engenharia mecanica -Mechanical engineering

A engenharia mecânica é o estudo de máquinas físicas que podem envolver força e movimento. É um ramo da engenharia que combina os princípios da física e da matemática da engenharia com a ciência dos materiais , para projetar , analisar, fabricar e manter sistemas mecânicos . É um dos mais antigos e amplos ramos da engenharia .

A engenharia mecânica requer uma compreensão das áreas principais, incluindo mecânica , dinâmica , termodinâmica , ciência dos materiais , design , análise estrutural e eletricidade . Além desses princípios básicos, os engenheiros mecânicos usam ferramentas como projeto auxiliado por computador (CAD), manufatura auxiliada por computador (CAM) e gerenciamento do ciclo de vida do produto para projetar e analisar fábricas , equipamentos e máquinas industriais , sistemas de aquecimento e resfriamento , sistemas de transporte , aeronaves , embarcações , robótica , dispositivos médicos , armas e outros.

A engenharia mecânica surgiu como um campo durante a Revolução Industrial na Europa no século XVIII; no entanto, seu desenvolvimento remonta a vários milhares de anos em todo o mundo. No século 19, o desenvolvimento da física levou ao desenvolvimento da ciência da engenharia mecânica. O campo evoluiu continuamente para incorporar avanços; hoje, os engenheiros mecânicos estão buscando desenvolvimentos em áreas como compósitos , mecatrônica e nanotecnologia . Também se sobrepõe à engenharia aeroespacial , engenharia metalúrgica , engenharia civil , engenharia estrutural , engenharia elétrica , engenharia de manufatura , engenharia química , engenharia industrial e outras disciplinas de engenharia em quantidades variáveis. Os engenheiros mecânicos também podem trabalhar no campo da engenharia biomédica , especificamente com biomecânica , fenômenos de transporte , biomecatrônica , bionanotecnologia e modelagem de sistemas biológicos.

História

A aplicação da engenharia mecânica pode ser vista nos arquivos de várias sociedades antigas e medievais. As seis máquinas simples clássicas eram conhecidas no antigo Oriente Próximo . A cunha e o plano inclinado (rampa) eram conhecidos desde os tempos pré-históricos . A roda , juntamente com o mecanismo de roda e eixo , foi inventada na Mesopotâmia (atual Iraque) durante o 5º milênio aC. O mecanismo de alavanca apareceu pela primeira vez há cerca de 5.000 anos no Oriente Próximo, onde era usado em uma balança simples e para mover objetos grandes na antiga tecnologia egípcia . A alavanca também foi usada no dispositivo de levantamento de água shadoof , a primeira máquina de guindaste , que apareceu na Mesopotâmia por volta de 3000 aC. As primeiras evidências de polias datam da Mesopotâmia no início do segundo milênio aC.

O Sakia foi desenvolvido no Reino de Kush durante o século IV aC. Baseava-se na força animal, reduzindo a demanda de energia humana. Reservatórios na forma de Hafirs foram desenvolvidos em Kush para armazenar água e aumentar a irrigação. Bloomeries e altos-fornos foram desenvolvidos durante o século VII aC em Meroe . Os relógios de sol Kushite aplicavam a matemática na forma de trigonometria avançada.

As primeiras máquinas práticas movidas a água , a roda d'água e o moinho de água , apareceram pela primeira vez no Império Persa , onde hoje são o Iraque e o Irã, no início do século IV aC. Na Grécia antiga , as obras de Arquimedes (287–212 aC) influenciaram a mecânica na tradição ocidental. No Egito romano , Heron de Alexandria (c. 10–70 DC) criou o primeiro dispositivo movido a vapor ( Aeolipile ). Na China , Zhang Heng (78–139 DC) aprimorou um relógio de água e inventou um sismômetro , e Ma Jun (200–265 DC) inventou uma carruagem com engrenagens diferenciais . O relojoeiro e engenheiro medieval chinês Su Song (1020–1101 dC) incorporou um mecanismo de escape em sua torre de relógio astronômico dois séculos antes de dispositivos de escape serem encontrados em relógios europeus medievais. Ele também inventou o primeiro acionamento por corrente de transmissão de energia sem fim conhecido do mundo .

Durante a Idade de Ouro Islâmica (século 7 ao 15), os inventores muçulmanos fizeram contribuições notáveis ​​no campo da tecnologia mecânica. Al-Jazari , que foi um deles, escreveu seu famoso Livro do Conhecimento de Dispositivos Mecânicos Engenhosos em 1206 e apresentou muitos projetos mecânicos.

