Engenharia Mecânica

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Engenharia Mecânica
Ocupação
NomesEngenheiro mecânico
Setores de atividade
mecânica aplicada , dinâmica , termodinâmica , mecânica dos fluidos , transferência de calor , tecnologia de produção e outros
Descrição
Competênciasconhecimento técnico, habilidades de gestão, design (ver também glossário de engenharia mecânica )
Educação necessária
Veja os requisitos profissionais abaixo
Campos de
trabalho
tecnologia , ciência , exploração , militar

A engenharia mecânica 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 . [1] É um dos ramos mais antigos e amplos da engenharia .

O campo da engenharia mecânica requer uma compreensão das áreas centrais, incluindo mecânica , dinâmica , termodinâmica , ciência dos materiais , análise estrutural e eletricidade . Além desses princípios fundamentais, 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 plantas de fabricação , equipamentos e máquinas industriais , sistemas de aquecimento e refrigeração , sistemas de transporte ,aeronaves , embarcações , robótica , dispositivos médicos , armas e outros. É o ramo da engenharia que envolve o projeto, produção e operação de máquinas . [2] [3]

A engenharia mecânica surgiu como um campo durante a Revolução Industrial na Europa no século XVIII; no entanto, seu desenvolvimento pode ser rastreado há vários milhares de anos em todo o mundo. No século 19, os desenvolvimentos na física levaram 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 elétrica ,engenharia de fabricação , engenharia química , engenharia industrial e outras disciplinas de engenharia em quantidades variadas. Os engenheiros mecânicos também podem atuar na área de engenharia biomédica , especificamente com biomecânica , fenômenos de transporte , biomecatrônica , bionanotecnologia e modelagem de sistemas biológicos.

Motor W16 do Bugatti Veyron . Engenheiros mecânicos projetam motores , usinas de energia , outras máquinas...
... estruturas e veículos de todos os tamanhos.

História [ editar ]

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 . [4] A roda , juntamente com o mecanismo de roda e eixo , foi inventada na Mesopotâmia (atual Iraque) durante o 5º milênio aC. [5] O mecanismo de alavanca apareceu pela primeira vez cerca de 5.000 anos atrás no Oriente Próximo, onde era usado em uma balança simples , [6]e para mover objetos grandes na tecnologia egípcia antiga . [7] A alavanca também foi usada no dispositivo de elevação de água shadoof , a primeira máquina de guindaste , que apareceu na Mesopotâmia por volta de 3000 aC. [6] As primeiras evidências de polias datam da Mesopotâmia no início do segundo milênio aC. [8]

O Sakia foi desenvolvido no Reino de Kush durante o século 4 aC. Baseava-se no poder animal reduzindo o reboque na exigência de energia humana. [9] Reservatórios na forma de Hafirs foram desenvolvidos em Kush para armazenar água e aumentar a irrigação. [10] Bloomeries e altos-fornos foram desenvolvidos durante o século VII aC em Meroe . [11] [12] [13] [14] Os relógios de sol Kushite aplicavam matemática na forma de trigonometria avançada. [15] [16]

As primeiras máquinas práticas movidas a água, a roda d'água e o moinho d'água , apareceram pela primeira vez no Império Persa , no que hoje são o Iraque e o Irã, no início do século IV aC. [17] 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 ). [18] Na China , Zhang Heng (78–139 d.C.) melhorou um relógio de águae inventou um sismógrafo , e Ma Jun (200-265 dC) inventou uma carruagem com engrenagens diferenciais . O horologista e engenheiro chinês medieval 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 sem fim conhecido do mundo . [19]

Durante a Idade de Ouro Islâmica (século VII ao XV), os inventores muçulmanos fizeram contribuições notáveis ​​no campo da tecnologia mecânica. Al-Jazari , que foi um deles, escreveu seu famoso Livro de Dispositivos 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 cronometrista confiável por quase 300 anos, e publicou um trabalho dedicado aos projetos de relógios e à teoria por trás deles. [20] [21] 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. [22]

