Инженерия — это практика использования естественных наук , математики и процесса инженерного проектирования [1] для решения технических проблем, повышения эффективности и производительности, а также улучшения систем. Современное машиностроение включает в себя множество подотраслей, в том числе проектирование и улучшение инфраструктуры , машин , транспортных средств , электроники , материалов и энергетических систем. [2]
Инженерная дисциплина охватывает широкий спектр более специализированных областей техники , каждая из которых уделяет более конкретное внимание определенным областям прикладной математики , прикладной науки и типам приложений. См. инженерный глоссарий .
Термин инженерия происходит от латинского ingenium , что означает «умность», и ingeniare , что означает «придумывать, изобретать». [3]
Совет американских инженеров по профессиональному развитию (ECPD, предшественник ABET ) [4] определил «инжиниринг» как:
Творческое применение научных принципов для проектирования или разработки конструкций, машин, аппаратов или производственных процессов или работ, использующих их по отдельности или в комбинации; или строить или эксплуатировать их с полным пониманием их конструкции; или прогнозировать их поведение в конкретных условиях эксплуатации; все с точки зрения предполагаемой функции, экономики эксплуатации и безопасности для жизни и имущества. [5] [6]
Инженерное дело существует с древних времен, когда люди изобрели такие изобретения, как клин, рычаг, колесо и шкив и т. д.
Термин «инжиниринг» происходит от слова « инженер» , которое само по себе восходит к 14 веку, когда инженер (буквально тот, кто строит или управляет осадной машиной ) назывался «конструктором военных машин». [7] В этом контексте уже устаревший термин «двигатель» относится к военной машине, то есть механическому устройству, используемому на войне (например, катапульте ). Яркими примерами устаревшего использования, которые сохранились до наших дней, являются военно-инженерные корпуса, например , Инженерный корпус армии США .
Само слово «двигатель» имеет еще более древнее происхождение и в конечном итоге происходит от латинского ingenium ( ок. 1250 г. ), означающего «врожденное качество, особенно умственная сила, следовательно, умное изобретение». [8]
Позже, когда проектирование гражданских сооружений, таких как мосты и здания, превратилось в техническую дисциплину, термин « гражданское строительство» [6] вошел в лексикон как способ отличить тех, кто специализируется на строительстве таких невоенных проектов, от тех, кто занимался военной инженерией .
Пирамиды в Древнем Египте , зиккураты Месопотамии , Акрополь и Парфенон в Греции , римские акведуки , Виа Аппиа и Колизей, Теотиуакан и храм Брихадисварар в Танджавуре , среди многих других, являются свидетельством изобретательности и мастерства древних гражданские и военные инженеры. Другие памятники, уже не сохранившиеся, такие как Висячие сады Вавилона и Александрийский Фарос , были важными инженерными достижениями своего времени и считались одними из семи чудес Древнего мира .
Шесть классических простых машин были известны на древнем Ближнем Востоке . Клин и наклонная плоскость ( рампа ) были известны еще с доисторических времен. [9] Колесо , наряду с колесно-осевым механизмом, было изобретено в Месопотамии (современный Ирак) в 5-м тысячелетии до нашей эры. [10] Рычажный механизм впервые появился около 5000 лет назад на Ближнем Востоке , где он использовался в простых весах , [11] и для перемещения крупных объектов в древнеегипетской технологии . [12] Рычаг также использовался в водоподъемном устройстве «Шадуф », первой крановой машине, появившейся в Месопотамии ок. 3000 г. до н. э. , [11] а затем в древнеегипетской технологии ок. 2000 г. до н.э. [13] Самые ранние свидетельства существования шкивов относятся к Месопотамии в начале 2-го тысячелетия до нашей эры, [14] и Древнему Египту во времена Двенадцатой династии (1991–1802 до н.э.). [15] Винт , последняя из изобретенных простых машин, [16] впервые появился в Месопотамии в неоассирийский период (911–609) до н . э. [14] Египетские пирамиды были построены с использованием трех из шести простых механизмов: наклонной плоскости, клина и рычага, чтобы создать структуры, подобные Великой пирамиде Гизы . [17]
Самый ранний инженер-строитель, известный по имени, — Имхотеп . [6] Будучи одним из чиновников фараона Джосера , он , вероятно, спроектировал и руководил строительством пирамиды Джосера ( Ступенчатой пирамиды ) в Саккаре в Египте около 2630–2611 гг. до н.э. [18] Самые ранние практические машины с водяным приводом , водяное колесо и водяная мельница , впервые появились в Персидской империи , на территории современного Ирака и Ирана, в начале 4 века до нашей эры. [19]
Куш разработал сакию в 4 веке до нашей эры, которая полагалась на силу животных, а не на человеческую энергию. [20] Хафиры были разработаны как резервуар в Куше для хранения и удержания воды, а также для ускорения орошения. [21] Саперы использовались для строительства дамб во время военных кампаний. [22] Предки кушитов построили спео в эпоху бронзы, между 3700 и 3250 годами до нашей эры. [23] Цветочные печи и доменные печи были также созданы в 7 веках до нашей эры в Куше. [24] [25] [26] [27]
Древняя Греция разработала машины как для гражданского, так и для военного применения. Антикиферский механизм , ранний известный механический аналоговый компьютер , [28] [29] и механические изобретения Архимеда являются примерами греческого машиностроения. Некоторые из изобретений Архимеда, а также механизм Антикитеры, требовали глубоких знаний о дифференциальной передаче или планетарной передаче , двух ключевых принципах теории машин, которые помогли спроектировать зубчатые передачи промышленной революции и широко используются в таких областях, как робототехника и автомобилестроение . [30]
Древние китайские, греческие, римские и гуннские армии использовали военные машины и изобретения, такие как артиллерия , разработанная греками примерно в 4 веке до нашей эры, [31] трирема , баллиста и катапульта . В средние века был разработан требушет .