No século XVII, importantes avanços nos fundamentos da engenharia mecânica ocorreram na Inglaterra e no continente . O matemático e físico holandês Christiaan Huygens inventou o relógio de pêndulo em 1657, que foi o primeiro cronômetro confiável por quase 300 anos, e publicou um trabalho dedicado aos designs de relógios e à teoria por trás deles. Na Inglaterra, Isaac Newton formulou as Leis do Movimento de Newton e desenvolveu o cálculo , que se tornaria a base matemática da física. Newton relutou em publicar seus trabalhos por anos, mas finalmente foi persuadido a fazê-lo por seus colegas, como Edmond Halley . Gottfried Wilhelm Leibniz , que anteriormente projetou uma calculadora mecânica , também é creditado com o desenvolvimento do cálculo durante o mesmo período de tempo.

Durante a Revolução Industrial do início do século XIX, máquinas-ferramentas foram desenvolvidas na Inglaterra, Alemanha e Escócia . Isso permitiu que a engenharia mecânica se desenvolvesse como um campo separado dentro da engenharia. Eles trouxeram com eles as máquinas de fabricação e os motores para movê-los. A primeira sociedade profissional britânica de engenheiros mecânicos foi formada em 1847 pelo Institution of Mechanical Engineers , trinta anos depois que os engenheiros civis formaram a primeira sociedade profissional do tipo Institution of Civil Engineers . No continente europeu , Johann von Zimmermann (1820–1901) fundou a primeira fábrica de retificadoras em Chemnitz , Alemanha, em 1848.

Nos Estados Unidos, a American Society of Mechanical Engineers (ASME) foi formada em 1880, tornando-se a terceira sociedade profissional de engenharia, depois da American Society of Civil Engineers (1852) e do American Institute of Mining Engineers (1871). As primeiras escolas nos Estados Unidos a oferecer educação em engenharia foram a Academia Militar dos Estados Unidos em 1817, uma instituição agora conhecida como Norwich University em 1819 e o Rensselaer Polytechnic Institute em 1825. A educação em engenharia mecânica tem sido historicamente baseada em uma base sólida em matemática e ciências.

Educação

Graus em engenharia mecânica são oferecidos em várias universidades em todo o mundo. Os programas de engenharia mecânica geralmente levam de quatro a cinco anos de estudo, dependendo do local e da universidade, e resultam em um Bacharel em Engenharia (B.Eng. ou BE), Bacharel em Ciências (B.Sc. ou BS), Bacharel em Engenharia de Ciências ( B.Sc.Eng.), Bacharel em Tecnologia (B.Tech.), Bacharel em Engenharia Mecânica (BME) ou Bacharel em Ciências Aplicadas (BASc.), em ou com ênfase em engenharia mecânica. Em Espanha, Portugal e na maior parte da América do Sul, onde nem BS nem B.Tech. programas foram adotados, o nome formal para o grau é "Engenheiro Mecânico", e o trabalho do curso é baseado em cinco ou seis anos de treinamento. Na Itália, o trabalho do curso é baseado em cinco anos de educação e treinamento, mas para se qualificar como Engenheiro é preciso passar por um exame estadual no final do curso. Na Grécia, o curso é baseado em um currículo de cinco anos.

Nos Estados Unidos, a maioria dos programas de graduação em engenharia mecânica são credenciados pelo Conselho de Credenciamento de Engenharia e Tecnologia (ABET) para garantir requisitos e padrões de curso semelhantes entre as universidades. O site da ABET lista 302 programas de engenharia mecânica credenciados em 11 de março de 2014. Os programas de engenharia mecânica no Canadá são credenciados pelo Canadian Engineering Accreditation Board (CEAB), e a maioria dos outros países que oferecem diplomas de engenharia têm sociedades de credenciamento semelhantes.

Na Austrália , os diplomas de engenharia mecânica são concedidos como Bacharel em Engenharia (Mecânica) ou nomenclatura semelhante, embora haja um número crescente de especializações. O grau leva quatro anos de estudo em tempo integral para alcançar. Para garantir a qualidade dos diplomas de engenharia, a Engineers Australia credencia os diplomas de engenharia concedidos por universidades australianas de acordo com o acordo global de Washington . Antes que o diploma possa ser concedido, o aluno deve completar pelo menos 3 meses de experiência de trabalho em uma empresa de engenharia. Sistemas semelhantes também estão presentes na África do Sul e são supervisionados pelo Conselho de Engenharia da África do Sul (ECSA).

