزشکی گرفته تا باتری‌های جدید نظارت و طراحی می‌کنند. آنها همچنین ماشین‌های تولید برق مانند ژنراتورهای الکتریکی، موتورهای احتراق داخلی و توربین‌های بخار و گاز و همچنین ماشین‌های برق مصرفی مانند سیستم‌های تبرید و تهویه مطبوع را طراحی می‌کنند. | ## بخش 2: مهندسی مکانیک | مانند سایر مهندسان، مهندسان مکانیک از رایانه‌ها برای کمک به ایجاد و تجزیه و تحلیل طرح‌ها، اجرای شبیه‌سازی‌ها و آزمایش نحوه عملکرد یک ماشین استفاده می‌کنند. هدف از این فرایند این است که اطمینان حاصل شود که مهندسان دانش فنی لازم، تجربه دنیای واقعی و دانش سیستم حقوقی محلی را برای تمرین مهندسی در سطح حرفه ای دارند. پس از دریافت گواهی، به مهندس عنوان (ایالات متحده، کانادا، ژاپن، کره جنوبی، بنگلادش و آفریقای جنوبی)، (در بریتانیا، ایرلند، هند و زیمبابوه)، مهندس حرفه ای خبره (در استرالیا) داده می‌شود. در ایالات متحده، برای تبدیل شدن به یک مهندس حرفه ای دارای مجوز (PE)، یک مهندس باید امتحان جامع FE (مبانی مهندسی) را بگذراند، حداقل ۴ سال به عنوان کارآموز مهندسی (EI) یا مهندس در حال آموزش (EIT) کار کند. الزامات و مراحل این فرایند توسط (NCEES)، متشکل از هیئت‌های صدور مجوز مهندسی و نقشه‌برداری زمین که نماینده تمام ایالت‌ها و قلمروهای ایالات متحده هستند، تنظیم شده است. در انگلستان، فارغ التحصیلان فعلی برای تبدیل شدن به یک مهندس مکانیک خبره (CEng, MIMechE) به مدرک BEng به علاوه مدرک کارشناسی ارشد مناسب یا مدرک MEng یکپارچه، حداقل ۴ سال پس از فارغ‌التحصیلی در زمینه توسعه شایستگی شغلی و یک گزارش پروژه بررسی شده نیاز دارند. CEng مهندسی مکانیک را می‌توان از طریق یک مسیر امتحانی که توسط اداره می‌شود، دریافت کرد. در اکثر کشورهای پیشرفته، برخی از وظایف مهندسی مانند طراحی پل‌ها، نیروگاه‌های برق و نیروگاه‌های شیمیایی باید توسط یک یا یک تأیید شود. به عنوان مثال، فقط یک مهندس دارای مجوز می‌تواند نقشه‌ها و نقشه‌های مهندسی را تهیه، امضا، مهر و موم کند و برای تأیید به یک مقام دولتی یا برای مهر و موم کار مهندسی برای مشتریان دولتی و خصوصی ارائه کند. این الزام را می‌توان در قوانین ایالتی و استانی، مانند استان‌های کانادا، به عنوان مثال قانون مهندسی انتاریو یا کبک نوشت. با این حال، عملاً همه مؤسسات تأیید کننده یک مستقل از قانون را حفظ می‌کنند که انتظار دارند همه اعضا از آن تبعیت کنند یا خطر اخراج را داشته باشند. حقوق و آمار نیروی کار تعداد کل مهندسان شاغل در ایالات متحده در سال ۲۰۱۵ تقریباً ۱٫۶ میلیون نفر بود. از این تعداد، ۲۷۸٬۳۴۰ مهندس مکانیک (۱۷٫۲۸٪) بودند که بزرگ‌ترین رشته از نظر اندازه است. در سال ۲۰۱۲، متوسط درآمد سالانه مهندسان مکانیک در نیروی کار ایالات متحده ۸۰۵۸۰ دلار بود. رشته‌های فرعی رشته مهندسی مکانیک را می‌توان مجموعه ای از بسیاری از رشته‌های علوم مهندسی مکانیک دانست. تعدادی از این زیررشته‌ها که معمولاً در مقطع کارشناسی تدریس می‌شوند، با توضیح مختصری و رایج‌ترین کاربرد هر کدام در زیر فهرست