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Ingeniería Mecánica

Diversos componentes de máquinas utilizados en ingeniería mecánica La ingeniería mecánica es el estudio de máquinas y mecanismos físicos que pueden involucrar fuerza y ​​movimie...

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Diversos componentes de máquinas utilizados en ingeniería mecánica

La ingeniería mecánica es el estudio de máquinas y mecanismos físicos que pueden involucrar fuerza y ​​movimiento. Es una rama de la ingeniería que combina principios de física y matemáticas de la ingeniería con la ciencia de los 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 la comprensión de áreas fundamentales como la mecánica , la dinámica , la termodinámica , la ciencia de los materiales , el diseño , el análisis estructural , la electrónica y la electricidad . Además de estos principios básicos, los ingenieros mecánicos utilizan herramientas como el diseño asistido por computadora (CAD), la fabricación asistida por computadora (CAM), la ingeniería asistida por computadora (CAE) y la gestión del ciclo de vida del producto para diseñar y analizar plantas de fabricación , equipos y maquinaria industrial , sistemas de calefacción y refrigeración , sistemas de transporte , vehículos de motor , aeronaves , embarcaciones , robótica , dispositivos médicos , armas y otros. [ 2 ] [ 3 ]

La ingeniería mecánica surgió como disciplina durante la Revolución Industrial en Europa en el siglo XVIII; sin embargo, su desarrollo se remonta a miles de años atrás en todo el mundo. En el siglo XIX, los avances en física impulsaron el desarrollo de la ciencia de la ingeniería mecánica. Esta disciplina ha evolucionado continuamente para incorporar nuevos avances; hoy en día, los ingenieros mecánicos trabajan en áreas como los materiales compuestos , la mecatrónica y la nanotecnología . También se solapa, en diversos grados, 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 ingeniería. 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.

Historia

La aplicación de la ingeniería mecánica se puede observar 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 ] Varias fuentes, principalmente antiguas, atribuyen a la civilización mesopotámica la invención de la rueda. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Sin embargo, algunas fuentes recientes sugieren que fue inventada de forma independiente tanto en Mesopotamia como en Europa del Este , o atribuyen la invención de la rueda a los europeos del Este prehistóricos. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] El mecanismo de palanca apareció por primera vez hace unos 5000 años en el Cercano Oriente, donde se utilizó en una balanza simple , [ 12 ] y para mover objetos grandes en la tecnología del antiguo Egipto . [ 13 ] La palanca también se utilizó en el dispositivo de elevación de agua shadoof , la primera máquina grúa , que apareció en Mesopotamia alrededor del 3000 a. C. [ 12 ] La evidencia más antigua de poleas se remonta a Mesopotamia a principios del segundo milenio a. C. [ 14 ]

El Saqiyah se desarrolló en el Reino de Kush durante el siglo IV a. C. Se basaba en la fuerza animal, reduciendo la necesidad de energía humana. [ 15 ] En Kush se construyeron embalses en forma de Hafirs para almacenar agua y mejorar el riego. [ 16 ] En Meroe se construyeron hornos de fundición y altos hornos durante el siglo VII a . C. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Los relojes de sol kushitas aplicaban matemáticas en forma de trigonometría avanzada. [ 21 ] [ 22 ]

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. [ 23 ] En la antigua Grecia , las obras de Arquímedes (287-212 a. C.) influyeron en la mecánica de la tradición occidental. El mecanismo de engranajes de Anticitera fue una computadora analógica inventada alrededor del siglo II a. C. [ 24 ]

En el Egipto romano , Herón de Alejandría (c. 10-70 d. C.) creó el primer dispositivo impulsado por vapor ( Eolípila ). [ 25 ] 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 chino medieval Su Song (1020-1101 d. C.) incorporó un mecanismo de escape en su torre de reloj astronómica dos siglos antes de que se encontraran dispositivos de escape en los relojes medievales europeos. También inventó el primer sistema de transmisión de potencia por cadena sin fin conocido en el mundo . [ 26 ]

La desmotadora de algodón se inventó en la India en el siglo VI d. C., [ 27 ] y la rueca se inventó en el mundo islámico a principios del siglo XI, [ 28 ] Las desmotadoras de doble rodillo aparecieron en la India y China entre los siglos XII y XIV. [ 29 ] La desmotadora de rodillos con engranaje helicoidal apareció en el subcontinente indio durante la primera época del Sultanato de Delhi , entre los siglos XIII y XIV. [ 30 ]