Durante a Revolução Industrial do início do século XIX, as 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 máquinas de fabricação e os motores para alimentá-los. [23] A primeira sociedade profissional britânica de engenheiros mecânicos foi formada em 1847 , a Instituição de Engenheiros Mecânicos , trinta anos depois que os engenheiros civis formaram a primeira sociedade profissional desse tipo, a Instituição de Engenheiros Civis . [24] No continente europeu , Johann von Zimmermann (1820–1901) fundou a primeira fábrica de retificadoras emChemnitz , 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). [25] 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 Universidade de Norwich em 1819, e o Rensselaer Polytechnic Institute em 1825. uma base sólida em matemática e ciências. [26]

Educação [ editar ]

O parafuso de Arquimedes era operado à mão e podia levantar água com eficiência, como demonstra a bola vermelha animada.

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 Bacharelado 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. Na 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 e na exigência de uma Tese de 'Diploma', que após a conclusão é concedido um 'Diploma' em vez de um B.Sc. [27]

Nos Estados Unidos, a maioria dos programas de graduação em engenharia mecânica são credenciados pelo Conselho de Acreditação para Engenharia e Tecnologia (ABET) para garantir requisitos e padrões de cursos semelhantes entre as universidades. O site da ABET lista 302 programas de engenharia mecânica credenciados em 11 de março de 2014. [28] Os programas de engenharia mecânica no Canadá são credenciados pelo Canadian Engineering Accreditation Board (CEAB), [29] 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 Bacharelado em Engenharia (Mecânica) ou nomenclatura similar, 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 diplomas de engenharia concedidos por universidades australianas de acordo com o Acordo de Washington global . Antes que o diploma possa ser concedido, o aluno deve completar pelo menos 3 meses de experiência de trabalho em uma empresa de engenharia. [30] 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 de engenharia como montador do Industrial Training Institute (ITIs) para receber um "Certificado Comercial ITI" e também passar no All India Trade Test (AITT) com um comércio de engenharia realizado pelo Conselho Nacional de Treinamento Profissional (NCVT), pelo qual é concedido um "Certificado Nacional de Comércio". Um sistema semelhante é usado no Nepal. [31]

Alguns engenheiros mecânicos seguem para uma pós-graduação, como mestrado em engenharia , mestrado em tecnologia , mestrado em ciências , mestrado em gerenciamento de engenharia (M.Eng.Mgt. ou MEM), doutorado em filosofia em engenharia (Eng.D . ou Ph.D.) ou um diploma de engenheiro . Os cursos de mestrado e de engenharia 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 . [32] O grau de Engenheiro existe em algumas instituições em um nível intermediário entre o mestrado e o doutorado.

Trabalho de Curso [ editar ]

Os padrões estabelecidos pela sociedade de acreditação de cada país destinam-se a fornecer uniformidade no material 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". [33] 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 turma 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 exigidos para a engenharia mecânica geralmente incluem:

Espera-se também que os engenheiros mecânicos compreendam 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 especializadas, como sistemas de controle , robótica, transporte e logística , criogenia , tecnologia de combustível , engenharia automotiva , biomecânica , vibração, óptica e outros, se um departamento não existe para esses assuntos. [36]

A maioria dos programas de engenharia mecânica também exige quantidades variadas de pesquisas 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 obrigatório pela universidade. A educação cooperativa é outra opção. A pesquisa de habilidades de trabalho futuro [37] exige componentes de estudo que alimentam a criatividade e a inovação do aluno. [38]

Deveres do trabalho [ editar ]

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.
  • Projete ou redesenhe 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.
  • Gerenciar uma equipe de profissionais em áreas especializadas como desenho e projeto mecânico, prototipagem, impressão 3D e/ou 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 geradoras de energia, como geradores elétricos, motores de combustão interna e turbinas a vapor e a gás, bem como máquinas que consomem 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 regulamento [ editar ]

Os engenheiros podem solicitar licença por um governo estadual, provincial ou nacional. O objetivo desse processo é garantir que os engenheiros possuam o conhecimento técnico necessário, a experiência do mundo real e o conhecimento do sistema legal local para praticar a engenharia em nível profissional. Uma vez certificado, o engenheiro recebe o título de Professional Engineer (Estados Unidos, Canadá, Japão, Coreia 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 (PE) licenciado, um engenheiro deve passar no exame abrangente FE (Fundamentos de Engenharia), 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 etapas deste processo são estabelecidos pelo Conselho Nacional de Examinadores de Engenharia e Agrimensura (NCEES), composto por conselhos de licenciamento de engenharia e topografia que representam todos os estados e territórios dos EUA.