شده‌اند. برخی از این زیرشاخه‌ها منحصر به مهندسی مکانیک هستند، در حالی که برخی دیگر ترکیبی از مهندسی مکانیک و یک یا چند رشته دیگر هستند. اکثر کارهایی که یک مهندس مکانیک انجام می‌دهد از مهارت‌ها و تکنیک‌های چندین زیر رشته و همچنین زیر رشته‌های تخصصی استفاده می‌کند. رشته‌های فرعی تخصصی، همان‌طور که در این مقاله استفاده می‌شود، به احتمال زیاد موضوع تحصیلات تکمیلی یا آموزش در حین کار نسبت به تحقیقات کارشناسی هستند. به‌طور معمول، مکانیک مهندسی برای تجزیه و تحلیل و پیش‌بینی شتاب و تغییر شکل (اعم از الاستیک و پلاستیک) اجسام تحت نیروهای شناخته شده (که بارها نیز نامیده می‌شوند) یا تنش‌ها استفاده می‌شود. زیرشاخه‌های مکانیک شامل استاتیک، مطالعه اجسام غیر متحرک تحت بارهای شناخته شده، چگونگی تأثیر نیروها بر اجسام ساکن دینامیک، مطالعه چگونگی تأثیر نیروها بر اجسام متحرک. دینامیک شامل سینماتیک (دربارهٔ حرکت، سرعت و شتاب) و سینتیک (دربارهٔ نیروها و شتاب‌های حاصله) است. سینماتیک، مطالعه حرکت اجسام (اشیاء) و سیستم‌ها (گروه‌هایی از اجسام)، در حالی که نیروهایی که باعث حرکت می‌شوند نادیده گرفته می‌شود. مکانیک پیوسته، روشی برای به‌کارگیری مکانیک که فرض می‌کند اجسام پیوسته هستند (به جای گسسته) مهندسان مکانیک معمولاً از مکانیک در مراحل طراحی یا تحلیل مهندسی استفاده می‌کنند. اگر پروژه مهندسی طراحی یک وسیله نقلیه بود، ممکن است از استاتیک برای طراحی قاب وسیله نقلیه استفاده شود تا ارزیابی شود که تنش‌ها در کجا شدیدتر هستند. دینامیک ممکن است هنگام طراحی موتور خودرو برای ارزیابی نیروهای موجود در پیستون‌ها و بادامک‌ها به عنوان چرخه موتور مورد استفاده قرار گیرد. مکانیک سیالات ممکن است برای طراحی یک سیستم تهویه برای وسیله نقلیه (به HVAC مراجعه کنید)، یا برای طراحی سیستم ورودی برای موتور استفاده شود. این شاخه ای بین رشته‌ای از مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی نرم‌افزار است که با ادغام مهندسی برق و مکانیک برای ایجاد سیستم‌های اتوماسیون ترکیبی سروکار دارد. به این ترتیب می‌توان ماشین‌ها را با استفاده از موتورهای الکتریکی، سروو مکانیزم‌ها و سایر سیستم‌های الکتریکی در ارتباط با نرم‌افزارهای خاص، خودکار کرد. سیستم‌های مکانیکی درایو را باز و بسته می‌کنند، سی‌دی را می‌چرخانند و لیزر را حرکت می‌دهند، در حالی که یک سیستم نوری داده‌های روی سی‌دی را می‌خواند و آن را به بیت تبدیل می‌کند. نرم‌افزار یکپارچه فرایند را کنترل می‌کند و محتویات سی دی را به کامپیوتر منتقل می‌کند. رباتیک کاربرد مکاترونیک برای ایجاد ربات‌هایی است که اغلب در صنعت برای انجام کارهای خطرناک، ناخوشایند یا تکراری استفاده می‌شوند. این ربات‌ها ممکن است از هر شکل و اندازه ای باشند، اما همه از قبل برنامه‌ریزی شده‌اند و به صورت فیزیکی با جهان تعامل دارند. برای ایجاد یک ربات، یک مهندس معمولاً از سینماتیک (برای تعیین دامنه حرکت ربات) و مکانیک (برای تعیین تنش‌های درون ربات) استفاده می‌کند. آن‌ها به