Самые ранние практические ветряные машины, ветряная мельница и ветряной насос , впервые появились в мусульманском мире во время Золотого века ислама , на территории современного Ирана, Афганистана и Пакистана, в 9 веке нашей эры. [32] [33] [34] [35] Самой ранней практической паровой машиной был паровой домкрат с приводом от паровой турбины , описанный в 1551 году Таки ад-Дином Мухаммадом ибн Маруфом в Османском Египте . [36] [37]
Хлопкоочистительная машина была изобретена в Индии в 6 веке нашей эры, [38] а прялка была изобретена в исламском мире в начале 11 века, [39] оба из которых имели основополагающее значение для роста хлопковой промышленности . Прялка также была предшественником прялки Дженни , которая стала ключевым достижением во время ранней промышленной революции 18 века. [40]
Самые ранние программируемые машины были разработаны в мусульманском мире. Музыкальный секвенсор , программируемый музыкальный инструмент , был самым ранним типом программируемой машины. Первым музыкальным секвенсором был автоматический флейтист , изобретенный братьями Бану Муса и описанный в их «Книге гениальных устройств» в 9 веке. [41] [42] В 1206 году Аль-Джазари изобрел программируемые автоматы / роботы . Он описал четырех музыкантов -автоматов , в том числе барабанщиков, управляемых программируемой драм-машиной , которую можно было заставить играть разные ритмы и разные рисунки ударных. [43]
До развития современной техники математика использовалась ремесленниками и ремесленниками, такими как слесари , часовщики , производители инструментов и геодезисты. Считалось, что помимо этих профессий университеты не имели большого практического значения для технологий. [44] : 32
Стандартный справочник по состоянию механического искусства в эпоху Возрождения дается в трактате о горном деле De re Metallica (1556 г.), который также содержит разделы по геологии, горному делу и химии. De re Metallica была стандартным справочником по химии в течение следующих 180 лет. [44]
Наука классической механики , иногда называемая механикой Ньютона, сформировала научную основу большей части современной техники. [44] С появлением инженерной профессии в 18 веке этот термин стал более узко применяться к областям, в которых математика и естественные науки применялись для этих целей. Точно так же, помимо военного и гражданского строительства, в инженерное дело вошли области, известные тогда как механические искусства .
Строительство канала было важным инженерным сооружением на ранних этапах промышленной революции. [45]
Джон Смитон был первым самопровозглашенным инженером-строителем, и его часто называют «отцом» гражданского строительства. Он был английским инженером-строителем, ответственным за проектирование мостов, каналов, гаваней и маяков. Он также был способным инженером-механиком и выдающимся физиком . Используя модель водяного колеса, Смитон в течение семи лет проводил эксперименты, определяя пути повышения эффективности. [46] : 127 Смитон представил железные оси и шестерни для водяных колес. [44] :69 Смитон также внес механические усовершенствования в паровой двигатель Ньюкомена . Смитон спроектировал третий маяк Эддистоун (1755–1759 гг.), где он впервые применил « гидравлическую известь » (разновидность раствора , который затвердевает под водой) и разработал технику, включающую в строительство маяка блоки гранита, соединенные «ласточкин хвост». Он сыграл важную роль в истории, повторном открытии и развитии современного цемента , поскольку он определил требования к составу, необходимые для получения «гидравличности» извести; работа, которая в конечном итоге привела к изобретению портландцемента .
