工程學

工程學（粵音：gung1 cing4 hok6；英文：engineering），又叫工學，香港地有俗稱N展，係一系列嘅應用科學領域。工程學目的係要將由科學嗰度攞到嘅知識投入應用，靠呢啲知識設計出對人類嚟講有實用價值嘅結構（好似係建築物呀噉）、機械、製造過程、材料或者系統，可以按處理嘅系統嘅類型細分做土木工程、機械工程、電機工程同化學工程等嘅多個子領域。廣義上，工程學仲可以包埋針對呢啲事物嘅理論性質研究，例如控制理論就好興將機械想像成抽象化嘅數學模型嚟研究。
工程學嘅工作最基本上會涉及工程學設計過程：喺呢個過程當中，工程師會首先界定「要處理啲乜問題」，搞清楚嗮設計緊嗰樣嘢要滿足乜嘢要求，再郁手試吓整件嘢出嚟同埋做測試，睇吓件嘢係咪真係一如預期噉達到啲要求－响現實世界，工程師通常初頭都會撞板，發覺件嘢有啲甩漏，跟住落嚟佢就要做進一步嘅工作，嘗試搵出問題喺邊同埋執吓件嘢嘅設計；以上嘅過程會一路重複，直至件嘢做到夠完善為止。
工程學呢家嘢歷史好悠久，喺公元前嘅遠古經已存在，例如建於公元前 2580 年到前 2560 年嘅胡夫金字塔就俾好多人認為係一個工程學奇蹟，就算到咗廿一世紀初，工程學界對於「胡夫金字塔到底係點樣起出嚟嘅」呢條問題都仲係眾說紛紜。廿一世紀初嘅工程學係一系列專化嘅領域，會用到成套嘅理論知識同實用技巧嚟設計同製作各種對人類嚟講不可或缺嘅系統，係現代社會嘅一門重要專業。
2021 年嘅不列顛百科全書係噉樣嚟定義工程學呢隻詞嘅：
喺上面嗰段嘢當中，「創意」係一個重要嘅關鍵字，反映咗工程學同純科學之間嗰條重要分野：工程學同純科學上嘅研究都要建基於已有嘅知識，並且逐漸噉縮窄研究嘅範圍，追求新嘅知識；兩者主要分別在於，工程學重視發明一啲全新嘅事物，而純科學重視發現一啲前所未知嘅事物－例如喺愛迪生造出世上第一個電燈膽之前，世界上並冇電燈膽呢樣嘢，所以愛迪生算係「發明」咗電燈膽；而相比之下，想像例如家陣天文學上嘅研究搵到粒新嘅行星，嗰粒行星喺第一次俾人感知到佢之前查實不嬲都存在，只不過係當時啲人唔知佢存在噉解，所以班天文學家算係「發現」咗嗰粒行星。
工程學設計過程係工程學上嘅一個重要基礎概念。工程學上嘅工作可以涉及設計好多唔同嘅嘢，例如建築物同馬路等嘅結構就有別於摩打同發電機等嘅機械，而且（例如）唔同類型嘅建築物喺功能上可以好唔同，唔同類型嘅摩打之間又係可以有好大差異。不過無論係邊個領域嘅工程師，佢哋要郁手設計同開發一件嘢嗰陣，往往都會用到工程學設計過程。工程學設計過程係一套教工程師解決專業問題用嘅疊代步驟－疊代意思即係指成件工作途中可能要將某一個步驟或者某幾個步驟重複好多次。
喺最基本上，工程學設計過程大致涉及咗以下呢啲步驟：
... 等等。
廿一世紀初嘅工程學好多時都會用到電腦模擬技術，尤其係喺做設計嘅諗計階段。運算工程學涉及用電腦模擬等嘅運算方法分析工程學上應付嘅人造系統；工程學嘅呢啲電腦模擬通常會以物理學知識做基礎，即係「分析緊個系統，個系統嘅原理涉及咗呢柞呢柞物理定律，將個系統涉及嗰啲物理定律編寫做程式，再行嚟睇，就做到模擬個系統行起上嚟會係點」。