Durante la Edad de Oro del Islam (siglos VII al XV), los inventores musulmanes realizaron contribuciones notables en el campo de la tecnología mecánica. Al-Jazari , uno de ellos, escribió su famoso Libro del Conocimiento de los Ingeniosos Dispositivos Mecánicos en 1206 y presentó numerosos diseños mecánicos. [ 31 ]

En el siglo XVII, se produjeron importantes avances en los fundamentos de la ingeniería mecánica en Inglaterra y el continente europeo . El matemático y físico neerlandés Christiaan Huygens inventó el reloj de péndulo en 1657, el primer cronómetro fiable en casi 300 años, y publicó una obra dedicada al diseño de relojes y a la teoría que los sustentaba. [ 32 ] [ 33 ] En Inglaterra, Isaac Newton formuló sus leyes del movimiento 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 fue persuadido por sus colegas, como Edmond Halley . A Gottfried Wilhelm Leibniz , quien anteriormente había diseñado una calculadora mecánica , también se le atribuye el desarrollo del cálculo durante el mismo período. [ 34 ]

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 independiente dentro de la ingeniería. Trajeron consigo máquinas de fabricación y los motores para impulsarlas. [ 35 ] La primera sociedad profesional británica de ingenieros mecánicos se formó en 1847, la Institution of Mechanical Engineers , treinta años después de que los ingenieros civiles formaran la primera sociedad profesional de este tipo, la Institution of Civil Engineers . [ 36 ] En el continente europeo , Johann von Zimmermann (1820–1901) fundó la primera fábrica de máquinas rectificadoras en Chemnitz , Alemania, en 1848.

En Estados Unidos , la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) se fundó 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). [ 37 ] Las primeras escuelas en Estados Unidos en ofrecer educación en ingeniería fueron la Academia Militar de Estados Unidos en 1817, una institución ahora conocida como Universidad de Norwich en 1819, y el Instituto Politécnico Rensselaer en 1825. La educación en ingeniería mecánica se ha basado históricamente en una sólida base en matemáticas y ciencias. [ 38 ]

Educación

Un laboratorio de enseñanza de ingeniería mecánica en la Universidad Estatal de Ohio , c. 1900.

Las titulaciones en ingeniería mecánica se ofrecen en diversas universidades de todo el mundo. Los programas de ingeniería mecánica suelen durar entre cuatro y cinco años, dependiendo del lugar y la universidad, y dan como resultado una licenciatura en ingeniería (B.Eng. o BE), licenciatura en ciencias (B.Sc. o BS), licenciatura en ingeniería científica (B.Sc.Eng.), licenciatura en tecnología (B.Tech.), licenciatura en ingeniería mecánica (BME) o licenciatura en ciencias aplicadas (BASc.), en ingeniería mecánica o con especialización en esta área. En España, Portugal y la mayor parte de Sudamérica, donde no se han adoptado los programas BS ni B.Tech., la denominación formal del título es "Ingeniero Mecánico" y el plan de estudios se basa en cinco o seis años de formación. En Italia, el plan de estudios se basa en cinco años de educación y formación, pero para obtener la titulación de Ingeniero es necesario aprobar un examen estatal al finalizar los estudios. En Grecia, el plan de estudios se basa en un programa de cinco años. [ 39 ]

En Estados Unidos, la mayoría de los programas de ingeniería mecánica de pregrado 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. [ 40 ] Los programas de ingeniería mecánica en Canadá están acreditados por la Junta de Acreditación de Ingeniería Canadiense (CEAB), [ 41 ] 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 denominación similar, aunque existe un número creciente de especializaciones. El título requiere cuatro años de estudio a tiempo completo. Para garantizar la calidad de los títulos de ingeniería, Engineers Australia acredita los títulos otorgados por universidades australianas de acuerdo con el Acuerdo 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. [ 42 ] Sistemas similares también están presentes en Sudáfrica y son supervisados ​​por el Consejo de Ingeniería de Sudáfrica (ECSA).