کسب‌وکارها اجازه می‌دهند در هزینه‌های نیروی کار صرفه‌جویی کنند، وظایفی را انجام دهند که برای انسان‌ها بسیار خطرناک یا دقیق‌تر از آن است که آن‌ها را به لحاظ اقتصادی انجام ندهند، و کیفیت بهتری را تضمین کنند. بسیاری از شرکت‌ها خطوط مونتاژ ربات‌ها را به‌خصوص در صنایع خودروسازی به کار می‌گیرند و برخی از کارخانه‌ها به قدری رباتیک شده‌اند که می‌توانند کار کنند. در خارج از کارخانه، ربات‌ها در خنثی سازی بمب، اکتشافات فضایی و بسیاری زمینه‌های دیگر به کار گرفته شده‌اند. ربات‌ها همچنین برای کاربردهای مختلف مسکونی، از تفریح گرفته تا کاربردهای خانگی فروخته می‌شوند.Bolton, W. ISBN 978-1-292-07668-3 تحلیل ساختاری تحلیل سازه شاخه ای از مهندسی مکانیک (و همچنین مهندسی عمران) است که به بررسی چرایی و چگونگی خرابی اشیاء و تعمیر اشیا و عملکرد آنها اختصاص دارد. شکست سازه ایستا زمانی رخ می‌دهد که، بسته به معیار شکست، جسم مورد تجزیه و تحلیل، پس از بارگذاری (با اعمال نیروی) یا شکسته یا تغییر شکل می‌دهد. خرابی خستگی زمانی اتفاق می‌افتد که یک شی پس از چند بار بارگیری و تخلیه مکرر از کار بیفتد. شکست خستگی به دلیل نقص در جسم رخ می‌دهد: به عنوان مثال، یک ترک میکروسکوپی روی سطح جسم، با هر چرخه (تکثیر) کمی رشد می‌کند تا زمانی که ترک به اندازه کافی بزرگ شود که باعث شود. برخی از سیستم‌ها، مانند بخش‌های بالای سوراخ شده برخی از کیسه‌های پلاستیکی، برای شکستن طراحی شده‌اند. اگر این سیستم‌ها خراب نشوند، ممکن است از تجزیه و تحلیل شکست برای تعیین علت استفاده شود. تحلیل سازه اغلب توسط مهندسان مکانیک پس از وقوع یک خرابی یا هنگام طراحی برای جلوگیری از خرابی استفاده می‌شود. منتشر شده است برای کمک به آنها در تعیین نوع خرابی و علل احتمالی استفاده می‌کنند. هنگامی که تئوری در یک طراحی مکانیکی اعمال می‌شود، آزمایش فیزیکی اغلب برای تأیید نتایج محاسبه شده انجام می‌شود. تجزیه و تحلیل ساختاری ممکن است در یک دفتر هنگام طراحی قطعات، در میدان برای تجزیه و تحلیل قطعات شکست خورده، یا در آزمایشگاه‌هایی که قطعات ممکن است تحت آزمایش‌های شکست کنترل شده قرار گیرند، استفاده شود. ترمودینامیک و علم ترمو ترمودینامیک یک علم کاربردی است که در چندین شاخه از مهندسی از جمله مهندسی مکانیک و شیمی استفاده می‌شود. در ساده‌ترین حالت، ترمودینامیک مطالعه انرژی، استفاده و تبدیل آن از طریق یک سیستم است. به‌طور معمول، ترمودینامیک مهندسی با تغییر انرژی از یک شکل به شکل دیگر مرتبط است. به عنوان مثال، موتورهای خودرو انرژی شیمیایی (آنتالپی) را از سوخت به گرما و سپس به کار مکانیکی تبدیل می‌کنند که در نهایت چرخ‌ها را می‌چرخاند. اصول ترمودینامیک توسط مهندسان مکانیک در زمینه‌های انتقال حرارت، ترموسیالات و تبدیل انرژی استفاده می‌شود. مهندسان مکانیک از علم ترمو برای طراحی موتورها و نیروگاه‌ها، سیستم‌های گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC)، مبدل‌های حرارتی، سینک‌های حرارتی، رادیاتورها، تبرید، عایق‌ها و غیره