例如廿一世紀初嘅結構分析就時不時都會用到電腦模擬：結構分析常用於土木工程－包括咗結構工程同建築工程－指個工程師分析一個結構同埋嗰個結構嘅各橛分別受到點樣嘅負荷，以及係分析呢啲負荷會對個結構造成乜嘢影響（例如係會唔會砸冧個結構），對於建設安全嘅結構嚟講不可或缺，例如想像以下呢個噉嘅簡單結構，個結構係個等邊三角形，個工程師打算用呢個結構嚟撐住啲嘢，個結構要承受一股由上面壓落嚟嘅力，股力嘅大細係10N{\displaystyle 10{\text{ N}}}咁多：
由力學上嘅知識（作為分析基礎嘅物理學知識）已知，呢股力會造成一股反作用力。而假設組成個結構嗰啲樑夠嗮硬淨唔會變形（剛體），而且啲節點又夠勁（啲樑唔會走位），噉啲反作用力（RAx{\displaystyle {\text{R}}_{A_{x}}}、RAy{\displaystyle {\text{R}}_{A_{y}}}、RB{\displaystyle {\text{R}}_{B}}）會係噉嘅樣（想像啲節點有特殊構造）：
而按物理學上對力嘅知識，如果成個結構企到喺度唔郁（個結構會郁就表示可能會冧），噉啲力加埋嗮係 0，即係話喺A{\displaystyle {\text{A}}}嗰點嘅力可以噉樣想像（Fy{\displaystyle F_{y}}係沿打戙嗰條軸嘅力，Fx{\displaystyle F_{x}}係沿打橫嗰條軸嘅力，因為個結構係等邊三角形，所以每隻角嘅角度係 60°）：
... 喺另外嗰幾點嘅力可以用同樣嘅道理嚟諗。如是者，個工程師就計到嗮「每條樑會受幾多力」等嘅重要資訊。喺現實應用上，大些少嘅建築物會有成千上萬個類似噉嘅結構部件，唔可能人手計嗮。所以廿世紀末以來嘅工程師都會搵電腦模擬幫手，叫電腦自動化噉做解方程，計出結構嘅每個部分需要受幾多力同會郁幾多，知道成棟嘢會唔會因為噉而有機會冧，俾工程師做「成棟建築物噉樣起得唔得」嘅判斷。好似以上個例子噉嘅電腦模擬方法喺工程學上幫手慳咗好多時間同精神，等工程師唔使吓吓乜都靠人手計。
工程學可以按「負責設計同研究乜嘢類型嘅系統」嚟分做多個子領域，包括：
土木工程泛指設計一啲環境入面嘅結構嚟俾公眾用嘅工程學，包括咗係水壩、橋、運河、高速公路同發電廠等嘅基建嘅設計同建設冚唪唥都屬於土木工程嘅範疇。呢種工程學自從文明起源嗰時就存在，例如早喺公元前經已存在嘅羅馬水道－古羅馬嘅人起嚟將淡水引入去佢哋啲城鎮嗰度嘅－就舉世聞名，而時至今日，土木工程經已係一個複雜嘅領域，廣義上有得再細分做：
... 呀噉。同第啲工程學領域比起嚟，土木工程嘅一個大特徵係「造原型同測試」嘅階段比較撈絞啲－土木工程師冇得話起咗成條運河出嚟先至做測試，唔似得機械工程、電機工程或者資訊科技噉可以索性整嚿似成品嘅原型出嚟做測試，所以土木工程好多時會睇重用電腦模擬嘅技術，亦成日都會用整模型嘅方法嚟展現工程師心目中嘅成品，例子可以睇吓立體模型同埋建築模型。
土木工程上嘅工作可以按施工分做三大類－施工前、施工途中同施工後：
... 等等。
機械工程專門處理一啲力學性質嘅系統（狹義上嘅機械），即係用力同郁動嚟達到目的嘅系統。譬如，汽車嘅設計有相當大部份都屬機械工程嘅範疇：汽車會有摩打；一般嚟講，摩打會用某啲方法產生力矩，令到某啲結構旋轉；然後架車嗰啲機件就會將呢股旋轉變做令車轆跟住轉嘅力矩。機械工程包含咗：