En India , para ser ingeniero, se necesita un título de ingeniería como B.Tech. o BE, un diploma en ingeniería o completar un curso en un oficio de ingeniería como ajustador en un Instituto de Formación Industrial (ITI) para obtener un "Certificado de Oficio ITI" y también aprobar el Examen de Oficios de Toda la India (AITT) en un oficio de ingeniería realizado por el Consejo Nacional de Formación Profesional (NCVT), mediante el cual se otorga un "Certificado Nacional de Oficio". Un sistema similar se utiliza en Nepal. [ 43 ]

Algunos ingenieros mecánicos continúan sus estudios 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 los títulos de ingeniero pueden incluir o no investigación . El Doctorado en Filosofía incluye un componente de investigación significativo y a menudo se considera el punto de entrada al mundo académico. [ 44 ] El título de ingeniero existe en algunas instituciones como un nivel intermedio entre la maestría y el doctorado.

Trabajos del curso

Los estándares establecidos por la sociedad de acreditación de cada país tienen como objetivo brindar uniformidad en el contenido fundamental, promover la competencia entre los ingenieros graduados y mantener la confianza en la profesión de ingeniería en su conjunto. Los programas de ingeniería en los EE. UU., por ejemplo, deben demostrar, según ABET, que sus estudiantes pueden "trabajar profesionalmente tanto en sistemas térmicos como mecánicos". [ 45 ] Sin embargo, los cursos específicos requeridos para graduarse pueden variar de un programa a otro. Las universidades e institutos tecnológicos a menudo combinan varias materias en una sola clase o dividen una materia en varias clases, dependiendo del profesorado 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 puedan 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, incluido cálculo, y conceptos matemáticos avanzados como 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 , vibraciones, óptica y otros, si no existe un departamento independiente para estas materias. [ 48 ]

La mayoría de los programas de ingeniería mecánica también requieren diversas cantidades de investigación o proyectos comunitarios para adquirir experiencia práctica en la resolución de problemas. En Estados Unidos, es común que los estudiantes de ingeniería mecánica realicen una o más pasantías durante sus estudios, aunque esto no suele ser obligatorio por parte de la universidad. La educación cooperativa es otra opción. La investigación exige componentes de estudio que fomenten la creatividad y la innovación del estudiante. [ 49 ]

funciones del puesto

Los ingenieros mecánicos investigan, diseñan, desarrollan, construyen y prueban dispositivos mecánicos y térmicos, incluyendo herramientas, motores y máquinas.

Los ingenieros mecánicos suelen realizar las siguientes tareas:

  • Analizar los problemas para ver cómo los dispositivos mecánicos y térmicos podrían ayudar a resolverlos.
  • Diseñar o rediseñar dispositivos mecánicos y térmicos utilizando análisis y diseño asistido por ordenador.
  • Desarrollar y probar prototipos de los dispositivos que diseñan.
  • Analizar los resultados de las pruebas y modificar el diseño según sea necesario.
  • Supervisar el proceso de fabricación del dispositivo.
  • Gestionar un equipo de profesionales en campos especializados como el dibujo y diseño mecánico, la creación de prototipos, la impresión 3D y/o la especialización en máquinas CNC.

Los ingenieros mecánicos diseñan y supervisan la fabricación de numerosos productos, desde dispositivos médicos hasta baterías. También diseñan máquinas generadoras de energía, como generadores eléctricos, motores de combustión interna y turbinas de vapor y gas, así como máquinas consumidoras de energía, como sistemas de refrigeración y aire acondicionado.

Al igual que otros ingenieros, los ingenieros mecánicos utilizan ordenadores para ayudar a crear y analizar diseños, realizar simulaciones y probar cómo es probable que funcione una máquina.

Licencia y regulación

Los ingenieros pueden obtener una licencia estatal, provincial o nacional. El objetivo de este proceso es garantizar que posean los conocimientos técnicos, la experiencia práctica y el conocimiento del marco legal local necesarios para ejercer la ingeniería a nivel profesional. Una vez certificados, reciben el título de Ingeniero Profesional (en EE. UU., Canadá, Japón, Corea del Sur, Bangladesh y Sudáfrica). En el Reino Unido, Irlanda, India y Zimbabue se utiliza el título de Ingeniero Colegiado , al igual que en Australia y Nueva Zelanda el de Ingeniero Profesional Colegiado o Ingeniero Europeo (en gran parte de la Unión Europea).

En Estados Unidos, para obtener la licencia de Ingeniero Profesional (PE), un ingeniero debe aprobar el examen integral FE (Fundamentos de Ingeniería), trabajar un mínimo de 4 años como Ingeniero Interno (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 están establecidos por 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 Estados Unidos.