Прикладная наука привела к разработке парового двигателя. Последовательность событий началась с изобретения барометра и измерения атмосферного давления Евангелистой Торричелли в 1643 году, демонстрации силы атмосферного давления Отто фон Герике с использованием Магдебургских полушарий в 1656 году, лабораторных экспериментов Дени Папена , построившего экспериментальные смоделировал паровые машины и продемонстрировал использование поршня, что он опубликовал в 1707 году. Эдвард Сомерсет, 2-й маркиз Вустер опубликовал книгу из 100 изобретений, содержащую метод поднятия воды, аналогичный кофеварке . Сэмюэл Морланд , математик и изобретатель, работавший над насосами, оставил в Управлении постановлений Воксхолла заметки о конструкции парового насоса, которые прочитал Томас Савери . В 1698 году Савери построил паровой насос под названием «Друг шахтера». Он использовал как вакуум, так и давление. [47] Торговец железом Томас Ньюкомен , который построил первый коммерческий поршневой паровой двигатель в 1712 году, не имел никакой научной подготовки. [46] : 32
Применение чугунных дутьевых цилиндров с паровым приводом для подачи сжатого воздуха в доменные печи привело к значительному увеличению производства чугуна в конце 18 века. Более высокие температуры печи, ставшие возможными благодаря паровому дутью, позволили использовать больше извести в доменных печах , что позволило перейти от древесного угля к коксу . [48] Эти нововведения снизили стоимость железа, сделав практичными конные железные дороги и железные мосты. Процесс лужи , запатентованный Генри Кортом в 1784 году, позволил производить большое количество кованого железа. Горячее дутье , запатентованное Джеймсом Бомонтом Нильсоном в 1828 году, значительно снизило количество топлива, необходимого для выплавки железа. С развитием парового двигателя высокого давления соотношение мощности и веса паровых двигателей сделало возможным создание практичных пароходов и локомотивов. [49] Новые процессы производства стали, такие как бессемеровский процесс и мартеновская печь, открыли область тяжелого машиностроения в конце 19 века.
Одним из самых известных инженеров середины 19 века был Исамбард Кингдом Брюнель , строивший железные дороги, верфи и пароходы.
Промышленная революция создала спрос на машины с металлическими деталями, что привело к разработке нескольких станков . Точное растачивание чугунных цилиндров было невозможно до тех пор, пока Джон Уилкинсон не изобрел свой расточный станок , который считается первым станком . [50] Другие станки включали токарно-винторезный станок , фрезерный станок , револьверный токарный станок и строгальный станок по металлу . Техника точной механической обработки была разработана в первой половине XIX века. Они включали использование кронштейнов для направления обрабатывающего инструмента над заготовкой и приспособлений для удержания заготовки в правильном положении. Станки и методы обработки, позволяющие производить взаимозаменяемые детали, привели к крупномасштабному фабричному производству к концу 19 века. [51]
В переписи населения США 1850 года впервые была указана профессия «инженер» - 2000 человек. [52] До 1865 года в США было менее 50 выпускников инженерных специальностей. В 1870 году в США было около дюжины выпускников машиностроительных специальностей, а в 1875 году это число увеличилось до 43 в год . механические и электрические. [49]
До 1875 года в Кембридже не было кафедры прикладного механизма и прикладной механики, а до 1907 года — инженерной кафедры в Оксфорде. Раньше в Германии были созданы технические университеты. [53]
В основу электротехники 1800-х годов вошли эксперименты Алессандро Вольты , Майкла Фарадея , Георга Ома и других, а также изобретение электрического телеграфа в 1816 году и электродвигателя в 1872 году. Теоретические работы Джеймса Максвелла (см.: Уравнения Максвелла ) и Генрих Герц в конце 19 века положили начало области электроники . Более поздние изобретения электронной лампы и транзистора еще больше ускорили развитие электроники до такой степени, что инженеры-электрики и электроники в настоящее время превосходят по численности своих коллег любой другой инженерной специальности. [6] Химическая технология возникла в конце девятнадцатого века. [6] Производство в промышленных масштабах требовало новых материалов и новых процессов, и к 1880 году потребность в крупномасштабном производстве химикатов была такова, что была создана новая промышленность, занимающаяся разработкой и крупномасштабным производством химикатов на новых промышленных предприятиях. [6] Роль инженера-химика заключалась в проектировании этих химических заводов и процессов. [6]
Авиационная инженерия занимается проектированием процесса проектирования самолетов, в то время как аэрокосмическая инженерия — это более современный термин, который расширяет сферу применения дисциплины, включая проектирование космических кораблей . Его истоки можно проследить до пионеров авиации примерно в начале 20-го века, хотя работы сэра Джорджа Кэли недавно были датированы последним десятилетием 18-го века. Ранние знания в области авиационной техники были в основном эмпирическими, а некоторые концепции и навыки были заимствованы из других отраслей техники. [54]
Первая степень доктора технических наук (технических, прикладных наук и техники ), присужденная в Соединенных Штатах, была вручена Джозайе Уилларду Гиббсу в Йельском университете в 1863 году; это также была вторая степень доктора наук, присужденная в США [55].