... 呀噉。機械工程有相當多嘅機會同第啲工程領域有交叉：例如研究牽引電摩打（用嚟帶動交通工具嘅電摩打）就會同時涉及機械工程同埋電機工程（研究用電嘅系統嘅工程學領域）；前者諗個摩打產生嘅力矩要點用嚟帶動車轆，後者諗個摩打點樣由電嗰度產生力矩；又例如起重機噉，起重機本質上就係一種用力嚟做嘢嘅機械，但又因為可以攞嚟幫手起樓而經常喺建築工程領域上用到。
電機工程最廣義上包嗮所有啲用電嚟做嘢嘅人造系統（可以睇埋電機），例如電摩打就涉及靠電嚟產生力矩推喐或者剎停旋轉，並且用呢股力矩嚟做嘢（想像一架遙控車入咗電芯或者叉好電，開掣之後佢個電摩打就識靠電能嚟產生力矩，推喐架車嘅車轆旋轉）。電機工程包括咗：
... 呀噉。電機工程又係有好多機會同第啲工程學合作，例如係燃煤發電廠嘅設計噉，燃煤發電廠係指靠燒煤嚟產生電力嘅發電廠，一講到發電，都實會褦到電力工程，但另一方面，又有研究嘗試思考點樣令燒煤（一種化學反應）嘅過程出少啲空氣污染－即係話掂到化學工程（研究化學反應嘅工程學領域）嘅嘢。
資訊科技泛指靠利用電腦科學同電訊上嘅知識嚟設計、開發、安裝同實施資訊系統同應用軟件，簡單講即係「靠處理資訊嚟達到目的嘅系統」。資訊科技嘅範疇可以包括一啲摸得到嘅系統，例如係數據中心嗰啲一部部嘅電腦同埋係電腦硬件噉；另一方面，資訊科技又包埋一啲摸唔到嘅系統，例如係電腦軟件噉，電腦軟件涉及一柞演算法（教目標做運算嘅指示），可以攞嚟喺電腦（曉做運算嘅機械）嗰度行，令電腦做出想要嘅工作－喺最抽象嘅層面睇，唔同類嘅電腦（廿一世紀初主流用電子電腦，但有人開始研究量子電腦同生物電腦）只要能夠做出同樣嘅運算（例如都識計加減乘除）就行到同一柞演算法。設計呢啲硬件同軟件系統嘅過程都會用到工程學設計過程。
資訊科技包括咗：
... 呀噉。
上述嗰幾個工程領域可以結合：電機工程涉及用電嚟轉換、傳達訊號同埋執行動作（傳感器同執行器），而資訊科技可以攞嚟開發電腦程序嚟控制啲過程，結合埋一齊嘅話，呢啲技術可以做到控制機械人嘅感知，由「感知到乜嘢」計出「跟住落嚟要點郁」，再將呢啲資訊轉做訊號傳達俾部機械人嗰啲執行部件，例如係機械手臂噉，教部機械人要點郁。係噉嘅話，呢啲工作就褦到機械工程（要設計機械手臂等郁得嘅部件）、電子工程（揀啲啱嘅傳感器同埋執行器）同控制理論等等嘅領域。
因為噉，有一啲工程學領域就專門研究機械同電機等嘅呢啲系統要點樣結合：機械電子工程係一門跨學科嘅工程學領域，研究點樣結合力學系統、電機系統同埋電子系統嘅；而機械人學都係一門跨學科領域，專門研究點整機械人嘅，亦都可以算係機械工程、電機工程同埋電腦科學嘅交叉學科。
化學工程，簡稱化工，專門思考工程設計當中用到嘅化學反應，包括思考點樣生產有用嘅化合物。工業上有好多重要嘅生產過程都涉及化學反應，簡單嘅例子有由一啲原材料嗰度做化學反應，整出想要嘅有用材料，淨係呢樣嘢經已可以大把嘢搞－有好多化學反應都係需要喺適當嘅溫度、壓力或者催化劑環境之下先至發生得到嘅，而且就算一場化學反應行到，場反應嘅速率可能都會因為溫度等嘅條件唔啱而唔夠快，唔夠快就表示生產效率會唔夠高；因為噉，化學工程係一門相當專業化嘅領域，專職做化工嘅工程師要好熟識好多種反學化應嘅特性（需要乜環境條件先行到，仲有係啲反應喺乜情況之下行得最快... 呀噉），用呢啲知識嚟幫手設計相關嘅系統。
化工包括咗好幾門嘅子領域：