Na Índia , para se tornar um engenheiro, é preciso ter um diploma de engenharia como B.Tech ou BE, ter um diploma em engenharia ou concluir um curso em um comércio de engenharia como instalador do Instituto de Treinamento Industrial (ITIs) para receber um "Certificado de comércio ITI" e também passar no All India Trade Test (AITT) com um comércio de engenharia conduzido pelo Conselho Nacional de Treinamento Vocacional (NCVT) pelo qual é concedido um "Certificado de comércio nacional". Um sistema semelhante é usado no Nepal.

Alguns engenheiros mecânicos fazem pós-graduação, como Mestre em Engenharia , Mestre em Tecnologia , Mestre em Ciências , Mestre em Gerenciamento de Engenharia (M.Eng.Mgt. ou MEM), Doutor em Filosofia em Engenharia (Eng.D . ou Ph.D.) ou um diploma de engenheiro . Os graus de mestre e engenheiro podem ou não incluir pesquisa . O Doutor em Filosofia inclui um componente de pesquisa significativo e é frequentemente visto como o ponto de entrada para a academia . O grau de Engenheiro existe em algumas instituições em um nível intermediário entre o mestrado e o doutorado.

Curso

Os padrões estabelecidos pela sociedade de credenciamento de cada país têm como objetivo fornecer uniformidade na matéria fundamental, promover a competência entre os engenheiros graduados e manter a confiança na profissão de engenharia como um todo. Os programas de engenharia nos EUA, por exemplo, são exigidos pela ABET para mostrar que seus alunos podem "trabalhar profissionalmente nas áreas de sistemas térmicos e mecânicos". Os cursos específicos necessários para se formar, no entanto, podem diferir de programa para programa. Universidades e institutos de tecnologia geralmente combinam várias disciplinas em uma única aula ou dividem uma disciplina em várias turmas, dependendo do corpo docente disponível e da(s) principal(is) área(s) de pesquisa da universidade.

Os assuntos fundamentais necessários para a engenharia mecânica geralmente incluem:

• Matemática (em particular, cálculo , equações diferenciais e álgebra linear )
• Ciências físicas básicas (incluindo física e química )
• Estática e dinâmica
• Resistência dos materiais e mecânica dos sólidos
• Engenharia de materiais , compósitos
• Termodinâmica , transferência de calor , conversão de energia e HVAC
• Combustíveis , combustão , motor de combustão interna
• Mecânica dos fluidos (incluindo estática dos fluidos e dinâmica dos fluidos )
• Projeto de Mecanismo e Máquina (incluindo cinemática e dinâmica )
• Instrumentação e medição
• Engenharia de fabricação , tecnologia ou processos
• Vibração , teoria de controle e engenharia de controle
• Hidráulica e Pneumática
• Mecatrônica e robótica
• Projeto de engenharia e projeto de produto
• Desenho , desenho assistido por computador (CAD) e manufatura assistida por computador (CAM)

Espera-se também que os engenheiros mecânicos entendam e sejam capazes de aplicar conceitos básicos de química, física, tribologia , engenharia química , engenharia civil e engenharia elétrica . Todos os programas de engenharia mecânica incluem vários semestres de aulas de matemática, incluindo cálculo e conceitos matemáticos avançados, incluindo equações diferenciais , equações diferenciais parciais , álgebra linear , álgebra abstrata e geometria diferencial , entre outros.

Além do currículo básico de engenharia mecânica, muitos programas de engenharia mecânica oferecem programas e aulas mais especializados, como sistemas de controle , robótica, transporte e logística , criogenia , tecnologia de combustível , engenharia automotiva , biomecânica , vibração, óptica e outros, se um separado departamento não existe para essas disciplinas.

A maioria dos programas de engenharia mecânica também requer quantidades variáveis ​​de pesquisa ou projetos comunitários para obter experiência prática na solução de problemas. Nos Estados Unidos, é comum que estudantes de engenharia mecânica concluam um ou mais estágios enquanto estudam, embora isso normalmente não seja exigido pela universidade. A educação cooperativa é outra opção. A pesquisa de habilidades de trabalho futuras exige componentes de estudo que alimentam a criatividade e a inovação do aluno.

Deveres do trabalho

Os engenheiros mecânicos pesquisam, projetam, desenvolvem, constroem e testam dispositivos mecânicos e térmicos, incluindo ferramentas, motores e máquinas.

Os engenheiros mecânicos normalmente fazem o seguinte:

• Analise os problemas para ver como os dispositivos mecânicos e térmicos podem ajudar a resolver o problema.
• Projetar ou redesenhar dispositivos mecânicos e térmicos usando análise e projeto auxiliado por computador.
• Desenvolver e testar protótipos de dispositivos que eles projetam.
• Analise os resultados do teste e altere o design conforme necessário.
• Supervisionar o processo de fabricação do dispositivo.
• Gerencie uma equipe de profissionais em áreas especializadas, como desenho e design mecânico, prototipagem, impressão 3D ou/e especialistas em máquinas CNC.