Всего через десять лет после успешных полетов братьев Райт произошло широкое развитие авиационной техники за счет разработки военных самолетов, которые использовались в Первой мировой войне . Тем временем исследования, направленные на обеспечение фундаментальной науки, продолжались, сочетая теоретическую физику с экспериментами.
Инженерное дело — это широкая дисциплина, которую часто разбивают на несколько поддисциплин. Хотя инженер обычно обучается определенной дисциплине, он или она может стать многопрофильным специалистом благодаря опыту. Инженерное дело часто характеризуют как имеющее четыре основных отрасли: [56] [57] [58] химическое машиностроение, гражданское строительство, электротехника и машиностроение.
Химическая инженерия — это применение физических, химических, биологических и инженерных принципов для осуществления химических процессов в коммерческих масштабах, таких как производство товарных химикатов , специальных химикатов , нефтепереработка , микрообработка , ферментация и производство биомолекул .
Гражданское строительство — это проектирование и строительство общественных и частных объектов, таких как инфраструктура (аэропорты, дороги, железные дороги, водоснабжение и очистка и т. д.), мосты, туннели, плотины и здания. [59] [60] Гражданское строительство традиционно разбивается на ряд поддисциплин, включая структурное проектирование , экологическое проектирование и геодезию . Традиционно считается отдельным от военного машиностроения . [61]
Электротехника — это проектирование, исследование и производство различных электрических и электронных систем, таких как радиотехника , электрические цепи , генераторы , двигатели , электромагнитные / электромеханические устройства, электронные устройства , электронные схемы , оптические волокна , оптоэлектронные устройства , компьютерные системы, телекоммуникации. , приборостроение , системы управления и электроника .
Машиностроение — это проектирование и производство физических или механических систем, таких как энергетические и энергетические системы, аэрокосмическая / авиационная продукция, системы вооружения , транспортная продукция, двигатели , компрессоры , силовые агрегаты , кинематические цепи , вакуумные технологии, виброизоляционное оборудование, производство , робототехника. , турбины, аудиоаппаратура и мехатроника .
Биоинженерия – это разработка биологических систем для полезных целей. Примеры биоинженерных исследований включают бактерии, созданные для производства химических веществ, новые технологии медицинской визуализации, портативные устройства для быстрой диагностики заболеваний, протезирование, биофармацевтические препараты и тканеинженерные органы.
Междисциплинарная инженерия опирается на более чем одну из основных отраслей практики. Исторически сложилось так, что основными отраслями промышленности были военно-морское и горное машиностроение . Другими инженерными областями являются производственная инженерия , акустическая инженерия , коррозионная инженерия , контрольно-измерительные приборы и контроль , аэрокосмическая , автомобильная , компьютерная , электронная , информационная инженерия , нефтяная , экологическая , системная , аудио , программное обеспечение , архитектурная , сельскохозяйственная , биосистемная , биомедицинская , [62] геологическая. , текстильная , промышленная , материалы , [63 ] и ядерная техника . [64] Эти и другие отрасли техники представлены в 36 лицензированных учреждениях-членах Инженерного совета Великобритании .
Новые специальности иногда сочетаются с традиционными областями и образуют новые отрасли — например, инженерия и управление системами Земли включает в себя широкий спектр предметных областей, включая инженерные исследования , науки об окружающей среде , инженерную этику и инженерную философию .
Аэрокосмическая инженерия охватывает проектирование, разработку, производство и эксплуатационное поведение самолетов , спутников и ракет .
Морская инженерия охватывает проектирование, разработку, производство и эксплуатационное поведение плавсредств и стационарных сооружений, таких как нефтяные платформы и порты .
Компьютерная инженерия (CE) — это отрасль техники, которая объединяет несколько областей информатики и электронной техники , необходимых для разработки компьютерного оборудования и программного обеспечения . Компьютерные инженеры обычно проходят подготовку в области электронной инженерии (или электротехники ), разработки программного обеспечения и интеграции аппаратного и программного обеспечения, а не только разработки программного обеспечения или электронной инженерии.