En Australia (Queensland y Victoria), un ingeniero debe estar registrado como Ingeniero Profesional en el estado donde ejerce, por ejemplo, Ingeniero Profesional Registrado de Queensland o Victoria, RPEQ o RPEV, respectivamente.

En el Reino Unido, los graduados actuales necesitan un título de BEng más una maestría apropiada o una maestría integrada MEng , un mínimo de 4 años de desarrollo de competencias laborales posteriores a la graduación y un informe de proyecto revisado por pares para convertirse en Ingeniero Mecánico Colegiado (CEng, MIMechE) a través de la Institución de Ingenieros Mecánicos . El CEng MIMechE también se puede obtener mediante una ruta de examen administrada por el City and Guilds of London Institute . [ 50 ]

En la mayoría de los países desarrollados, ciertas tareas de ingeniería, como el diseño de puentes, centrales eléctricas y plantas químicas, deben ser aprobadas por un ingeniero profesional o un ingeniero colegiado . «Solo un ingeniero colegiado, 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». [ 51 ] Este requisito puede estar incorporado en la legislación estatal y provincial, como en las provincias canadienses, por ejemplo, en la Ley de Ingeniería de Ontario o Quebec. [ 52 ]

En otros países, como el Reino Unido, no existe una legislación de este tipo; sin embargo, prácticamente todos los organismos certificadores mantienen un código de ética independiente de la legislación, que esperan que todos los miembros cumplan o se arriesguen a ser expulsados. [ 53 ]

Estadísticas salariales y de la fuerza laboral

El número total de ingenieros empleados en EE. UU. en 2015 era de aproximadamente 1,6 millones. De estos, 278.340 eran ingenieros mecánicos (17,28 %), la disciplina más numerosa. [ 54 ] En 2012, el ingreso anual medio de los ingenieros mecánicos en la fuerza laboral de EE. UU. era de 80.580 dólares. El ingreso medio era más alto cuando trabajaban para el gobierno (92.030 dólares) y más bajo en el sector educativo (57.090 dólares). [ 55 ] En 2014, se proyectó que el número total de empleos de ingeniería mecánica crecería un 5 % durante la próxima década. [ 56 ] A partir de 2009, el salario inicial promedio era de 58.800 dólares con una licenciatura. [ 57 ]

Subdisciplinas

El campo de la ingeniería mecánica puede considerarse como un conjunto de diversas disciplinas científicas. A continuación, se enumeran varias de estas subdisciplinas, que suelen impartirse a nivel de pregrado, 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 combinan la ingeniería mecánica con una o más disciplinas. La mayor parte del trabajo de un ingeniero mecánico utiliza habilidades y técnicas de varias de estas subdisciplinas, así como de subdisciplinas especializadas. Las subdisciplinas especializadas, tal como se utilizan en este artículo, suelen ser objeto de estudios de posgrado o formación en el puesto de trabajo, más que de investigación de pregrado. En esta sección se analizan varias subdisciplinas especializadas.

Mecánica

El círculo de Mohr , una herramienta común para estudiar las tensiones en un elemento mecánico.

La mecánica es, en el sentido más general, el estudio de las fuerzas y su efecto sobre la materia . Típicamente, la mecánica de la ingeniería se utiliza para analizar y predecir la aceleración y la deformación (tanto elástica como plástica ) de los objetos bajo fuerzas conocidas (también llamadas cargas) o tensiones . Las subdisciplinas de la mecánica incluyen:

  • Estática , el estudio de cuerpos inmóviles sometidos a cargas conocidas, cómo las fuerzas afectan a los cuerpos estáticos.
  • La dinámica es el estudio de cómo las fuerzas afectan a los cuerpos en movimiento. Incluye la cinemática (sobre el movimiento, la velocidad y la aceleración) y la cinética (sobre las fuerzas y las aceleraciones resultantes).
  • Mecánica de materiales , el estudio de cómo se deforman diferentes materiales bajo diversos tipos de tensión.
  • Mecánica de fluidos , el estudio de cómo reaccionan los fluidos a las fuerzas [ 58 ]
  • La cinemática es el estudio del movimiento de los cuerpos (objetos) y los sistemas (grupos de objetos), sin tener en cuenta las fuerzas que lo provocan. Se utiliza frecuentemente en el diseño y análisis de mecanismos .
  • Mecánica de medios continuos , un método de aplicación de la mecánica que supone que los objetos son continuos (en lugar de discretos ).