Os engenheiros mecânicos projetam e supervisionam a fabricação de muitos produtos, desde dispositivos médicos até novas baterias. Eles também projetam máquinas de produção de energia, como geradores elétricos, motores de combustão interna e turbinas a vapor e a gás, bem como máquinas que utilizam energia, como sistemas de refrigeração e ar condicionado.

Como outros engenheiros, os engenheiros mecânicos usam computadores para ajudar a criar e analisar projetos, executar simulações e testar como uma máquina provavelmente funcionará.

Licença e regulamentação

Os engenheiros podem solicitar a licença de um governo estadual, provincial ou nacional. O objetivo desse processo é garantir que os engenheiros possuam o conhecimento técnico necessário, experiência no mundo real e conhecimento do sistema jurídico local para praticar a engenharia em nível profissional. Uma vez certificado, o engenheiro recebe o título de Professional Engineer (Estados Unidos, Canadá, Japão, Coréia do Sul, Bangladesh e África do Sul), Chartered Engineer (no Reino Unido, Irlanda, Índia e Zimbábue), Chartered Professional Engineer (na Austrália e Nova Zelândia) ou Engenheiro Europeu (grande parte da União Europeia).

Nos EUA, para se tornar um Engenheiro Profissional licenciado (PE), um engenheiro deve passar no exame FE (Fundamentos de Engenharia) abrangente, trabalhar no mínimo 4 anos como Estagiário de Engenharia (EI) ou Engenheiro em Treinamento (EIT). , e passar nos exames "Principles and Practice" ou PE (Practicing Engineer ou Professional Engineer). Os requisitos e as etapas desse processo são estabelecidos pelo Conselho Nacional de Examinadores de Engenharia e Agrimensura (NCEES), composto por conselhos de licenciamento de engenharia e agrimensura representando todos os estados e territórios dos EUA.

No Reino Unido, os graduados atuais exigem um BEng mais um mestrado apropriado ou um diploma MEng integrado , um mínimo de 4 anos de pós-graduação no desenvolvimento de competências de trabalho e um relatório de projeto revisado por pares para se tornar um Chartered Mechanical Engineer (CEng, MIMechE) através a Instituição de Engenheiros Mecânicos . O CEng MIMechE também pode ser obtido por meio de uma rota de exame administrada pelo City and Guilds of London Institute .

Na maioria dos países desenvolvidos, certas tarefas de engenharia, como o projeto de pontes, usinas de energia elétrica e fábricas de produtos químicos, devem ser aprovadas por um engenheiro profissional ou engenheiro credenciado . "Somente um engenheiro licenciado, por exemplo, pode preparar, assinar, selar e submeter projetos e desenhos de engenharia a uma autoridade pública para aprovação, ou para selar obras de engenharia para clientes públicos e privados." Este requisito pode ser escrito na legislação estadual e provincial, como nas províncias canadenses, por exemplo, a Lei de Engenharia de Ontário ou Quebec.

Em outros países, como Austrália e Reino Unido, essa legislação não existe; no entanto, praticamente todos os organismos certificadores mantêm um código de ética independente da legislação, que eles esperam que todos os membros cumpram ou correm o risco de expulsão.

Salários e estatísticas da força de trabalho

O número total de engenheiros empregados nos EUA em 2015 foi de aproximadamente 1,6 milhão. Destes, 278.340 eram engenheiros mecânicos (17,28%), a maior disciplina por tamanho. Em 2012, a renda média anual dos engenheiros mecânicos na força de trabalho dos EUA foi de US$ 80.580. A renda média foi maior quando se trabalhava para o governo ($ 92.030) e menor na educação ($ 57.090). Em 2014, o número total de empregos em engenharia mecânica foi projetado para crescer 5% na próxima década. A partir de 2009, o salário inicial médio era de $ 58.800 com um diploma de bacharel.

Subdisciplinas

O campo da engenharia mecânica pode ser pensado como uma coleção de muitas disciplinas da ciência da engenharia mecânica. Várias dessas subdisciplinas que normalmente são ensinadas no nível de graduação estão listadas abaixo, com uma breve explicação e a aplicação mais comum de cada uma. Algumas dessas subdisciplinas são exclusivas da engenharia mecânica, enquanto outras são uma combinação de engenharia mecânica e uma ou mais outras disciplinas. A maior parte do trabalho que um engenheiro mecânico faz usa habilidades e técnicas de várias dessas subdisciplinas, bem como subdisciplinas especializadas. As subdisciplinas especializadas, como usadas neste artigo, são mais prováveis ​​de serem objeto de estudos de pós-graduação ou treinamento no trabalho do que de pesquisa de graduação. Várias subdisciplinas especializadas são discutidas nesta seção.