Геологическая инженерия связана со всем, что построено на Земле или внутри нее. Эта дисциплина применяет геологические науки и инженерные принципы для управления или поддержки работы других дисциплин, таких как гражданское строительство , экологическая инженерия и горное дело . Инженеры-геологи участвуют в исследованиях воздействия объектов и операций, которые влияют на поверхностную и подземную среду, таких как раскопки горных пород (например, туннели ), укрепление фундамента зданий , стабилизация склонов и насыпей, оценка риска оползней , мониторинг подземных вод, восстановление подземных вод , раскопки в горных работах и разведка природных ресурсов .
Тот, кто занимается инженерным делом, называется инженером , и те, кто имеет лицензию на эту деятельность, могут иметь более формальные обозначения, такие как профессиональный инженер , дипломированный инженер , зарегистрированный инженер , инженер , европейский инженер или назначенный технический представитель .
В процессе инженерного проектирования инженеры применяют математику и такие науки, как физика, чтобы найти новые решения проблем или улучшить существующие решения. Для своих проектных проектов инженерам необходимы глубокие знания соответствующих наук. В результате многие инженеры продолжают изучать новый материал на протяжении всей своей карьеры.
Если существует несколько решений, инженеры взвешивают каждый вариант конструкции с учетом их достоинств и выбирают решение, которое лучше всего соответствует требованиям. Задача инженера — выявить, понять и интерпретировать ограничения проекта, чтобы получить успешный результат. Как правило, этого недостаточно для создания технически успешного продукта, скорее, он должен также отвечать дополнительным требованиям.
Ограничения могут включать доступные ресурсы, физические, творческие или технические ограничения, гибкость для будущих модификаций и дополнений, а также другие факторы, такие как требования к стоимости, безопасности , конкурентоспособности, производительности и удобству обслуживания . Понимая ограничения, инженеры определяют спецификации пределов, в которых жизнеспособный объект или система могут быть созданы и эксплуатироваться.
Инженеры используют свои знания в области науки , математики , логики , экономики , а также соответствующий опыт или неявные знания , чтобы найти подходящие решения конкретной проблемы. Создание подходящей математической модели проблемы часто позволяет им проанализировать ее (иногда окончательно) и проверить потенциальные решения. [65]
Обычно существует более одного решения проблемы проектирования, поэтому необходимо оценить различные варианты дизайна по существу, прежде чем будет выбран тот, который будет сочтен наиболее подходящим. Генрих Альтшуллер , собрав статистику по большому количеству патентов , предположил, что компромиссы лежат в основе инженерных проектов « низкого уровня », тогда как на более высоком уровне лучшим проектом является тот, который устраняет основное противоречие, вызывающее проблему. [66]
Инженеры обычно пытаются предсказать, насколько хорошо их конструкции будут соответствовать спецификациям, прежде чем приступить к полномасштабному производству. Они используют, среди прочего: прототипы , масштабные модели , моделирование , разрушающие испытания , неразрушающие испытания и стресс-тесты . Тестирование гарантирует, что продукты будут работать так, как ожидалось, но только в том случае, если тестирование является репрезентативным для использования в эксплуатации. Для продуктов, таких как самолеты, которые по-разному используются разными пользователями, можно ожидать сбоев и неожиданных недостатков (и необходимых конструктивных изменений) на протяжении всего срока службы продукта. [67]
Инженеры берут на себя ответственность за создание конструкций, которые будут работать так, как ожидается, и, за исключением тех, которые используются в определенных областях военной промышленности , не причинят вреда людям. Инженеры обычно включают в свои проекты фактор безопасности , чтобы снизить риск неожиданного отказа.
Исследование вышедших из строя продуктов известно как судебная экспертиза . Он пытается определить причину сбоя, чтобы разрешить перепроектирование продукта и таким образом предотвратить повторное возникновение. Для установления причины неисправности изделия необходим тщательный анализ. Последствия отказа могут различаться по степени тяжести: от незначительных затрат в случае поломки машины до крупных человеческих жертв в случае аварий с участием самолетов и крупных стационарных сооружений, таких как здания и плотины. [68]
Как и во всех современных научных и технологических начинаниях, компьютеры и программное обеспечение играют все более важную роль. Помимо типичного программного обеспечения для бизнес-приложений существует ряд компьютерных приложений ( автоматизированных технологий ), специально предназначенных для проектирования. Компьютеры можно использовать для создания моделей фундаментальных физических процессов, которые можно решить с помощью численных методов .
