مهندسی مکانیک
مهندسی مکانیک شاخه‌ای از مهندسی است که فیزیک مهندسی و ریاضیات را با دانش مواد تلفیق نموده و با طراحی، آنالیز، ساخت سیستم‌های مکانیکی سروکار دارد. این رشته کهن‌ترین و گسترده‌ترین علوم مهندسی می‌باشد و به مادر علوم مهندسی‌ شهرت دارد.مهندسی مکانیک نیازمند درک مفاهیمی همانند مکانیک، دینامیک، ترمودینامیک، دانش مواد، آنالیز سازه‌ها و الکتریسیته است.
علاوه بر مفاهیم اصلی فوق، مهندسین مکانیک ابزاری چون طراحی به کمک رایانه ،تولید به کمک رایانه، مدیریت چرخه عمر محصول را برای طراحی و ماشین آلات، سیستم‌های گرمایش و خنک‌کننده، ترابری، هواپیما، شناورها، رباتیک، تجهیزات پزشکی، جنگ‌افزار بکار می‌گیرند
مهندسی مکانیک نخست در طی انقلاب صنعتی در اروپا در قرن ۱۸ میلادی به عنوان یک شاخهٔ مجزا شناخته شد؛ لکن توسعه آن در دنیا طی چندین هزار سال طول کشیده‌است. دانش مهندسی مکانیک در قرن ۱۹ میلادی در نتیجهٔ پیشرفت‌های فیزیک نشأت گرفت. این شاخه به طور پیوسته‌ای تکامل یافته تا پیشرفت‌های فناوری را به‌کار گیرد و امروزه مهندسان مکانیک به دنبال گسترش دانش در رشته‌هایی مانند مواد مرکب، مکاترونیک و نانوتکنولوژی هستند.
مهندسی مکانیک به میزان زیادی هم‌پوشانی‌هایی با مهندسی هوافضا، مهندسی خودرو، مهندسی مکاترونیک، مهندسی برق، مهندسی پزشکی (بیومکانیک)، مهندسی شیمی، مهندسی عمران، مهندسی متالورژی، مهندسی دریا، مهندسی راه‌آهن ، مهندسی رباتیک، مهندسی صنایع، مهندسی معدن، مهندسی نفت و مهندسی مکانیک بیوسیستم دارد.
چند تن از مهندسان مکانیک معروف که پیش از این می‌زیسته‌اند، عبارت‌اند از: کاربرد مهندسی مکانیک را می‌توان در آرشیوهای جوامع مختلف قدیمی و قرون وسطی مشاهده نمود. در دوران کهن، در خاور نزدیک شش ماشین ساده شناخته شده بودند. گُوِه و سطح شیب دار هر دو از ازمنه پیش از تاریخ شناخته شده بودند. چرخ و سازوکار چرخ و محور در هزارهٔ پنجم ق. م در بین‌النهرین (عراق کنونی) اختراع گردید. در حدود ۵ هزار سال پیش سازوکار اهرم در خاور نزدیک برای کاربری در ترازوی ساده، و در مصر برای حرکت دادن اشیاء حجیم به‌وجود آمد. همچنین در حدود …۳ سال ق.م. در بین‌النهرین، اهرم در نخستین جرثقیل به نام شادوف که برای بالا کشیدن آب بکار برده می‌شد، مورد استفاده قرار گرفت. قدیمی‌ترین مدارک در مورد قرقره ها به اوایل هزاره دوم قبل از میلاد در بین‌النهرین برمیگردد.
نخستین ماشینهای کاربردی که با نیروی آب کار می‌کردند یعنی چرخ آبی و آسیاب آبی در سده ۴ ق.م. در امپراتوری ایران در ایران و عراق امروزی، ظاهر شدند. در سنت غرب علم مکانیک تحت نفوذ کارهای ارشمیدس (۲۸۷–۲۱۲ ق. م) در یونان کهن قرار گرفته‌است. در زمان تسلط رومیان بر مصر، نخستین دستگاهی که با نیروی بخار کار می‌کرد بنام آیولیپایل توسط هرون اسکندرانی (حدود ۱۰–۷۰ م) ساخته شد. در چین، ژَنگ هِنگ (۷۸–۱۳۹ م) طرحی پیشرفته تر از ساعت آبی ارائه داده، لرزه سنج را اختراع نمود، و ما جون (۲۰۰–۲۶۵ م) ارابه ای با چرخ دنده‌های دیفرانسیل اختراع نمود. ستاره‌شناس و مهندس چینی سو سانگ (۱۰۲۰–۱۱۰۱ م) در قرون وسطی و دو سده قبل از کاربری چرخ دنگ در ساعتهای اروپائی، یک سازوکار چرخ دنگ را در ساختمان برج ساعت نجومی خود بکار گرفت. وی همچنین مخترع نخستین چرخ زنجیر دورانی برای انتقال نیرو می‌باشد.