Mecânica

A mecânica é, no sentido mais geral, o estudo das forças e seus efeitos sobre a matéria . Normalmente, a mecânica de engenharia é usada para analisar e prever a aceleração e a deformação ( elástica e plástica ) de objetos sob forças conhecidas (também chamadas de cargas) ou tensões . As subdisciplinas da mecânica incluem

• Estática , o estudo de corpos imóveis sob cargas conhecidas, como as forças afetam os corpos estáticos
• Dinâmica o estudo de como as forças afetam os corpos em movimento. A dinâmica inclui cinemática (sobre movimento, velocidade e aceleração) e cinética (sobre forças e acelerações resultantes).
• Mecânica dos materiais , o estudo de como diferentes materiais se deformam sob vários tipos de estresse
• Mecânica dos fluidos , o estudo de como os fluidos reagem às forças
• Cinemática , o estudo do movimento de corpos (objetos) e sistemas (grupos de objetos), ignorando as forças que causam o movimento. A cinemática é freqüentemente usada no projeto e análise de mecanismos .
• Mecânica contínua , um método de aplicação da mecânica que assume que os objetos são contínuos (em vez de discretos )

Os engenheiros mecânicos normalmente usam a mecânica nas fases de projeto ou análise da engenharia. Se o projeto de engenharia fosse o desenho de um veículo, a estática poderia ser empregada para projetar a estrutura do veículo, a fim de avaliar onde as tensões serão mais intensas. A dinâmica pode ser usada ao projetar o motor do carro, para avaliar as forças nos pistões e cames à medida que o motor gira. A mecânica dos materiais pode ser usada para escolher os materiais apropriados para a estrutura e o motor. A mecânica dos fluidos pode ser usada para projetar um sistema de ventilação para o veículo (consulte HVAC ) ou para projetar o sistema de admissão do motor.

Mecatrônica e robótica

Mecatrônica é uma combinação de mecânica e eletrônica. É um ramo interdisciplinar da engenharia mecânica, engenharia elétrica e engenharia de software que se preocupa em integrar a engenharia elétrica e mecânica para criar sistemas de automação híbridos. Dessa forma, as máquinas podem ser automatizadas por meio do uso de motores elétricos , servomecanismos e outros sistemas elétricos em conjunto com um software especial. Um exemplo comum de um sistema mecatrônico é uma unidade de CD-ROM. Sistemas mecânicos abrem e fecham o drive, giram o CD e movem o laser, enquanto um sistema óptico lê os dados do CD e os converte em bits . O software integrado controla o processo e comunica o conteúdo do CD ao computador.

A robótica é a aplicação da mecatrônica para criar robôs, que são frequentemente usados ​​na indústria para executar tarefas perigosas, desagradáveis ​​ou repetitivas. Esses robôs podem ter qualquer forma e tamanho, mas todos são pré-programados e interagem fisicamente com o mundo. Para criar um robô, um engenheiro normalmente emprega cinemática (para determinar a amplitude de movimento do robô) e mecânica (para determinar as tensões dentro do robô).

Os robôs são amplamente utilizados na engenharia de automação industrial. Eles permitem que as empresas economizem dinheiro em mão de obra, executem tarefas que são muito perigosas ou muito precisas para que os humanos as executem economicamente e garantam melhor qualidade. Muitas empresas empregam linhas de montagem de robôs, principalmente nas Indústrias Automotivas e algumas fábricas são tão robotizadas que podem rodar sozinhas . Fora da fábrica, os robôs foram empregados no descarte de bombas, na exploração espacial e em muitos outros campos. Os robôs também são vendidos para várias aplicações residenciais, desde recreação até aplicações domésticas.

Análise estrutural

A análise estrutural é o ramo da engenharia mecânica (e também da engenharia civil) dedicado a examinar por que e como os objetos falham e a consertar os objetos e seu desempenho. As falhas estruturais ocorrem em dois modos gerais: falha estática e falha por fadiga. A falha estrutural estática ocorre quando, ao ser carregado (tendo uma força aplicada), o objeto em análise se quebra ou se deforma plasticamente , dependendo do critério de falha. A falha por fadiga ocorre quando um objeto falha após uma série de ciclos repetidos de carga e descarga. A falha por fadiga ocorre devido a imperfeições no objeto: uma trinca microscópica na superfície do objeto, por exemplo, crescerá ligeiramente a cada ciclo (propagação) até que a trinca seja grande o suficiente para causar falha final .