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, la estática podría emplearse para diseñar el chasis, con el fin de evaluar dónde se concentrarán las tensiones. La dinámica podría utilizarse al diseñar el motor del automóvil, para evaluar las fuerzas en los pistones y las levas durante el ciclo de funcionamiento. La mecánica de materiales podría emplearse para seleccionar los materiales adecuados para el chasis y el motor. La mecánica de fluidos podría utilizarse para diseñar un sistema de ventilación para el vehículo (véase HVAC ) o para diseñar el sistema de admisión del motor.

Mecatrónica y robótica

La mecatrónica combina mecánica y electrónica. Es una rama interdisciplinaria de la ingeniería mecánica, eléctrica y de software que integra la ingeniería eléctrica y mecánica para crear sistemas de automatización híbridos. De esta forma, las máquinas pueden automatizarse mediante el uso de motores eléctricos , servomecanismos y otros sistemas eléctricos, junto con software especializado. Un ejemplo común de 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 a bits . El software integrado controla el proceso y comunica el contenido del CD al ordenador.

La robótica es la aplicación de la mecatrónica para crear robots, que se utilizan frecuentemente en la industria para realizar tareas peligrosas, desagradables o repetitivas. Estos robots pueden ser de cualquier forma y tamaño, pero todos están preprogramados e interactúan físicamente con el entorno. Para crear un robot, un ingeniero suele emplear la cinemática (para determinar su rango de movimiento) y la mecánica (para determinar las tensiones internas del robot).

Los robots se utilizan ampliamente en la ingeniería de automatización industrial. Permiten a las empresas ahorrar en mano de obra, realizar tareas demasiado peligrosas o que requieren demasiada precisión para que los humanos las realicen de forma rentable, y garantizar una mejor calidad. Muchas empresas emplean líneas de montaje robóticas, especialmente en la industria automotriz, y algunas fábricas están tan robotizadas que pueden funcionar de forma autónoma . Fuera de la fábrica, los robots se han empleado en la desactivación de bombas, la exploración espacial y muchos otros campos. También se venden robots para diversas aplicaciones residenciales, desde el ocio hasta el uso doméstico. [ 59 ]

Análisis estructural

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 repararlos y mejorar su rendimiento. Las fallas estructurales se producen en dos modos generales: falla estática y falla por fatiga. La falla estructural estática ocurre cuando, al ser sometido a carga (aplicación de una fuerza), el objeto analizado se rompe o se deforma plásticamente , según el 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 se produce debido a imperfecciones en el objeto: una grieta microscópica en la superficie del objeto, por ejemplo, crecerá ligeramente con cada ciclo (propagación) hasta que sea lo suficientemente grande como para causar la falla final . [ 60 ]

Sin embargo, el fallo no se define simplemente como la rotura de una pieza, sino como su mal funcionamiento. Algunos sistemas, como las secciones superiores perforadas de ciertas bolsas de plástico, están diseñados para romperse. Si estos sistemas no se rompen, se puede recurrir al análisis de fallos para determinar la causa.

Los ingenieros mecánicos suelen utilizar el análisis estructural después de que se ha producido una falla o al diseñar para prevenirla. A menudo, recurren a documentos y libros en línea, como los publicados por ASM [ 61 ], para determinar el tipo de falla y sus posibles causas.

Una vez aplicada la teoría a un diseño mecánico, a menudo se realizan pruebas físicas para verificar los resultados calculados. El análisis estructural puede utilizarse en la oficina para el diseño de piezas, en el campo para analizar piezas defectuosas o en laboratorios donde las piezas se someten a pruebas de fallo controladas.

Termodinámica e ingeniería térmica

La termodinámica es una ciencia física que se ocupa del calor, el trabajo, la energía y las propiedades físicas de la materia. [ 62 ] Se utiliza en varias ramas de la ingeniería, incluidas la ingeniería mecánica y la química. La termodinámica aplicada a la ingeniería se centra en los sistemas que transforman la energía de una forma a otra.

En términos más generales, la ingeniería térmica combina la termodinámica y la ciencia de los fenómenos de transporte para estudiar la transferencia de calor , la combustión y el flujo de fluidos compresibles en sistemas de ingeniería. Los ingenieros mecánicos utilizan la ingeniería térmica para diseñar equipos como motores , centrales eléctricas , intercambiadores de calor , disipadores de calor , radiadores , refrigeradores , aislamiento y sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado ( HVAC ). [ 63 ]

Por ejemplo, los motores de los automóviles convierten la energía química del combustible ( entalpía ) en calor y, posteriormente, en el trabajo mecánico que hace girar las ruedas. Un ingeniero mecánico buscará un diseño de motor que maximice la fracción de la energía química inicial que se convierte en trabajo mecánico, en lugar de perderse en forma de calor o fricción. Un diseño ideal se aproximaría a la eficiencia de Carnot . (De hecho, Sadi Carnot fue un ingeniero militar francés).