در دوران طلایی تمدن اسلامی (سده‌های ۷ تا ۱۵ میلادی)، مخترعین اسلامی تأثیر شایانی بر فن آوری مکانیک گزاردند. یکی از آنان بنام بدیع الزمان ابوالعز بن اسماعیل بن رزازجَزَری کتاب معروف خود را با عنوان «مبانی نظری و عملی مهندسی مکانیک در تمدن اسلامی» در سال۱۲۰۶ نگاشته و طرح‌های مکانیکی فراوانی را ارائه داد. جَزَری همچنین بعنوان نخستین طراح ابزاری همچون میل لنگ و میل بادامک که امروزه اساس سازوکارهای فراوانی می‌باشند، شناخته می‌شود.
سده ۱۷ میلادی شاهد پیشرفتهای مهمی در اصول اساسی مهندسی مکانیک در انگلستان بود. در این سدهآیزاک نیوتن قوانین حرکت نیوتن را ارائه داده حساب دیفرانسیل و انتگرال را بعنوان اساس ریاضیِ علم فیزیک ابداع نمود. در بدو امر نیوتن در چاپ و انتشار کارهای خود مردد بود، لکن، بالاخره چند تن از همکارانش همچون ادموند هالی او را متقاعد به چاپ آثارش نمودند تا جامعه بشری از این آثار بهره‌مند گردد. گوتفرید ویلهلم لایبنیتس نیز بعنوان مبتکر حساب دیفرانسیل و انتگرال در این عصر شناخته شده‌است.
در اوائل انقلاب صنعتی در سده ۱۹، ساخت ماشین ابزار در کشورهای انگلستان، آلمان و اسکاتلند توسعه یافت. این امر باعث شناخته شدن مهندسی مکانیک به عنوان رشتهٔ مجزایی در مهندسی گردید. در پی آمد این گسترش، ماشینهای ساخت و تولید، و انواع موتورها جهت نیرو دادن به این ماشینها به‌وجود آمدند. نخستین انجمن مهندسان مکانیک بنام در ۱۸۴۷ در انگلستان تشکیل گردید. متعاقباً، سی سال بعد، نخستین انجمن حرفه ای همانند بنام توسط مهندسان عمران تشکیل گردید. در قاره اروپا، یوهان فون زیمرمن (۱۸۲۰–۱۹۰۱) نخستین کارخانه ساخت ماشین‌های تراش را در سال ۱۸۴۸ در شهر کمنیتس آلمان برپا نمود.
در ایالات متحده آمریکا، پس از تأسیس انجمن مهندسان عمران آمریکا در سال ۱۸۵۲ و در سال۱۸۷۱، انجمن مهندسان مکانیک آمریکا بعنوان سومین انجمن مهندسی آمریکا در سال ۱۸۸۰ تشکیل گردید. نخستین دانشگاه هائی که در این کشور دوره‌های مهندسی ارائه دادند، عبارت بودند از آکادمی نظامی ایالات متحده آمریکا در سال ۱۸۱۷، دانشگاه نورویچ در سال ۱۸۱۹ و مؤسسه پلی تکنیک رنسلر در سال ۱۸۲۵.