A falha não é simplesmente definida como quando uma peça quebra; é definido como quando uma peça não funciona como pretendido. Alguns sistemas, como as seções superiores perfuradas de algumas sacolas plásticas, são projetados para quebrar. Se esses sistemas não quebrarem, a análise de falha pode ser empregada para determinar a causa.

A análise estrutural é frequentemente usada por engenheiros mecânicos após a ocorrência de uma falha ou ao projetar para evitar falhas. Os engenheiros costumam usar documentos e livros on-line, como os publicados pela ASM, para ajudá-los a determinar o tipo de falha e as possíveis causas.

Depois que a teoria é aplicada a um projeto mecânico, o teste físico geralmente é realizado para verificar os resultados calculados. A análise estrutural pode ser usada em um escritório ao projetar peças, no campo para analisar peças com falha ou em laboratórios onde as peças podem passar por testes de falha controlada.

Termodinâmica e termociência

A termodinâmica é uma ciência aplicada usada em vários ramos da engenharia, incluindo engenharia mecânica e química. Em sua forma mais simples, a termodinâmica é o estudo da energia, seu uso e transformação através de um sistema . Normalmente, a termodinâmica de engenharia está preocupada com a mudança de energia de uma forma para outra. Por exemplo, os motores automotivos convertem a energia química ( entalpia ) do combustível em calor e depois em trabalho mecânico que eventualmente gira as rodas.

Os princípios da termodinâmica são usados ​​por engenheiros mecânicos nas áreas de transferência de calor , termofluidos e conversão de energia . Os engenheiros mecânicos usam a termociência para projetar motores e usinas de energia , sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC), trocadores de calor , dissipadores de calor , radiadores , refrigeração , isolamento e outros.

Design e redação

A elaboração ou desenho técnico é o meio pelo qual os engenheiros mecânicos projetam produtos e criam instruções para a fabricação de peças. Um desenho técnico pode ser um modelo de computador ou um esquema desenhado à mão mostrando todas as dimensões necessárias para fabricar uma peça, bem como notas de montagem, uma lista de materiais necessários e outras informações pertinentes. Um engenheiro mecânico ou trabalhador qualificado dos EUA que cria desenhos técnicos pode ser chamado de desenhista ou desenhista. O desenho tem sido historicamente um processo bidimensional, mas os programas de desenho assistido por computador (CAD) agora permitem que o designer crie em três dimensões.

As instruções para fabricar uma peça devem ser fornecidas ao maquinário necessário, seja manualmente, por meio de instruções programadas ou por meio do uso de um programa de manufatura assistida por computador (CAM) ou CAD/CAM combinado. Opcionalmente, um engenheiro também pode fabricar manualmente uma peça usando os desenhos técnicos. No entanto, com o advento da fabricação controlada numericamente por computador (CNC), as peças agora podem ser fabricadas sem a necessidade de intervenção constante do técnico. As peças fabricadas manualmente geralmente consistem em revestimentos por pulverização , acabamentos de superfície e outros processos que não podem ser feitos econômica ou praticamente por uma máquina.

O desenho é usado em quase todas as subdisciplinas da engenharia mecânica e por muitos outros ramos da engenharia e arquitetura. Modelos tridimensionais criados usando software CAD também são comumente usados ​​em análise de elementos finitos (FEA) e dinâmica de fluidos computacional (CFD).

ferramentas modernas

Muitas empresas de engenharia mecânica, especialmente aquelas em países industrializados, começaram a incorporar programas de engenharia auxiliada por computador (CAE) em seus processos de projeto e análise existentes, incluindo modelagem sólida 2D e 3D , projeto auxiliado por computador (CAD). Este método tem muitos benefícios, incluindo uma visualização mais fácil e completa dos produtos, a capacidade de criar montagens virtuais de peças e a facilidade de uso no projeto de tolerâncias e interfaces de acoplamento.

Outros programas CAE comumente usados ​​por engenheiros mecânicos incluem ferramentas de gerenciamento do ciclo de vida do produto (PLM) e ferramentas de análise usadas para realizar simulações complexas. As ferramentas de análise podem ser usadas para prever a resposta do produto às cargas esperadas, incluindo vida em fadiga e capacidade de fabricação. Essas ferramentas incluem análise de elementos finitos (FEA), dinâmica de fluidos computacional (CFD) e manufatura assistida por computador (CAM).