استفاده می‌کنند. | ## بخش 3: مهندسی مکانیک | یک نقشه فنی می‌تواند یک مدل کامپیوتری یا شماتیک دستی باشد که تمام ابعاد لازم برای ساخت یک قطعه و همچنین یادداشت‌های مونتاژ، لیستی از مواد مورد نیاز و سایر اطلاعات مربوط را نشان می‌دهد. یک مهندس مکانیک یا کارگر ماهر در ایالات متحده که نقشه‌های فنی را ایجاد می‌کند، ممکن است به عنوان پیش نویس یا نقشه‌کش نامیده شود. پیش نویس در طول تاریخ یک فرایند دو بعدی بوده است، اما برنامه‌های طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) اکنون به طراح اجازه می‌دهد تا در سه بعدی ایجاد کند. دستورالعمل‌های ساخت یک قطعه باید به ماشین آلات لازم داده شود، چه به صورت دستی، از طریق دستورالعمل‌های برنامه‌ریزی شده، یا از طریق استفاده از یک ساخت به کمک کامپیوتر (CAM) یا برنامه ترکیبی CAD/CAM. در صورت تمایل، یک مهندس همچنین می‌تواند به صورت دستی قطعه‌ای را با استفاده از نقشه‌های فنی بسازد. با این حال، با ظهور تولید با کنترل عددی کامپیوتری (CNC)، اکنون می‌توان قطعات را بدون نیاز به ورودی ثابت تکنسین ساخت. قطعات تولید شده به صورت دستی عموماً شامل پوشش‌های اسپری، پوشش‌های سطحی و سایر فرآیندهایی هستند که به لحاظ اقتصادی یا عملی نمی‌توانند توسط ماشین انجام شوند. پیش نویس تقریباً در همه زیرشاخه‌های مهندسی مکانیک و بسیاری از شاخه‌های دیگر مهندسی و معماری استفاده می‌شود. مدل‌های سه‌بعدی ایجاد شده با استفاده از نرم‌افزار CAD نیز معمولاً در تحلیل اجزا محدود (FEA) و دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) استفاده می‌شوند. این روش مزایای زیادی دارد، از جمله تجسم آسان‌تر و جامع تر محصولات، امکان ایجاد مجموعه‌های مجازی قطعات و سهولت استفاده در طراحی رابط‌های جفت و تلرانس. سایر برنامه‌های CAE که معمولاً توسط مهندسان مکانیک استفاده می‌شود شامل ابزارهای مدیریت چرخه عمر محصول (PLM) و ابزارهای تجزیه و تحلیل مورد استفاده برای انجام شبیه‌سازی‌های پیچیده است. ابزارهای تحلیل ممکن است برای پیش‌بینی پاسخ محصول به بارهای مورد انتظار، از جمله عمر خستگی و قابلیت ساخت، استفاده شوند. این ابزارها عبارتند از تجزیه و تحلیل اجزای محدود (FEA)، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و ساخت به کمک کامپیوتر (CAM). با استفاده از برنامه‌های CAE، یک تیم طراحی مکانیکی می‌تواند به سرعت و ارزان فرایند طراحی را تکرار کند تا محصولی را توسعه دهد که هزینه، عملکرد و سایر محدودیت‌ها را بهتر برآورده کند. تا زمانی که طراحی به اتمام نرسد، نیازی به ایجاد نمونه اولیه فیزیکی نیست، که اجازه می‌دهد صدها یا هزاران طرح به جای تعداد کمی از آنها ارزیابی شوند. علاوه بر این، برنامه‌های تحلیل CAE می‌توانند پدیده‌های فیزیکی پیچیده‌ای را که با دست قابل حل نیستند، مانند ویسکوالاستیسیته، تماس پیچیده بین قطعات جفت‌گیری یا جریان‌های غیرنیوتنی مدل‌سازی کنند. همان‌طور که در مکاترونیک دیده می‌شود، همان‌طور که مهندسی مکانیک شروع به ادغام با سایر رشته‌ها