مهندسی مکانیک رشته ای دانشگاهی است که به بررسی تاثیر نیرو بر وضعیت حالت های مختلف ماده می پردازد. اگر ماده، از نوع جامد باشد، اعمال نیرو می تواند سبب حرکت جسم شود و یا سبب تغییر شکل جسم شود. علمی که به بررسی ارتباط نیرو با حرکت می پردازد، دینامیک نام دارد و علمی که به بررسی ارتباط نیرو و تغییر شکل، می پردازد، مقاومت مصالح نام دارد. بنابراین هدف دسته ای از مهندسان مکانیک این است که با استفاده از اصول دینامیک به طراحی، تحلیل و ساخت مکانیزم های مکانیکی، ربات ها و همچنین تحلیل سینماتیکی و دینامیکی انواع ماشین ها بپردازند. بررسی سینماتیک ماشین ها (نظیر محاسبه موقعیت، شتاب و سرعت مکانیزم های مختلف) و دینامیک ماشین ها (نظیر محاسبه نیروهای دینامیکی، وجود نابالانسی و روش های بالانس کردن) از دیگر اهداف مهندسان مکانیک است.، هدف دیگری که در مهندسی مکانیک دنبال می شود، این است که با استفاده از اصول علم مقاومت مصالح دریابد که یک سازه یا ماشین تحت نیروهای اعمال شده، چه طور تغییر شکل می یابد و یا به این سؤال جواب دهد که آیا این جسم، تحت نیروهای اعمال شده، می شکند یا خیر؟ اصولا از آنجا که تحلیل شکست در مواد به خواص درونی آن ها ارتباط دارد، هدف دیگر مهندسان مکانیک فراگیری علم مواد و استفاده از اصول آن برای تحلیل خواص فیزیکی و مکانیکی مواد و تاثیر آن ها در تحمل نیروهای مختلف و همچنین چگونگی فرایندهای ساخت و چگونگی تشکیل آلیاژهای مختلف مواد است.
هدف دیگر مهندسان مکانیک، تحلیل تاثیر نیرو بر حالت های غیر جامد مواد یا سیالات است. به علمی که به تحلیل سینماتیکی و دینامیکی جریان های سیال می پردازد، مکانیک سیالات می گویند. مکانیک سیالات کاربردهای بسیاری دارد. از سیستم های میکروبیولوژی در بدن انسان (خون خود یک سیال است و قلب به مانند یک پمپ عمل می کند.) تا نیروی پیشرانش فضاپیماها به این علم مرتبط می شود. هدف مهندسان مکانیک از تحلیل سیالات این است که بتوانند جریان های داخلی (مانند جریان در لوله های انتقال آب، جریان خون در رگ ها)، جریان های خارجی، (مانند جریان هوا در هواپیما که باعث تعادل آن می شود)، جریان های پتانسیل (مانند جریان هوای مکیده شده توسط جارو برقی)، جریان کانال باز (مانند جریان سیال در رودخانه ها و کانال های انتقال آب)، جریان مافوق صوت (مانند جریان سیال در هواپیماهای مافوق صوت) سیال در حالت ایستا (مانند جریان سیال پشت سدها) و در نهایت ماشین های آبی یا توربوماشین ها (پمپ ها، توربین ها، کمپرسورها و فن ها) را تحلیل کنند.
هدف دیگر مهندسان مکانیک، بررسی ارتباط تغییرات دما با خواص سیالات است که به علم ترمودینامیک مرتبط می شود. علم ترمودینامیک، یکی از بنیادی ترین، قوانین حاکم بر طبیعت است. با استفاده از قوانین اول و دوم ترمودینامیک، می توان بسیاری از سیستم ها رو تحلیل نمود و حتی برای بیشترین کاری که می توان از سیستم گرفت کران مشخص نمود. هدف مهندسان مکانیک از فراگیری علم ترمودینامیک، فراگیری چرخه های گازی (به مانند چرخه های استفاده شده در هواپیماها)، چرخه های بخار (که در نیروگاه های بخار برای تولید برق کاربرد دارند) ، چرخه های تبرید (به مانند یخچال ها و فریزرها)، تحلیل فریند ترکیب گازها، موتورهای احتراق داخلی و تهویه مطبوع (که اصول کار وسایل خنک کننده (مانند کولرهای آبی و گازی) و وسایل گرم کننده (مانند بخاری ها) و همچنین محاسبه بار سرمایش و گرمایش ساختمان را توضیح می دهد.) است.