No Reino Unido, os graduados atuais exigem um BEng mais um mestrado apropriado ou um diploma integrado de MEng , um mínimo de 4 anos de pós-graduação no desenvolvimento de competências para o trabalho e um relatório de projeto revisado por pares para se tornar um Engenheiro Mecânico Certificado (CEng, MIMechE) através a Instituição de Engenheiros Mecânicos . CEng MIMechE também pode ser obtido através de uma via de exame administrada pelo City and Guilds of London Institute . [39]

Na maioria dos países desenvolvidos, certas tarefas de engenharia, como o projeto de pontes, usinas de energia elétrica e usinas químicas, devem ser aprovadas por um engenheiro profissional ou por um engenheiro credenciado . "Somente um engenheiro licenciado, por exemplo, pode preparar, assinar, selar e enviar planos e desenhos de engenharia a uma autoridade pública para aprovação ou selar trabalhos de engenharia para clientes públicos e privados." [40] Este requisito pode ser escrito na legislação estadual e provincial, como nas províncias canadenses, por exemplo, a Lei de Engenharia de Ontário ou Quebec. [41]

Em outros países, como Austrália e Reino Unido, não existe tal legislação; no entanto, praticamente todas as certificadoras mantêm um código de ética independente da legislação, que espera que todos os membros cumpram ou correm o risco de serem expulsos. [42]

Estatísticas de salários e força de trabalho [ editar ]

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 porte. [43] Em 2012, a renda média anual dos engenheiros mecânicos na força de trabalho dos EUA era de US$ 80.580. A renda média foi mais alta quando se trabalha para o governo (US$ 92.030) e menor na educação (US$ 57.090). [44] Em 2014, o número total de empregos de engenharia mecânica foi projetado para crescer 5% na próxima década. [45] A partir de 2009, o salário médio inicial era de $ 58.800 com um diploma de bacharel. [46]

Subdisciplinas [ editar ]

O campo da engenharia mecânica pode ser pensado como uma coleção de muitas disciplinas da ciência da engenharia mecânica. Várias dessas subdisciplinas que são normalmente 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 maioria do trabalho que um engenheiro mecânico faz usa habilidades e técnicas de várias dessas subdisciplinas, bem como subdisciplinas especializadas. As subdisciplinas especializadas, conforme 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 [ editar ]

Círculo de Mohr , uma ferramenta comum para estudar tensões em um elemento mecânico

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 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 [47]
  • Cinemática , o estudo do movimento de corpos (objetos) e sistemas (grupos de objetos), ignorando as forças que causam o movimento. A cinemática é frequentemente usada no projeto e análise de mecanismos .
  • Mecânica do contínuo , 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 projeto de um veículo, a estática poderia ser empregada para projetar o chassi 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 os ciclos do motor. 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 [ editar ]

Treinamento FMS com robô de aprendizagem SCORBOT-ER 4u , fresadora CNC de bancada e torno CNC

A 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. Desta forma, as máquinas podem ser automatizadas através do uso de motores elétricos , servomecanismos e outros sistemas elétricos em conjunto com softwares especiais. Um exemplo comum de 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 no 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 realizar tarefas perigosas, desagradáveis ​​ou repetitivas. Esses robôs podem ser de 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 muito perigosas ou muito precisas para que os humanos as executem economicamente e garantam melhor qualidade. Muitas empresas empregam linhas de montagem de robôs, especialmente nas indústrias automotivas e algumas fábricas são tão robotizadas que podem funcionar sozinhas . Fora da fábrica, os robôs foram empregados na eliminação de bombas, exploração espacial e muitos outros campos. Os robôs também são vendidos para várias aplicações residenciais, desde recreação até aplicações domésticas. [48]