Одним из наиболее широко используемых инструментов проектирования в профессии является программное обеспечение для автоматизированного проектирования (САПР). Он позволяет инженерам создавать 3D-модели, 2D-чертежи и схемы своих проектов. САПР вместе с цифровым макетом (DMU) и программным обеспечением CAE , таким как анализ методом конечных элементов или метод аналитических элементов, позволяет инженерам создавать модели конструкций, которые можно анализировать без необходимости создания дорогостоящих и трудоемких физических прототипов.
Они позволяют проверять продукты и компоненты на наличие дефектов; оценить посадку и сборку; изучить эргономику; и анализировать статические и динамические характеристики систем, такие как напряжения, температуры, электромагнитные излучения, электрические токи и напряжения, цифровые логические уровни, потоки жидкости и кинематика. Доступ и распространение всей этой информации обычно организуется с использованием программного обеспечения для управления данными о продукции . [69]
Существует также множество инструментов для поддержки конкретных инженерных задач, таких как программное обеспечение для автоматизированного производства (CAM) для создания инструкций по обработке с ЧПУ ; программное обеспечение для управления производственными процессами для технологического проектирования; EDA для печатных плат (PCB) и принципиальных схем для инженеров-электронщиков; Приложения MRO для управления техническим обслуживанием; и программное обеспечение для архитектуры, проектирования и строительства (AEC) для гражданского строительства.
В последние годы использование компьютерного программного обеспечения для помощи в разработке товаров стало известно как управление жизненным циклом продукта (PLM). [70]
Инженерная профессия занимается разнообразной деятельностью: от сотрудничества на общественном уровне до небольших индивидуальных проектов. Почти все инженерные проекты связаны с источником финансирования: компанией, группой инвесторов или правительством. Типы инженерных разработок, которые менее ограничены таким источником финансирования, — это бесплатные разработки и инженерные работы с открытым проектированием .
Инженерное дело взаимосвязано с обществом, культурой и поведением человека. Большинство изделий и конструкций, используемых современным обществом, созданы под влиянием техники. Инженерная деятельность оказывает влияние на окружающую среду, общество и экономику, а также несет ответственность за общественную безопасность.
Инженерные проекты могут быть спорными. Примеры из различных инженерных дисциплин включают: разработку ядерного оружия , плотину «Три ущелья» , проектирование и использование внедорожников и добычу нефти . В ответ некоторые инжиниринговые компании приняли серьезную политику корпоративной и социальной ответственности .
Инженерное дело является ключевым фактором инноваций и человеческого развития. В частности, страны Африки к югу от Сахары обладают небольшим инженерным потенциалом, в результате чего многие африканские страны не могут развивать жизненно важную инфраструктуру без внешней помощи. [ нужна цитата ] Достижение многих целей развития тысячелетия требует достижения достаточного инженерного потенциала для развития инфраструктуры и устойчивого технологического развития. [71]
Зарубежные НПО, занимающиеся развитием и оказанием помощи, широко используют инженеров для применения решений в сценариях стихийных бедствий и развития. Некоторые благотворительные организации используют инженерию непосредственно для развития:
Инжиниринговые компании в более развитых странах сталкиваются с проблемами в отношении количества обучаемых инженеров по сравнению с количеством выходящих на пенсию. Эта проблема заметна в Великобритании, где инженерное дело имеет плохой имидж и низкий статус. [73] Это может вызвать негативные экономические и политические проблемы, а также этические проблемы. [74] Общепризнано, что инженерная профессия сталкивается с «кризисом имиджа». [75] В Великобритании находится наибольшее количество машиностроительных компаний по сравнению с другими европейскими странами, включая США. [ нужна цитата ]
Многие инженерные общества разработали кодексы практики и этические кодексы , которые служат руководством для членов и информированием широкой общественности. Этический кодекс Национального общества профессиональных инженеров гласит:
Инженер – важная и изучаемая профессия. Ожидается, что инженеры, работающие в этой профессии, будут демонстрировать самые высокие стандарты честности и порядочности. Инженерное дело оказывает прямое и жизненно важное влияние на качество жизни всех людей. Соответственно, услуги, предоставляемые инженерами, требуют честности, беспристрастности, справедливости и равенства и должны быть направлены на защиту общественного здоровья, безопасности и благосостояния. Инженеры должны действовать в соответствии со стандартами профессионального поведения, требующими соблюдения самых высоких принципов этического поведения. [76]
В Канаде инженеры носят Железное кольцо как символ и напоминание об обязанностях и этике, связанных с их профессией. [77]
Ученые изучают мир таким, какой он есть; инженеры создают мир, которого никогда не было.