Usando programas CAE, uma equipe de projeto mecânico pode iterar de forma rápida e barata o processo de projeto para desenvolver um produto que atenda melhor a custo, desempenho e outras restrições. Nenhum protótipo físico precisa ser criado até que o projeto esteja quase completo, permitindo que centenas ou milhares de projetos sejam avaliados, em vez de poucos. Além disso, os programas de análise CAE podem modelar fenômenos físicos complicados que não podem ser resolvidos manualmente, como viscoelasticidade , contato complexo entre peças correspondentes ou fluxos não newtonianos .

À medida que a engenharia mecânica começa a se fundir com outras disciplinas, como visto na mecatrônica , a otimização de projeto multidisciplinar (MDO) está sendo usada com outros programas CAE para automatizar e melhorar o processo de projeto iterativo. As ferramentas MDO envolvem os processos CAE existentes, permitindo que a avaliação do produto continue mesmo depois que o analista vai para casa. Eles também usam algoritmos de otimização sofisticados para explorar projetos possíveis de forma mais inteligente, muitas vezes encontrando soluções melhores e inovadoras para problemas difíceis de projeto multidisciplinar.

Áreas de pesquisa

Os engenheiros mecânicos estão constantemente expandindo os limites do que é fisicamente possível para produzir máquinas e sistemas mecânicos mais seguros, baratos e eficientes. Algumas tecnologias de ponta da engenharia mecânica estão listadas abaixo (veja também engenharia exploratória ).

Sistemas micro eletromecânicos (MEMS)

Componentes mecânicos em microescala, como molas, engrenagens, fluidos e dispositivos de transferência de calor, são fabricados a partir de uma variedade de materiais de substrato, como silício, vidro e polímeros como o SU8 . Exemplos de componentes MEMS são os acelerômetros usados ​​como sensores de airbags de carros, telefones celulares modernos, giroscópios para posicionamento preciso e dispositivos microfluídicos usados ​​em aplicações biomédicas.

Soldagem por fricção (FSW)

A soldagem por fricção, um novo tipo de soldagem , foi descoberta em 1991 pelo The Welding Institute (TWI). A inovadora técnica de soldagem em estado estacionário (sem fusão) une materiais anteriormente não soldáveis, incluindo várias ligas de alumínio . Desempenha um papel importante na futura construção de aviões, podendo substituir os rebites. Os usos atuais dessa tecnologia até o momento incluem a soldagem das costuras do tanque externo principal do ônibus espacial de alumínio, Orion Crew Vehicle, Boeing Delta II e Delta IV Expendable Launch Vehicles e o foguete SpaceX Falcon 1, blindagem para navios de assalto anfíbios e soldagem do asas e painéis da fuselagem da nova aeronave Eclipse 500 da Eclipse Aviation entre um conjunto cada vez maior de usos.

Compósitos

Compósitos ou materiais compostos são uma combinação de materiais que fornecem características físicas diferentes de qualquer material separadamente. A pesquisa de materiais compostos na engenharia mecânica geralmente se concentra no projeto (e, posteriormente, na descoberta de aplicações para) materiais mais fortes ou rígidos, ao mesmo tempo em que tenta reduzir o peso , a suscetibilidade à corrosão e outros fatores indesejáveis. Compósitos reforçados com fibra de carbono, por exemplo, têm sido usados ​​em aplicações tão diversas como naves espaciais e varas de pesca.

Mecatrônica

Mecatrônica é a combinação sinérgica de engenharia mecânica, engenharia eletrônica e engenharia de software. A disciplina de mecatrônica começou como uma forma de combinar os princípios mecânicos com a engenharia elétrica. Conceitos mecatrônicos são usados ​​na maioria dos sistemas eletromecânicos. Sensores eletromecânicos típicos usados ​​em mecatrônica são extensômetros, termopares e transdutores de pressão.

nanotecnologia

Nas menores escalas, a engenharia mecânica torna-se nanotecnologia – um dos objetivos especulativos é criar um montador molecular para construir moléculas e materiais por meio da mecanossíntese . Por enquanto, esse objetivo permanece dentro da engenharia exploratória . As áreas atuais de pesquisa em engenharia mecânica em nanotecnologia incluem nanofiltros, nanofilmes e nanoestruturas, entre outras.