می‌کند، (MDO) با سایر برنامه‌های CAE برای خودکارسازی و بهبود فرایند طراحی تکراری استفاده می‌شود. ابزارهای MDO پیرامون فرآیندهای CAE موجود می‌پیچند و به ارزیابی محصول اجازه می‌دهند حتی پس از اینکه تحلیلگر به خانه می‌رود، ادامه یابد. آن‌ها همچنین از الگوریتم‌های بهینه‌سازی پیچیده برای کاوش هوشمندانه‌تر طرح‌های ممکن استفاده می‌کنند و اغلب راه‌حل‌های بهتر و خلاقانه‌تری برای مشکلات طراحی چند رشته‌ای پیدا می‌کنند. حوزه‌های تحقیق مهندسان مکانیک دائماً مرزهای آنچه از نظر فیزیکی ممکن است را به منظور تولید ماشین‌ها و سیستم‌های مکانیکی ایمن‌تر، ارزان‌تر و کارآمدتر فشار می‌دهند. برخی از فناوری‌ها در لبه برش مهندسی مکانیک در زیر فهرست شده‌اند (همچنین به مراجعه کنید). سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) اجزای مکانیکی در مقیاس میکرو مانند فنرها، چرخ دنده‌ها، دستگاه‌های سیال و انتقال حرارت از انواع مواد زیرلایه مانند سیلیکون، شیشه و پلیمرهایی مانند ساخته می‌شوند. نمونه‌هایی از اجزای سامانه میکرو الکترومکانیکی شتاب‌سنج‌هایی هستند که به‌عنوان سنسورهای کیسه هوا، تلفن‌های همراه مدرن، ژیروسکوپ‌ها برای موقعیت‌یابی دقیق و دستگاه‌های میکروسیال مورد استفاده در کاربردهای زیست‌پزشکی استفاده می‌شوند. جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، نوع جدیدی از جوشکاری است که در سال ۱۹۹۱ توسط (تی‌دبلیوآی) کشف شد. روش نوآورانه جوش حالت پایدار (غیر همجوشی) موادی را که قبلاً غیرقابل جوش بودند، از جمله چندین آلیاژ آلومینیم، به هم می‌پیوندد. نقش مهمی در ساخت هواپیماهای آینده ایفا می‌کند و به‌طور بالقوه جایگزین پرچ‌ها می‌شود. تحقیقات مواد کامپوزیتی در مهندسی مکانیک معمولاً بر طراحی (و متعاقباً یافتن کاربردها برای) مواد قوی‌تر یا سفت‌تر و در عین حال تلاش برای کاهش وزن، حساسیت به خوردگی و سایر عوامل نامطلوب متمرکز است. به عنوان مثال، کامپوزیت‌های تقویت شده با فیبر کربن در کاربردهای متنوعی مانند فضاپیما و میله‌های ماهیگیری استفاده شده است. مکاترونیک مکاترونیک ترکیبی هم افزایی از مهندسی مکانیک، مهندسی الکترونیک و مهندسی نرم‌افزار است. سنسورهای الکترومکانیکی معمولی که در مکاترونیک استفاده می‌شوند، گیج‌های فشار، ترموکوپل‌ها و مبدل‌های فشار هستند. نانوتکنولوژی در کوچک‌ترین مقیاس‌ها، مهندسی مکانیک به فناوری نانو تبدیل می‌شود – یکی از اهداف گمانه‌زنی آن ایجاد یک ساخت مولکولی برای ساخت مولکول‌ها و مواد از طریق مکانوسنتز است. تحلیل المان محدود تحلیل المان محدود یک ابزار محاسباتی است که برای تخمین تنش، کرنش و انحراف اجسام جامد استفاده می‌شود. از یک تنظیم مش با اندازه‌های تعریف شده توسط کاربر برای اندازه‌گیری مقادیر فیزیکی در یک گره استفاده می‌کند. این زمینه جدید نیست، زیرا اساس تجزیه و تحلیل اجزای محدود (FEA) یا روش اجزای محدود (FEM) به سال ۱۹۴۱ بازمی‌گردد. اما تکامل کامپیوترها FEA/FEM را به گزینه ای مناسب برای تحلیل مشکلات ساختاری تبدیل کرده است. بسیاری