Diseño y dibujo técnico

Modelo CAD de un sello mecánico doble

El dibujo técnico es el medio por el cual los ingenieros mecánicos diseñan productos y crean instrucciones para la fabricación de piezas. Un dibujo técnico puede ser un modelo informático o un esquema dibujado a mano que muestre todas las dimensiones necesarias para fabricar una pieza, así como notas de montaje, una lista de materiales necesarios y otra información pertinente. [ 64 ] Un ingeniero mecánico o trabajador cualificado estadounidense que crea dibujos técnicos puede ser denominado dibujante técnico. Históricamente, el dibujo técnico ha sido un proceso bidimensional, pero los programas de diseño asistido por ordenador (CAD) ahora permiten al diseñador crear en tres dimensiones.

Las instrucciones para la fabricación de una pieza deben introducirse en la maquinaria necesaria, ya sea manualmente, mediante instrucciones programadas o utilizando un programa de fabricación asistida por ordenador (CAM) o un programa combinado CAD/CAM. Opcionalmente, un ingeniero también puede fabricar una pieza manualmente utilizando los planos técnicos. Sin embargo, con la llegada de la fabricación mediante control numérico computarizado (CNC), ahora es posible fabricar piezas sin necesidad de la intervención constante de un técnico. Las piezas fabricadas manualmente suelen consistir en recubrimientos por pulverización , acabados superficiales y otros procesos que no pueden realizarse de forma económica ni práctica con una máquina.

El dibujo técnico se utiliza en casi todas las subdisciplinas de la ingeniería mecánica, así como en muchas otras ramas de la ingeniería y la arquitectura. Los modelos tridimensionales creados con software CAD también se utilizan habitualmente en el análisis de elementos finitos (FEA) y la dinámica de fluidos computacional (CFD).

Herramientas modernas

Vista oblicua de un cigüeñal de cuatro cilindros en línea con pistones.

Paquetes de software asistidos por computadora

Muchas empresas de ingeniería mecánica, especialmente en países industrializados, han incorporado programas de ingeniería asistida por computadora (CAE) a sus procesos de diseño y análisis, incluyendo el diseño asistido por computadora (CAD) con modelado sólido en 2D y 3D . Este método ofrece numerosas ventajas, como una visualización más sencilla y completa de los productos, la posibilidad de crear ensamblajes virtuales de piezas y la facilidad de uso para diseñar interfaces de acoplamiento y tolerancias.

Otros programas CAE comúnmente utilizados por los ingenieros mecánicos incluyen herramientas de gestión del ciclo de vida del producto (PLM) y herramientas de análisis para realizar simulaciones complejas. Estas herramientas de análisis permiten predecir la respuesta del producto a las cargas previstas, incluyendo la vida útil a la fatiga y la facilidad de fabricación. Entre ellas se encuentran el análisis de elementos finitos (FEA), la dinámica de fluidos computacional (CFD) y la fabricación asistida por ordenador (CAM).

Watts Link diseñado por CAD para el buggy CSULA Baja SAE

Mediante programas CAE, un equipo de diseño mecánico puede iterar el proceso de diseño de forma rápida y económica para desarrollar un producto que cumpla mejor con los requisitos de costo, rendimiento y otras limitaciones. No es necesario crear un prototipo físico hasta que el diseño esté casi terminado, lo que permite evaluar cientos o miles de diseños, en lugar de solo unos pocos. Además, los programas de análisis CAE pueden modelar fenómenos físicos complejos que no se pueden resolver manualmente, como la viscoelasticidad , el contacto complejo entre piezas o los flujos no newtonianos .

A medida que la ingeniería mecánica se fusiona con otras disciplinas, como se observa en la mecatrónica , la optimización del diseño multidisciplinario (MDO) se utiliza junto con otros programas CAE para automatizar y mejorar el proceso de diseño iterativo. Las herramientas MDO se integran con los procesos CAE existentes, lo que permite que la evaluación del producto continúe incluso después de que el analista finalice su jornada laboral. Además, emplean algoritmos de optimización sofisticados para explorar de forma más inteligente los posibles diseños, encontrando a menudo soluciones mejores e innovadoras para problemas de diseño multidisciplinario complejos.