هدف دیگر مهندسان مکانیک بررسی فرایندهای انتقال حرارت است. فرایندهای انتقال حرارت، عمدتا به سه دسته رسانش، همرفت و تابش تقسیم می شوند. هدف اصلی مهندسان مکانیک از فراگیری این علم، طراحی مبدل های حرارتی (که برای خنک سازی استفاده می شوند.) طراحی عایق حراراتی، طراحی پره های انتقال حرارت با توجه به مکانیزم های اصلی انتقال حرارت است. علم انتقال حرارت، در تهویه مطبوع، تحلیل و بهره برداری از انرژی خورشیدی و مهندسی پزشکی کاربرد بسیاری دارد. معادلات حاکم بر انتقال حرارت رسانش، در حالت پایدار، یک بعدی، دو بعدی، سه بعدی و حالت گذرا، شبیه سازی مسائل انتقال حرارت با مقاومت های حرارتی، روش های عددی برای حل معادله انتقال حرارت رسانایی دوبعدی پایدار، انتقال حرارت رسانش گذرا و روش های عددی برای حل معادلات حاکم بر آن، انتقال حرارت همرفت اجباری در جریان های داخلی و خارجی، انتقال حرارت همرفت آزاد در جریان های خارجی، جوشش و چگالش، انتقال حرارت تشعشعی از مفاهیمی هستند که مهندسان مکانیک در این علم فرا می گیرند.
عموما هنگامی که سیستم های مکانیکی در حالت تعادل قرار نداشته باشند، می توانند حول نقطه تعادل ارتعاش کنند. یکی از اهداف اصلی دیگر مهندسان مکانیک، تحلیل ارتعاشات سیستم های مکانیکی است. ارتعاشات، عمدتا پدیده ای نامطلوب است. مثلا هنگامی که در ماشین نشسته اید، ارتعاشات زیاد ماشین، سبب ناخرسندی و عدم آسایش شما می شود. بنابراین، وظیفه سیستم تعلیق اتومبیل این است که ارتعاشات را تا حد ممکن نرم کند. بنابراین یکی از اهداف اصلی مهندسان مکانیک این است که این ارتعاشات را تحلیل کند و به علمی که این ارتعاش را تحلیل می کند، ارتعاشات مکانیکی می گویند. هدف اصلی مهندسان مکانیک از فراگیری این علم، این است که ارتعاشات را تا حد ممکن با توجه به منبع اصلی آن، نرم کنند. همچنین بسیاری از سیستم های مکانیکی، در صورتی که نیروی تحریک کننده با فرکانس مشخصی به آن وارد شود، دامنه ارتعاشات بسیار بزرگی خواهند داشت و عملا نابود می شوند. (به این فرکانس، فرکانس طبیعی می گویند) . بنابراین یکی دیگر از اهداف علم ارتعاشات این است که ماشین های مکانیکی، طوری طراحی شوند که فرکانس نیروی تحریک، فاصله زیادی از فرکانس طبیعی داشته باشد. (این موضوع در طراحی پل ها، زیردریایی ها، هواپیماها، تیرها و بسیاری از ماشین ها مهم است.) روش های مختلف محاسبه فرکانس های طبیعی سیستم های یک درجه آزادی، ارتعاشات آزاد با میرایی، مدل سازی ارتعاشاتی سیستم ها، ارتعاشات اجباری سیستم های یک درجه آزادی، ارتعاشات گذرای سیستم های یک درجه آزادی و مفهوم ضربه و شاک، ارتعاشات سیستم های چند درجه آزادی، ارتعاشات سیستم های پیوسته، معادلات لاگرانژ برای سیستم های چند درجه آزادی، خواص ارتعاشاتی سیستم های خطی از مفاهیم اصلی این علم است.
هدف دیگر مهندسان مکانیک این است که بتوانند متغیرهای حالت اصلی سیستم خود را به صورت اتوماتیک، دلخواه تغییر دهند و یا سیستم را در هر وضعیتی، به حالت تعادل خود بازگردانند (مثلا یک آونگ). به علمی که این موارد را بررسی می کند، علم کنترل اتوماتیک می گویند. علم کنترل نه تنها در مهندسی مکانیک مهم است، بلکه در بسیاری دیگر از شاخه های مهندسی نظیر برق، هوافضا، شیمی نیز دارای اهمیت است. بررسی پاسخ زمانی سیستم با اعمال کنترلر، محاسبه پایداری سیستم، محاسبه خطای حالت ماندگار، بررسی پاسخ فرکانسی سیستم و طراحی کنترلر از مباحث اصلی این علم است. علم کنترل، در طراحی و ساخت ربات ها، حرکت ربات ها، حفظ تعادل در ربات ها، خودروهای خودران، هدایت و ناوبری، اینترنت اشیاء کاربرد دارد.