... 呀噉。
材料科學係專門研究材料嘅一門工程學領域：無論係建築物等嘅結構定係各種嘅機械都好，工程學上研究嗰啲物品都梗係要用某啲材料造嘅；同時，唔同材料嘅特性可以好唔同，例如對比木同鋼呢兩種材料，有研究嘗試用模擬地震，睇吓用木搭出嚟嘅結構同用鋼搭出嚟嘅結構對地震有幾強嘅抵抗力，發現木抵受地震嘅能力勁啲（用木搭出嚟嘅結構要用勁啲嘅模擬地震先至整得冧），所以有研究者主張喺有地震危險嘅地區（美國加州、紐西蘭同日本呀噉），建築物應該多啲用木嚟起；材料科學研究嘅就係唔同材料嘅特性有乜差異，以及係呢啲差異會點影響邊隻材料啱攞嚟做乜嘢用途。
材料科學又係可以分做好幾個子領域：
... 等等。
工程學本質上係一門將科學知識攞嚟做應用嘅領域。
數學研究嘅數量同空間等嘅概念對工程學嚟講都好緊要。工程數學泛指工程學上用嘅數學知識，係工程學教育必備嘅一部份。
物理學係研究宇宙嘅基本定律嘅一門科學領域，包括咗力學（研究力同物體嘅郁動）、電磁學（研究電同磁相關嘅現象）同熱力學（研究熱相關嘅現象）等嘅子領域。物理學嘅知識對現代工程學嚟講不可或缺，工程師要用物理學知識嚟預計一個設計會令系統出現點樣嘅行為，而呢啲知識形成咗所謂嘅工程物理學。
例如係工程學上對鐘嘅研究噉，鐘係指用某啲能量嚟計時間嘅機械，所以整鐘需要有一啲有固定週期（每隔若干時間就會重複一次）嘅物理過程，而 17 至 19 世紀期間好常見嘅擺鐘就用咗簡諧運動呢個古典力學現象嘅原理。根據古典力學上對簡諧運動嘅研究，如果有一個左右兩邊揈嘅鐘擺，只要個鐘擺揈嘅幅度有返咁上下細，個鐘頭嘅週期可以用以下呢條式計：
呢條式講嘅係，週期（T{\displaystyle T}；指個鐘擺每幾耐重複一次擺動）取決於三個數－2π{\displaystyle 2\pi }（圓周率兩倍）、ℓ{\displaystyle \ell }（吊住個鐘擺條繩嘅長度）、同g{\displaystyle g}（標準重力），當中圓周率係常數，g{\displaystyle g}喺地球上會係常數，而ℓ{\displaystyle \ell }要維持不變好容易－即係話一個噉嘅鐘擺嘅週期會係一個恆定不變嘅數值，於是人就可以靠數住個鐘擺擺咗幾多次嚟計時間，例：設計一個鐘，個鐘擺條繩嘅長度ℓ{\displaystyle \ell }設好咗，令個鐘擺會每 1 秒擺一次，如果個鐘擺有用齒輪等機制駁落去一支秒針嗰度，就會做得到用個鐘擺計時嘅效果。
工程學同藝術都有拏褦。
俾人當係工程學嘅領域有陣時會結合埋藝術性質嘅思考，要求設計出嚟嘅嘢有效率（純工程學考量）得嚟又有美感（藝術考量）。當中建築學喺呢方面就好出名：
例如以下呢啲出名建築物都俾好多人覺得佢哋靚－除咗實用嘅工程考量之外，建築師仲有考慮埋棟建築物嘅美感。
有陣時，工程學上嘅創新又可以造就藝術上嘅新發展。例如電子電腦係廿世紀電子工程上嘅一大突破，又引起咗藝術上嘅革新：簡單噉講，電腦係能夠快速噉（快過人手好多）做運算嘅機械，能夠將運算呢家嘢自動化；而電腦嘅出現帶動咗演算法藝術呢門廿世紀新興嘅藝術－演算法藝術指嘅係位藝術家俾一個電腦程式行，並且預個電腦程式會產生一幅作品出嚟－位藝術家會對唔同類型嘅演算法有相當嘅認識，並且用呢啲知識寫電腦程式出嚟，知個電腦程式行咗之後會出一幅圖像，而呢幅圖像係佢有意整而且想要嘅作品，例如下面嗰幅圖就係由位作者所寫嘅程式產生出嚟嘅；理論上，一幅演算法藝術作品可以用人手整－位藝術家喺寫好咗個程式之後查實可以人手噉計數同畫幅作品出嚟，但現實係，稍為複雜啲嘅程式要用人手計會好嘥時間，所以喺實際應用上，演算法藝術冚唪唥都會以電腦程式嘅方式呈現。