Análise estrutural [ editar ]

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 (com aplicação de uma força), o objeto em análise se quebra ou se deforma plasticamente , dependendo do critério de falha. Falha por fadigaocorre quando um objeto falha após vários ciclos repetidos de carregamento e descarregamento. A falha por fadiga ocorre devido a imperfeições no objeto: uma rachadura microscópica na superfície do objeto, por exemplo, crescerá ligeiramente a cada ciclo (propagação) até que a rachadura seja grande o suficiente para causar a falha final . [49]

No entanto, 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 alguns sacos plásticos, são projetados para quebrar. Se esses sistemas não quebrarem, a análise de falhas 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 [50] , para ajudá-los a determinar o tipo de falha e as possíveis causas.

Uma vez que a teoria é aplicada a um projeto mecânico, muitas vezes são realizados testes físicos 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 ser submetidas a testes de falha controlados.

Termodinâmica e termociência [ editar ]

A termodinâmica é uma ciência aplicada utilizada em diversos ramos da engenharia, incluindo engenharia mecânica e química. Na sua forma mais simples, a termodinâmica é o estudo da energia, seu uso e transformação através de um sistema . [51] Normalmente, a termodinâmica de engenharia se preocupa com a mudança de energia de uma forma para outra. Como 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. [52]

Projeto e redação [ editar ]

Um modelo CAD de um selo mecânico duplo

Esboço 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 esquemático 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. [53] 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 a fabricação de uma peça devem ser fornecidas ao maquinário necessário, manualmente, por meio de instruções programadas, ou por meio de um programa de fabricação assistida por computador (CAM) ou combinado CAD/CAM. 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 entrada técnica constante. As peças fabricadas manualmente geralmente consistem em revestimentos por pulverização , acabamentos de superfície e outros processos que não podem ser feitos economicamente 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 [ editar ]

Uma visão oblíqua de um virabrequim em linha de quatro cilindros com pistões

Muitas empresas de engenharia mecânica, especialmente aquelas em nações industrializadas, começaram a incorporar programas de engenharia assistida por computador (CAE) em seus processos de projeto e análise existentes, incluindo modelagem sólida 2D e 3D , projeto assistido por computador (CAD). Esse método tem muitos benefícios, incluindo a visualização mais fácil e exaustiva de produtos, a capacidade de criar montagens virtuais de peças e a facilidade de uso no projeto de interfaces de acoplamento e tolerâncias.

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 auxiliada 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 de acoplamento 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 de MDO envolvem os processos CAE existentes, permitindo que a avaliação do produto continue mesmo depois que o analista for para casa. Eles também utilizam algoritmos de otimização sofisticados para explorar projetos possíveis de forma mais inteligente, muitas vezes encontrando soluções melhores e inovadoras para problemas de projeto multidisciplinares difíceis.

Áreas de pesquisa [ editar ]

Os engenheiros mecânicos estão constantemente ultrapassando 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) [ editar ]

Componentes mecânicos em escala mícron, como molas, engrenagens, dispositivos fluídicos e de transferência de calor, são fabricados a partir de uma variedade de materiais de substrato, como silício, vidro e polímeros como SU8 . Exemplos de componentes MEMS são os acelerômetros que são 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) [ editar ]

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, substituindo potencialmente os rebites. Os usos atuais desta tecnologia até o momento incluem a soldagem das costuras do tanque externo principal de alumínio do Ônibus Espacial, Veículo de Tripulação Orion, Veículos de Lançamento Descartáveis ​​Boeing Delta II e Delta IV e SpaceXFoguete Falcon 1, blindagem para navios de assalto anfíbio e soldagem das asas e painéis da fuselagem da nova aeronave Eclipse 500 da Eclipse Aviation entre um crescente conjunto de usos. [54] [55] [56]