تحلیل و طراحی مدارهای الکتریکی آنالوگ نیز، علم دیگری است که به مهندسان مکانیک این توانایی را می دهد که بتوانند، مدارهای تک حلقه، چند حلقه، سه فاز، القاکنایی متقابل، مدارهای ترانزیستوری و دیودی را تحلیل کنند. هدف مهندسان مکانیک، از فراگیری این علم این است که بتوانند کنترلر های مناسبی را با استفاده از مدارهای الکتریکی بسازند.
عموما انرژی الکتریکی و مکانیکی دوگونه انرژی متداول در زندگی بشر هستند و ماشین الکتریکی، وسیله ای است که می تواند این انرژی ها را به یکدیگر تبدیل کند. بنابراین، یکی از اهداف مهندسان مکانیک، طراحی موتورهای الکتریکی، ژنراتورها و ترانسفورماتورها است. و علمی که به مهندسان مکانیک امکان فراگیری اصول تبدیل انرژی های الکتریکی و مکانیکی را فراهم می کند، ماشین های الکتریکی نام دارد.
از دیگر اهداف مهندسان مکانیک، این است که اجزای مکانیکی ماشین ها را طراحی کنند و علم طراحی اجزاء ماشین، علمی است که به طراحی پیچ ها، فنرها، جوش ها، یاتاقان های غلتشی و لغزشی، اجزاء انعطاف پذیر (نظیر تسمه ها و زنجیرها)، ترمزها و کلاچ ها، چرخ طیارها، بادامک و پیرو، کوپلینگ ها و چرخ دنده ها می پردازد.
در شروع آموزش مهندسی در ایران، رشته مکانیک با برق یکی بود و «الکترومکانیک» نامیده می‌شد. اما این دو رشته حدود ۴۵ سال پیش از هم جدا شدند و به مرور رشته‌های دیگری مانند مهندسی شیمی و مواد نیز از مهندسی مکانیک جدا شد؛ ولی با پیشرفت صنعت و نیاز صنایع به تخصص‌های مختلف در این زمینه، از مهندسی مکانیک عمومی دو گرایش «طراحی جامدات» و «حرارت و سیالات» و بعد از آن «ساخت و تولید» بیرون آمد.
این رشته در به کاربردن علوم و تکنولوژی مربوط جهت طرح و محاسبه اجزاء سیستمهایی که اساس کار آنها مبتنی بر تبدیل انرژی ، انتقال حرارت و جرم است به متخصصان کارایی لازم را می‌دهد و آنها را جهت فعالیت در صنایع مختلف مهندسی مکانیک در رشته حرارت و سیالات (نظیر مولدهای حرارتی، انتقال سیال نیروگاه‌های آبی، موتورهای احتراقی و …) آماده می‌سازد. فارغ‌التحصیلان این دوره قادر به طراحی و محاسبه اجزا و سیستمها در بخشهای عمده‌ای از صنایع نظیر صنایع خودروسازی، نیروگاه‌های حرارتی و آبی، صنایع غذایی، نفت، ذوب فلزات و غیره هستند.
فارغ‌التحصیلان مهندسی مکانیک گرایش حرارت و سیالات می‌توانند تا مقطع کارشناسی ارشد و دکتری در داخل یا خارج از کشور ادامه تحصیل دهند. داوطلبان این رشته باید در دروس ریاضی و فیزیک تسلط داشته و با یک زبان خارجی آشنا باشند. دروس این رشته شامل مطالبی در زمینه‌های حرارت و سیالات، می‌باشد.