- Теодор фон Карман [78] [79] [80]
Существует совпадение между наукой и инженерной практикой; в инженерном деле применяется наука. Обе области деятельности основаны на точном наблюдении материалов и явлений. Оба используют математику и критерии классификации для анализа и передачи наблюдений. [ нужна цитата ]
Ученым, возможно, также придется выполнять инженерные задачи, такие как разработка экспериментального оборудования или создание прототипов. И наоборот, в процессе разработки технологий инженеры иногда обнаруживают, что исследуют новые явления, становясь таким образом на данный момент учеными или, точнее, «учеными-инженерами». [81]
В книге «Что знают инженеры и как они это знают» [ 82] Уолтер Винченти утверждает, что инженерные исследования имеют характер, отличный от характера научных исследований. Во-первых, он часто касается областей, в которых основы физики или химии хорошо изучены, но сами проблемы слишком сложны, чтобы их можно было решить точным способом.
Между инженерией и физикой существует «реальная и важная» разница, как и в любой другой области науки, связанной с технологиями. [83] [84] Физика — это исследовательская наука, которая ищет знания о принципах, в то время как инженерия использует знания для практического применения принципов. Первый приравнивает понимание к математическому принципу, а второй измеряет задействованные переменные и создает технологию. [85] [86] [87] Для техники физика является вспомогательной и в каком-то смысле технология рассматривается как прикладная физика. [88] Хотя физика и инженерия взаимосвязаны, это не означает, что физик обучен выполнять работу инженера. Физику обычно требуется дополнительная и соответствующая подготовка. [89] Физики и инженеры занимаются разными видами деятельности. [90] А вот физики-докторанты, специализирующиеся в секторах инженерной физики и прикладной физики, имеют звания технологов, инженеров-исследователей и системных инженеров. [91]
Примером этого является использование численных аппроксимаций уравнений Навье – Стокса для описания аэродинамического обтекания самолета или использование метода конечных элементов для расчета напряжений в сложных компонентах. Во-вторых, в инженерных исследованиях используется множество полуэмпирических методов , чуждых чисто научным исследованиям, одним из примеров является метод вариации параметров. [92]
Как заявили Fung et al. в редакции классического инженерного текста «Основы механики твердого тела »:
Инженерное дело сильно отличается от науки. Ученые пытаются понять природу. Инженеры пытаются создать вещи, которых нет в природе. Инженеры подчеркивают инновации и изобретения. Чтобы воплотить изобретение, инженер должен конкретизировать свою идею и спроектировать что-то, что люди смогут использовать. Это что-то может быть сложной системой, устройством, гаджетом, материалом, методом, вычислительной программой, инновационным экспериментом, новым решением проблемы или улучшением того, что уже существует. Поскольку конструкция должна быть реалистичной и функциональной, для нее должны быть определены данные о геометрии, размерах и характеристиках. В прошлом инженеры, работавшие над новыми проектами, обнаружили, что у них нет всей необходимой информации для принятия проектных решений. Чаще всего они были ограничены недостаточными научными знаниями. Таким образом они изучали математику , физику , химию , биологию и механику . Часто им приходилось заниматься науками, имеющими отношение к их профессии. Так родились инженерные науки. [93]
Хотя в инженерных решениях используются научные принципы, инженеры также должны учитывать безопасность, эффективность, экономичность, надежность и технологичность или простоту изготовления, а также экологические, этические и юридические соображения, такие как нарушение патентных прав или ответственность в случае неудачи. решения. [94]
Изучение человеческого тела, хотя и с разных направлений и с разными целями, является важным общим связующим звеном между медициной и некоторыми инженерными дисциплинами. Целью медицины является поддержание, восстановление, улучшение и даже замена функций человеческого организма , при необходимости, с помощью технологий .
Современная медицина может заменить некоторые функции организма с помощью искусственных органов и существенно изменить функции человеческого тела с помощью искусственных устройств, таких как, например, мозговые имплантаты и кардиостимуляторы . [95] [96] Области бионики и медицинской бионики посвящены изучению синтетических имплантатов, относящихся к природным системам.
И наоборот, некоторые инженерные дисциплины рассматривают человеческое тело как биологическую машину, достойную изучения, и стремятся имитировать многие из ее функций, заменяя биологию технологиями. Это привело к появлению таких областей, как искусственный интеллект , нейронные сети , нечеткая логика и робототехника . Между инженерией и медициной также существует существенное междисциплинарное взаимодействие. [97] [98]
Обе области обеспечивают решения реальных проблем. Это часто требует продвижения вперед, прежде чем явления будут полностью поняты в более строгом научном смысле, и поэтому экспериментирование и эмпирическое знание являются неотъемлемой частью того и другого.