除咗演算法藝術之外，「工程學創新造就藝術」嘅另一個出名例子係相機嘅發明令到影相呢門視覺藝術誕生。
工程學呢家嘢自從喺公元前嘅遠古經已存在：
等嘅遠古工程結構，就算到咗廿一世紀初都仲係令好多人覺得讚嘆，當中好似埃及金字塔噉，埃及金字塔當中嘅胡夫金字塔係古代世界七大奇蹟裏面唯一一個仲存在喺世界上嘅，而且就算到咗家陣，啲工程師都仲唔係好明胡夫金字塔到底係點樣起到出嚟嘅，亦都因為噉，胡夫金字塔嘅秘密引起咗好多工程學同考古學上嘅合作研究。
遠古嘅人經已有唔少機械上嘅技術。例如考古證據指，簡單機械當中嘅楔同斜面喺有文字記載嘅歷史打前經已有人喺度用；轆同輪軸就可以追溯到去公元前 5,000 年咁耐嘅兩河流域文明嗰度；槓桿可以追溯到去公元前 3,000 年咁久遠嘅近東，有俾古埃及嘅人攞嚟幫手搬重嘢；轤轆起碼可以追溯到去公元前 2,000 年前咁耐嘅兩河流域文明；而最後一個簡單機械（螺旋）就源於公元前第一個千年嘅兩河流域文明。呢啲簡單機械到咗廿一世紀初都仲受到廣泛嘅採用，亦都成日俾人攞嚟做複雜機械嘅機件嘅一部份。
中世紀廣義上指 5 至 15 世紀嘅時代。喺呢段期間，伊斯蘭世界有咗好多重大嘅發展。例如伊斯蘭世界喺公元 9 世紀創始咗風車，係史上第一部用風力帶動嘅機械。而且喺呢個時代，伊斯蘭世界嘅人仲發明咗紡車（11 世紀初）同凸輪軸（1206 年），當中後者打後仲成為咗蒸氣機同偈嘅重要機件－而呢啲機械對於工業革命（18 世紀尾至 19 世紀初）嚟講不可或缺。
牛頓力學係由牛頓喺 17 世紀期間諗出嚟嘅一個重大創新，可以話係現代工程學嘅其中一個起始點。牛頓力學係一套理論框架，運用咗微分嘅數學概念嚟解析物體嘅郁動，例如好出名嘅牛頓運動定律就係牛頓力學嘅一部份。牛頓力學嘅框架令到工程師能夠用精確嘅數嚟表示物體嘅位置同速度，係現代工程學嘅根基。除此之外，牛頓力學仲助長咗第啲古典物理學理論嘅發展，例如古典電磁學就用咗力同位移等嘅概念嚟分析電荷嘅郁動，帶出咗電流同電壓等嘅概念，而古典電磁學嘅呢啲分析對電機工程嚟講好緊要。
18 世紀尾至 19 世紀初嘅英國出咗一場重大嘅革新－工業革命：工業革命源自英國，及後傳播到去第啲歐洲地區同美國嗰度；喺呢段期間，歐美地區嘅人有咗蒸氣機同偈等嘅重大發明，而呢啲機械令到工業能夠用機械嚟大量噉生產啲貨，有好多工作都唔使再靠人手嚟做；喺經濟上，呢股趨勢大大噉提升咗歐美國家嘅生產力，令啲人嘅生活質素提高；另一方面，社會對「識得處理機械嘅人才」－包括工程師－嘅需求大增，當中美國喺 1850 年嗰時首次將「工程師」列做一個職業，而專業讀工程學畢業嘅人數由 1865 年之前嘅全美國少過 50 個人急升到去 1890 年嘅全美國 6,000 個人，可以話係正式令工程師成為一門專業。到咗今日，工程學經已成為咗一門蓬勃嘅領域，出咗多個子領域，而且呢啲子領域仲要高度專化，好多時都搞到佢哋彼此之間因為各自嘅行話多得滯而溝通唔到。