هدف از این گرایش مهندسی مکانیک، متخصصانی است که بتوانند در مراکز تولید و کارخانه‌ها اجزاء و مکانیزم ماشین‌آلات مختلف را طراحی کنند. دروس این گرایش شامل دروس نظری، آزمایشگاهی، کارگاه و پروژه و کارآموزی است. فارغ‌التحصیلان مهندسی مکانیک گرایش جامدات می‌توانند در کارخانجات مختلف نظیر خودروسازی، صنایع نفت، ذوب فلزات، قطع سازی‌ها، صنایع غذایی و غیره مشغول شوند و برای این گرایش امکان ادامه تحصیل تا سطح کارشناسی ارشد و دکتری در داخل یا خارج از کشور وجود دارد. موفقیت داوطلبان به آگاهی آنها در دروس جبر و مثلثات، هندسه، جبر خطی، معادلات دیفرانسیل، تحلیل عددی فیزیک و مکانیک همچنین آشنایی و تسلط آنان به زبان خارجی بستگی فراوان دارد. از جمله دروس این دوره می‌توان دروس ریاضیات مهندسی، محاسبات عددی، مقاومت مصالح، طراحی و دینامیک و کنترل و ارتعاشات و دینامیک ماشین و استاتیک، طراحی اجزا، طراحی قالب و هیدرولیک را نام برد. در این رشته زمینه اشتغال و بازارکار خوب وجود دارد و مطالب ارائه شده در طول تحصیل برای دانشجویان محسوس و قابل لمس است و نیاز به توانایی حل مسئله و کار به کمک نرم افزای کامپیوتری دارد.
هدف تربیت کارشناسانی است که با به کاربردن تکنولوژی مربوط به ابزارسازی، ریخته‌گری، جوشکاری، فرم دادن فلزات، طرح کارگاه یا کارخانه‌های تولیدی آماده کار در زمینه ساخت و تولید ماشین‌آلات صنایع (کشاورزی، نظامی، ماشین‌سازی، ابزارسازی، خودروسازی و …) باشند. فارغ‌التحصیلان مهندسی مکانیک گرایش ساخت و تولید قادر خواهند بود در صنایعی مانند ماشین‌سازی، ابزارسازی، خودروسازی، صنایع کشاورزی، صنایع هوایی و تسلیحاتی به ساخت و تولیدی ماشین‌آلات، طراحی کارگاه یا کارخانه تولیدی بپردازند و نظارت و بهره‌برداری و اجرای صحیح طرحها را عهده‌دار شوند. داوطلبان این گرایش باید در دروس ریاضی، فیزیک و مکانیک از آگاهی کافی برخوردار باشند. دروس مهندسی مکانیک گرایش ساخت وتولید شامل مطالبی در مورد نحوه تولید، طراحی قالبهای پرس، طراحی قید و بندها، کار و برنامه‌ریزی با ماشینهای اتوماتیک، اصول کلی و نحوه کار با ماشینهای دستی و تعمیر و نصب تمام سرویسهای صنعتی می‌باشد و درصد نسبتاً بالایی از آنها به صورت عملی ارائه می‌گردد. داوطلب باید سالم باشد تا بتواند کارهای کارگاهی را به خوبی انجام دهد و استعداد کارهای فنی را داشته باشد. با توجه به خودکفایی صنایع کشور این رشته دارای بازار کار خوبی است.
زمینه‌های فعالیّت مهندسی مکانیک به‌طور جامع‌تر عبارت‌اند از:
در زمینهٔ طراحی:
در زمینهٔ تحلیل:
در زمینهٔ آزمایش:' در زمینه فرایندهای ساخت و تولید: زمینه‌های نوین:
چشم‌انداز شغلی مهندسان مکانیک، امیدبخش و با استحکام است. برای مثال، در ایالات متحد آمریکا، رشد شغل‌ها و حرفه‌های مربوط به مهندسی مکانیک، هر سال حدود ۱۶٪ (۳۵ هزار شغل) است و انتظار می‌رود این آهنگ رشد تا سال‌های آینده حفظ شود. مهندسان مکانیک از روزگاران گذشته تا به امروز، اغلب در بخش‌های صنعتی زیر نقش عمده‌ای ایفا می‌کنند: هوا فضا، خودروسازی، واحدهای شیمیایی، فناوری نانو، رایانه و الکترونیک، ساختمان‌سازی، انواع فراورده‌های مصرفی، انرژی، رباتیک، مشاوره مهندسی و بخش‌های دولتی. هم‌چنین صنعت پزشکی و داروسازی، فرصت‌های شغلی هیجان‌انگیزی را برای مهندسان مکانیک به وجود آورده‌اند تا نیروها و دانش‌های زیستی را در هم بیامیزند. همچنین فرصت شغلی این رشته در ایران نسبت به رشته‌های دیگر بسیار مناسب است.