Медицина, в частности, изучает функции человеческого организма. Человеческое тело как биологическая машина имеет множество функций, которые можно смоделировать инженерными методами. [99]
Сердце, например, функционирует во многом как насос, [100] скелет подобен связанной структуре с рычагами, [101] мозг производит электрические сигналы и т. д. [102] Эти сходства, а также растущая важность и применение инженерных принципов в медицины, привело к развитию области биомедицинской инженерии , в которой используются концепции, разработанные в обеих дисциплинах.
Новые отрасли науки, такие как системная биология , адаптируют аналитические инструменты, традиционно используемые в инженерии, такие как системное моделирование и вычислительный анализ, для описания биологических систем. [99]
Существуют связи между инженерным делом и искусством, например, архитектурой , ландшафтной архитектурой и промышленным дизайном (даже в той степени, в которой эти дисциплины иногда могут быть включены в состав инженерного факультета университета ). [104] [105] [106]
Институт искусств Чикаго , например, провел выставку об искусстве аэрокосмического дизайна НАСА . [107] Некоторые считают, что проект моста Роберта Майяра был намеренно художественным. [108] В Университете Южной Флориды профессор инженерного дела, благодаря гранту Национального научного фонда , разработал курс, соединяющий искусство и инженерное дело. [104] [109]
Среди известных исторических деятелей Леонардо да Винчи — известный художник и инженер эпохи Возрождения , а также яркий пример связи искусства и техники. [103] [110]
Бизнес-инжиниринг занимается взаимоотношениями между профессиональным инжинирингом, ИТ-системами, бизнес-администрированием и управлением изменениями . Инженерный менеджмент или «Управленческая инженерия» — это специализированная область управления , связанная с инженерной практикой или сектором машиностроительной промышленности. Спрос на инженеров, ориентированных на управление (или, с противоположной точки зрения, на менеджеров с пониманием инженерного дела), привел к развитию специализированных степеней инженерного менеджмента, которые развивают знания и навыки, необходимые для этих ролей. В ходе курса инженерного менеджмента студенты будут развивать навыки, знания и опыт в области промышленного проектирования , а также знания в области делового администрирования, методов управления и стратегического мышления. Инженеры, специализирующиеся на управлении изменениями, должны иметь глубокие знания о применении принципов и методов промышленной и организационной психологии . Профессиональные инженеры часто проходят обучение в качестве сертифицированных консультантов по управлению в очень специализированной области управленческого консультирования , применимой к инженерной практике или инженерному сектору. Эта работа часто связана с крупномасштабной сложной трансформацией бизнеса или инициативами по управлению бизнес-процессами в аэрокосмической и оборонной, автомобильной, нефтегазовой, машиностроительной, фармацевтической, пищевой, электротехнической и электронике, распределении и выработке электроэнергии, коммунальных услугах и транспортных системах. Такое сочетание инженерно-технической практики, практики управленческого консультирования, знаний отраслевого сектора и опыта управления изменениями позволяет профессиональным инженерам, которые также имеют квалификацию консультантов по управлению, возглавлять крупные инициативы по трансформации бизнеса. Эти инициативы обычно спонсируются руководителями высшего звена.
В политологии термин « инжиниринг» был заимствован для изучения предметов социальной инженерии и политической инженерии , которые занимаются формированием политических и социальных структур с использованием инженерной методологии в сочетании с принципами политологии . Маркетинговая инженерия и финансовая инженерия аналогичным образом заимствовали этот термин.
Метод, используемый инженерами для создания артефактов и систем — от сотовой телефонии, компьютеров и смартфонов и GPS до пультов дистанционного управления, самолетов и биомиметических материалов и устройств — не тот метод, который ученые используют в своей работе. Научный метод имеет предписанный процесс: сформулируйте вопрос, наблюдайте, формулируйте гипотезу, проверяйте, анализируйте и интерпретируйте. Он не знает, что будет обнаружено, какая истина будет раскрыта. Напротив, инженерный метод преследует конкретную цель и не может быть сведен к набору фиксированных шагов, которым необходимо следовать.
Вращающаяся Дженни была, по сути, адаптацией своего предшественника — прялки.
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Отрасли: Традиционно существует четыре основных инженерных дисциплины: гражданское, механическое, электрическое и химическое.
Великий инженер Теодор фон Карман однажды сказал: «Учёные изучают мир таким, какой он есть, инженеры создают мир, которого никогда не было». Сегодня, как никогда, инженер должен создать мир, которого никогда не было...