از نرم‌افزارهای تجاری مانند نسترن، انسیس و آباکوس به‌طور گسترده در صنعت برای تحقیق و طراحی قطعات استفاده می‌شوند. برخی از بسته‌های نرم‌افزاری مدل‌سازی سه بعدی و CAD ماژول‌های FEA را اضافه کرده‌اند. تکنیک‌های دیگری مانند روش تفاضل محدود (FDM) و روش حجم محدود (FVM) برای حل مشکلات مربوط به انتقال گرما و جرم، جریان سیال، برهمکنش سطح سیال و غیره استفاده می‌شود. بیومکانیک بیومکانیک کاربرد اصول مکانیکی برای سیستم‌های بیولوژیکی مانند انسان، حیوانات، گیاهان، اندام‌ها و سلول‌ها است. بیومکانیک همچنین به ایجاد اندام‌های مصنوعی و اندام‌های مصنوعی برای انسان کمک می‌کند. بیومکانیک ارتباط نزدیکی با مهندسی دارد، زیرا اغلب از علوم مهندسی سنتی برای تجزیه و تحلیل سیستم‌های بیولوژیکی استفاده می‌کند. برخی از کاربردهای ساده مکانیک نیوتنی و/یا علوم مواد می‌توانند تقریب درستی را برای مکانیک بسیاری از سیستم‌های بیولوژیکی ارائه دهند. در دهه گذشته، مهندسی معکوس موادی که در طبیعت یافت می‌شوند، مانند ماده استخوان، بودجه‌ای را در دانشگاه به دست آورده است. ساختار ماده استخوان به منظور تحمل مقدار زیادی تنش فشاری در واحد وزن بهینه شده است. در طول دهه گذشته، روش اجزای محدود (FEM) همچنین وارد بخش بیومدیکال شده است و جنبه‌های مهندسی بیشتر بیومکانیک را برجسته می‌کند. از آن زمان FEM خود را به عنوان جایگزینی برای ارزیابی جراحی درون‌تنی تثبیت کرد و مقبولیت گسترده دانشگاهیان را به دست آورد. مزیت اصلی بیومکانیک محاسباتی در توانایی آن در تعیین پاسخ درون آناتومیک آناتومی است، بدون اینکه تحت محدودیت‌های اخلاقی قرار گیرد.Tsouknidas, A. این باعث شده است که مدل‌سازی FE در چندین زمینه بیومکانیک در همه جا حاضر شود در حالی که چندین پروژه حتی یک فلسفه منبع باز (مثلا BioSpine) را اتخاذ کرده‌اند. دینامیک سیالات محاسباتی دینامیک سیالات محاسباتی که معمولاً به اختصار CFD خوانده می‌شود، شاخه ای از مکانیک سیالات است که از روش‌ها و الگوریتم‌های عددی برای حل و تجزیه و تحلیل مسائلی که شامل جریان سیالات هستند استفاده می‌کند. کامپیوترها برای انجام محاسبات مورد نیاز برای شبیه‌سازی برهمکنش مایعات و گازها با سطوحی که توسط شرایط مرزی تعریف شده‌اند استفاده می‌شود. تحقیقات در حال انجام نرم‌افزاری را به دست می‌دهد که دقت و سرعت سناریوهای شبیه‌سازی پیچیده مانند جریان‌های آشفته را بهبود می‌بخشد. اعتبار سنجی اولیه چنین نرم‌افزاری با استفاده از یک تونل باد انجام می‌شود و اعتبار نهایی در آزمایش‌های تمام‌مقیاس، به عنوان مثال، آزمایش‌های پرواز انجام می‌شود. مهندسی آکوستیک مهندسی آکوستیک یکی از بسیاری از زیرشاخه‌های دیگر مهندسی مکانیک است و کاربرد آکوستیک است. مطالعه آکوستیک می‌تواند از طراحی سمعک کارآمدتر، میکروفون، هدفون یا استودیوی ضبط تا افزایش کیفیت صدای سالن ارکستر متغیر باشد. | ## جمع‌بندی | زمینه‌های مرتبط مهندسی ساخت و ساز، مهندسی هوافضا و مهندسی خودرو در مواقعی با مهندسی مکانیک گروه‌بندی می‌شوند.