Plataformas bajo demanda para expertos externos en análisis de elementos finitos (FEA).

Los equipos de ingeniería pueden acceder a expertos externos en análisis de elementos finitos (FEA) a través de plataformas bajo demanda. Al enviar entradas de proyecto estructuradas, como archivos de entrada CAD o FEA, casos de carga, condiciones de contorno y entregables deseados, los usuarios reciben cotizaciones instantáneas y se conectan con ingenieros de simulación precalificados. Los proveedores gestionan todo el flujo de trabajo de forma remota, a menudo ejecutando simulaciones en infraestructura basada en la nube y GPU para acelerar el tiempo de respuesta, que puede ser significativamente más rápido que los sistemas internos basados ​​en CPU. [ 65 ] [ 66 ] Este modelo ofrece escalabilidad, acceso a dominios de simulación especializados como CFD o multifísica, y evita las demoras, la carga de licencias y los costos generales de los ciclos de adquisición tradicionales. Es particularmente valioso para equipos más pequeños que operan con plazos ajustados o capacidad interna limitada.

Áreas de investigación

Los ingenieros mecánicos están constantemente ampliando los límites de lo físicamente posible para producir máquinas y sistemas mecánicos más seguros, económicos y eficientes. A continuación se enumeran algunas tecnologías de vanguardia en ingeniería mecánica (véase también ingeniería exploratoria ).

Sistemas microelectromecánicos (MEMS)

Los componentes mecánicos a escala micrométrica, como resortes, engranajes y dispositivos de transferencia de fluidos y calor, se fabrican a partir de diversos materiales de sustrato, como silicio, vidrio y polímeros como el SU8 . Ejemplos de componentes MEMS son los acelerómetros que se utilizan como sensores de airbags en automóviles, los teléfonos móviles modernos, los giroscopios para posicionamiento preciso y los dispositivos microfluídicos empleados en aplicaciones biomédicas.

Soldadura por fricción-agitación (FSW)

La soldadura por fricción-agitación, un nuevo tipo de soldadura , fue descubierta en 1991 por el Instituto de Soldadura (TWI). Esta innovadora técnica de soldadura en estado estacionario (sin fusión) une materiales que antes no se podían soldar, incluyendo varias aleaciones de aluminio . Desempeña un papel importante en la construcción futura de aviones, pudiendo reemplazar los remaches. Entre los usos actuales de esta tecnología se incluyen la soldadura de las juntas del tanque externo principal de aluminio del Transbordador Espacial, el Vehículo Tripulado Orion, los Vehículos de Lanzamiento Desechables Boeing Delta II y Delta IV y el cohete SpaceX Falcon 1, el blindaje para buques de asalto anfibio y la soldadura de las alas y los paneles del fuselaje del nuevo avión Eclipse 500 de Eclipse Aviation, entre una gama cada vez mayor de aplicaciones. [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]

Materiales compuestos

Tejido compuesto formado por fibra de carbono tejida

Los materiales compuestos son combinaciones de materiales que ofrecen características físicas diferentes a las de cada material por separado. La investigación en materiales compuestos dentro de la ingeniería mecánica se centra generalmente en el diseño (y, posteriormente, la búsqueda de aplicaciones) de materiales más resistentes o rígidos, a la vez que se intenta reducir el peso , la susceptibilidad a la corrosión y otros factores indeseables. Los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono, por ejemplo, se han utilizado en aplicaciones tan diversas como naves espaciales y cañas de pescar.

Mecatrónica

La mecatrónica es la combinación sinérgica de la ingeniería mecánica, la ingeniería electrónica y la ingeniería de software. Esta disciplina surgió como una forma de combinar los principios mecánicos con la ingeniería eléctrica. Los conceptos mecatrónicos se utilizan en la mayoría de los sistemas electromecánicos. [ 70 ] Los sensores electromecánicos típicos utilizados en mecatrónica son las galgas extensométricas, los termopares y los transductores de presión.