Análise de elementos finitos

A Análise de Elementos Finitos é uma ferramenta computacional usada para estimar tensão, deformação e deflexão de corpos sólidos. Ele usa uma configuração de malha com tamanhos definidos pelo usuário para medir quantidades físicas em um nó. Quanto mais nós houver, maior será a precisão. Este campo não é novo, pois a base da Análise de Elementos Finitos (FEA) ou Método dos Elementos Finitos (FEM) remonta a 1941. Mas a evolução dos computadores tornou a FEA/FEM uma opção viável para análise de problemas estruturais. Muitos códigos comerciais como NASTRAN , ANSYS e ABAQUS são amplamente utilizados na indústria para pesquisa e design de componentes. Alguns pacotes de software de modelagem 3D e CAD adicionaram módulos FEA. Nos últimos tempos, plataformas de simulação em nuvem como SimScale estão se tornando mais comuns.

Outras técnicas, como o método de diferenças finitas (FDM) e o método de volumes finitos (FVM), são empregadas para resolver problemas relacionados à transferência de calor e massa, fluxos de fluidos, interação de superfícies de fluidos, etc.

biomecânica

A biomecânica é a aplicação de princípios mecânicos a sistemas biológicos, como humanos , animais , plantas , órgãos e células . A biomecânica também auxilia na criação de membros protéticos e órgãos artificiais para humanos. A biomecânica está intimamente relacionada à engenharia , porque muitas vezes usa as ciências tradicionais da engenharia para analisar sistemas biológicos. Algumas aplicações simples da mecânica newtoniana e/ou das ciências dos materiais podem fornecer aproximações corretas da mecânica de muitos sistemas biológicos.

Na última década, a engenharia reversa de materiais encontrados na natureza, como a matéria óssea, ganhou financiamento na academia. A estrutura da matéria óssea é otimizada para suportar uma grande quantidade de estresse compressivo por unidade de peso. O objetivo é substituir o aço bruto por biomaterial para o projeto estrutural.

Na última década, o método dos elementos finitos (FEM) também entrou no setor biomédico, destacando outros aspectos de engenharia da biomecânica. Desde então, o FEM se estabeleceu como uma alternativa à avaliação cirúrgica in vivo e ganhou ampla aceitação no meio acadêmico. A principal vantagem da Biomecânica Computacional reside na sua capacidade de determinar a resposta endo-anatômica de uma anatomia, sem estar sujeita a restrições éticas. Isso levou a modelagem FE ao ponto de se tornar onipresente em vários campos da Biomecânica, enquanto vários projetos adotaram uma filosofia de código aberto (por exemplo, BioSpine).

Dinâmica de fluidos computacional

A dinâmica dos fluidos computacional, geralmente abreviada como CFD, é um ramo da mecânica dos fluidos que usa métodos numéricos e algoritmos para resolver e analisar problemas que envolvem fluxos de fluidos. Os computadores são usados ​​para realizar os cálculos necessários para simular a interação de líquidos e gases com superfícies definidas por condições de contorno. Com supercomputadores de alta velocidade, melhores soluções podem ser alcançadas. A pesquisa em andamento produz um software que melhora a precisão e a velocidade de cenários de simulação complexos, como fluxos turbulentos. A validação inicial de tal software é realizada usando um túnel de vento com a validação final ocorrendo em testes em escala real, por exemplo, testes de voo.

engenharia acústica

A engenharia acústica é uma das muitas outras subdisciplinas da engenharia mecânica e é a aplicação da acústica. A engenharia acústica é o estudo do som e da vibração . Esses engenheiros trabalham efetivamente para reduzir a poluição sonora em dispositivos mecânicos e em edifícios isolando o som ou removendo fontes de ruído indesejado. O estudo da acústica pode abranger desde o projeto de um aparelho auditivo, microfone, fone de ouvido ou estúdio de gravação mais eficiente até o aprimoramento da qualidade do som de uma sala de orquestra. A engenharia acústica também lida com a vibração de diferentes sistemas mecânicos.

Campos relacionados

Engenharia de manufatura , engenharia aeroespacial e engenharia automotiva são agrupadas com engenharia mecânica às vezes. Um diploma de bacharel nessas áreas normalmente terá uma diferença de algumas classes especializadas.

Veja também

• Índice de artigos de engenharia mecânica

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• Burstall, Aubrey F. (1965). Uma História da Engenharia Mecânica . Imprensa do MIT. ISBN 978-0-262-52001-0.
• Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers (11 ed.). McGraw-Hill. 2007. ISBN 978-0-07-142867-5.
• Oberg, Erik; Franklin D. Jones; Holbrook L. Horton; Henry H. Ryffel; Christopher McCauley (2016). Manual de máquinas (30ª ed.). Nova York: Industrial Press Inc. ISBN 978-0-8311-3091-6.

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• Citações relacionadas à engenharia mecânica no Wikiquote
• Engenharia mecânica – MTU.edu