Compostos [ editar ]

Pano composto que consiste em fibra de carbono tecida

Compósitos ou materiais compósitos são uma combinação de materiais que fornecem características físicas diferentes de cada material separadamente. A pesquisa de materiais compósitos na engenharia mecânica geralmente se concentra em projetar (e, posteriormente, encontrar aplicações para) materiais mais fortes ou mais rígidos enquanto tenta reduzir o peso , a suscetibilidade à corrosão e outros fatores indesejáveis. Os compósitos reforçados com fibra de carbono, por exemplo, têm sido usados ​​em diversas aplicações, como naves espaciais e varas de pesca.

Mecatrônica [ editar ]

A mecatrônica é a combinação sinérgica de engenharia mecânica, engenharia eletrônica e engenharia de software. A disciplina de mecatrônica começou como uma forma de combinar princípios mecânicos com engenharia elétrica. Conceitos mecatrônicos são usados ​​na maioria dos sistemas eletromecânicos. [57] Sensores eletromecânicos típicos usados ​​em mecatrônica são medidores de tensão, termopares e transdutores de pressão.

Nanotecnologia [ editar ]

Nas menores escalas, a engenharia mecânica se torna nanotecnologia – um objetivo especulativo é criar um montador molecular para construir moléculas e materiais via mecanossíntese . Por enquanto, esse objetivo permanece dentro da engenharia exploratória . As áreas de pesquisa atual da engenharia mecânica em nanotecnologia incluem nanofiltros, [58] nanofilmes, [59] e nanoestruturas, [60] entre outros.

Análise de elementos finitos [ editar ]

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. [61] Este campo não é novo, pois a base da Análise de Elementos Finitos (FEA) ou Método dos Elementos Finitos (FEM) data de 1941. Mas a evolução dos computadores tornou o 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 projeto de componentes. Alguns pacotes de software CAD e modelagem 3D adicionaram módulos FEA. Nos últimos tempos, plataformas de simulação em nuvem comoSimScale estão se tornando mais comuns.

Outras técnicas como o método da diferença finita (FDM) e o método do volume finito (FVM) são empregadas para resolver problemas relacionados à transferência de calor e massa, fluxos de fluidos, interação da superfície do fluido, etc.

Biomecânica [ editar ]

A biomecânica é a aplicação de princípios mecânicos a sistemas biológicos, como humanos , animais , plantas , órgãos e células . [62] A biomecânica também ajuda 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 ciências dos materiais podem fornecer aproximações corretas para a mecânica de muitos sistemas biológicos.

Na última década, a engenharia reversa de materiais encontrados na natureza, como a matéria óssea, ganhou financiamento no meio acadêmico. A estrutura da matéria óssea é otimizada com o propósito de suportar uma grande quantidade de tensão compressiva por unidade de peso. [63] O objetivo é substituir o aço bruto por biomaterial para projeto estrutural.

Na última década, o método dos elementos finitos (FEM) também entrou no setor biomédico, destacando outros aspectos de engenharia da biomecânica. A FEM desde então se estabeleceu como uma alternativa à avaliação cirúrgica in vivo e ganhou ampla aceitação no meio acadêmico. A principal vantagem da Biomecânica Computacional está em sua capacidade de determinar a resposta endoanatômica de uma anatomia, sem estar sujeita a restrições éticas. [64] 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 [ editar ]

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. Computadores são usados ​​para realizar os cálculos necessários para simular a interação de líquidos e gases com superfícies definidas por condições de contorno. [65] Com supercomputadores de alta velocidade, melhores soluções podem ser alcançadas. A pesquisa contínua produz 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 em testes em escala real, por exemplo, testes de voo.

Engenharia acústica [ editar ]

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, insonorizando ou removendo fontes de ruído indesejados. O estudo da acústica pode variar 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. [66]

Campos relacionados [ editar ]

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

Veja também [ editar ]

Listas
Associações
Wikilivros

Referências [ editar ]

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Leitura adicional [ editar ]

Links externos [ editar ]