Nanotecnología

A escalas microscópicas, la ingeniería mecánica se convierte en nanotecnología. Un objetivo hipotético es crear un ensamblador molecular para construir moléculas y materiales mediante mecanosíntesis ; sin embargo, este objetivo aún se encuentra dentro del ámbito de la ingeniería exploratoria . Las áreas de investigación actual en ingeniería mecánica aplicada a la nanotecnología incluyen nanofiltros, [ 71 ] nanofilms [ 72 ] y nanoestructuras, [ 73 ] entre otras.

Análisis de elementos finitos

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. [ 74 ] Este campo no es nuevo, ya que la base del análisis de elementos finitos (FEA) o el método de elementos finitos (FEM) se remonta a 1941. Pero la evolución de las computadoras ha hecho del FEA/FEM una opción viable para el análisis de problemas estructurales. Muchas aplicaciones de software comerciales como NASTRAN , ANSYS y ABAQUS se utilizan ampliamente en la industria para la investigación y el diseño de componentes. Algunos paquetes de software de modelado 3D y CAD han añadido módulos de FEA. En los últimos tiempos, las plataformas de simulación en la nube como SimScale se están volviendo más comunes.

Se emplean otras técnicas, como el método de diferencias finitas (MDF) y el método de volúmenes finitos (MVF), para resolver problemas relacionados con la transferencia de calor y masa, el flujo de fluidos, la interacción de fluidos con superficies, etc.

Biomecánica

La biomecánica es la aplicación de principios mecánicos a sistemas biológicos, como humanos , animales , plantas , órganos y células . [ 75 ] La biomecánica también ayuda a crear prótesis y órganos artificiales para humanos. [ 76 ] La biomecánica está estrechamente relacionada con la ingeniería , ya que a menudo utiliza ciencias de la ingeniería tradicionales para analizar sistemas biológicos. Algunas aplicaciones sencillas de la mecánica newtoniana y/o la ciencia de los materiales pueden proporcionar aproximaciones correctas a la mecánica de muchos sistemas biológicos.

En la última década, la ingeniería inversa de materiales presentes en la naturaleza, como la materia ósea, ha recibido financiación en el ámbito académico. La estructura de la materia ósea está optimizada para soportar una gran cantidad de tensión de compresión por unidad de peso. [ 77 ] El objetivo es sustituir el acero convencional por biomateriales en el diseño estructural.

Durante la última década, el método de elementos finitos (MEF) también se ha introducido en el sector biomédico, destacando aspectos de ingeniería adicionales de la biomecánica. Desde entonces, el MEF se ha consolidado como una alternativa a la evaluación quirúrgica in vivo y ha obtenido una amplia aceptación en el ámbito académico. La principal ventaja de la biomecánica computacional reside en su capacidad para determinar la respuesta endoanatómica de una anatomía, sin estar sujeta a restricciones éticas. [ 78 ] Esto ha llevado al modelado de elementos finitos a ser omnipresente en varios campos de la biomecánica, mientras que varios proyectos incluso han adoptado una filosofía de código abierto (por ejemplo, BioSpine).

Dinámica de fluidos computacional

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 relacionados con flujos de fluidos. Se emplean computadoras para realizar los cálculos necesarios para simular la interacción de líquidos y gases con superficies definidas por condiciones de contorno. [ 79 ] Con supercomputadoras de alta velocidad, se pueden obtener mejores soluciones. La investigación en curso genera 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 mediante un túnel de viento, y la validación final se lleva a cabo mediante pruebas a escala real, por ejemplo, pruebas de vuelo.

Ingeniería acústica

La ingeniería acústica es una de las muchas subdisciplinas de la ingeniería mecánica y se centra en la aplicación de la acústica . Estudia el sonido y la vibración . Los ingenieros acústicos trabajan para reducir la contaminación acústica en dispositivos mecánicos y edificios mediante el aislamiento acústico o la eliminación de fuentes de ruido no deseado . El estudio de la acústica abarca desde el diseño de audífonos , micrófonos , auriculares o estudios de grabación más eficientes hasta la mejora de la calidad del sonido de una sala de conciertos. La ingeniería acústica también se ocupa de la vibración de diferentes sistemas mecánicos. [ 80 ]

La ingeniería de fabricación , la ingeniería aeroespacial , la ingeniería automotriz y la ingeniería naval a veces se agrupan con la ingeniería mecánica. Una licenciatura en estas áreas generalmente se diferencia por algunas clases especializadas.

Véase también

Liza
Asociaciones
Wikilibros

Referencias

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Lecturas adicionales

  • Ingeniería mecánica en MTU.edu
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