機械工学

機械工学は、力や動きを伴う物理的な機械の研究です。機械システムの設計、分析、製造、保守を行うために、工学物理学と数学の原理を材料科学と組み合わせた工学分野です。^{[1]最も古く、最も幅広い}工学分野の1つです。

機械工学には、力学、動力学、熱力学、材料科学、設計、構造解析、電気などの中核分野の理解が必要です。これらの中核原則に加えて、機械エンジニアはコンピュータ支援設計（CAD）、コンピュータ支援製造（CAM）、コンピュータ支援エンジニアリング（CAE）、製品ライフサイクル管理などのツールを使用して、製造プラント、産業機器や機械、暖房および冷房システム、輸送システム、自動車、航空機、船舶、ロボット工学、医療機器、武器などを設計および分析します。^{[2] [3]}

機械工学は、18 世紀のヨーロッパの産業革命中に分野として登場しましたが、その発展は世界中で数千年前に遡ることができます。19 世紀には、物理​​学の発展が機械工学科学の発展につながりました。この分野は進歩を取り入れながら継続的に進化しており、今日、機械エンジニアは複合材料、メカトロニクス、ナノテクノロジーなどの分野で開発を進めています。また、航空宇宙工学、冶金工学、土木工学、構造工学、電気工学、製造工学、化学工学、産業工学、およびその他の工学分野とさまざまな程度で重複しています。機械エンジニアは、バイオメディカル エンジニアリング、具体的にはバイオメカニクス、輸送現象、バイオメカトロニクス、バイオナノテクノロジー、生物システムのモデリング の分野でも働くことがあります。

機械工学の応用は、古代および中世の様々な社会のアーカイブに見ることができます。 6つの古典的な単純な機械は、古代近東で知られていました。くさびと傾斜面（ランプ）は先史時代から知られていました。 ^{[4]いくつかの、主に古い情報源では、} メソポタミア文明が車輪を発明したとされています。^{[5] [6] [7]しかし、最近の情報源の中には、メソポタミアと}東ヨーロッパの両方で独立して発明されたことを示唆するものや、先史時代の東ヨーロッパ人が車輪を発明したとするものがいくつかあります。 ^{[8] [9] [10] [11]}てこの仕組みは、約5,000年前に近東で初めて登場し、単純な天秤に使用されました。 ^{[12]また、}古代エジプトの技術では大きな物体を動かすために使用されました。^[13]てこは、紀元前3000年頃にメソポタミアで登場した最初のクレーン機械であるシャドーフ揚水装置にも使用されました。^[12]滑車に関する最も古い証拠は、紀元前2千年紀初期のメソポタミアにまで遡ります。^[14]

サキアは紀元前4世紀にクシュ王国で開発された。これは動物の力に依存し、人力の必要性を減らした。^[15] クシュでは水を貯めて灌漑を促進するためにハフィールという形の貯水池が開発された。 ^[16]メロエでは紀元前7世紀にブルーム工場と高炉が開発された。^{[17] [18] [19] [20]}クシュの日時計は高度な三角法の形で数学を応用した。^{[21] [22]}

最も古い実用的な水力機械である水車と水車小屋は、紀元前4世紀初頭までに現在のイラクとイランにあったペルシャ帝国で初めて登場しました。 ^[23]古代ギリシャでは、アルキメデス（紀元前287-212年）の作品が西洋の伝統的な力学に影響を与えました。ギア付きのアンティキティラ島の機械は、紀元前2世紀頃に発明されたアナログコンピュータでした。 ^[24]

ローマ帝国時代のエジプトでは、アレクサンドリアのヘロン（紀元10年頃 - 70年）が世界初の蒸気動力装置（アイオロスの球）を発明した。^[25]中国では、張衡（紀元78年 - 139年）が水時計を改良して地震計を発明し、馬鈞（紀元200年 - 265年）は差動歯車付きの戦車を発明した。中世中国の時計学者で技術者の蘇松（紀元1020年 - 1101年）は、中世ヨーロッパの時計に脱進機が見られる2世紀前に、天文時計塔に脱進機の機構を組み込んだ。蘇松は、世界初として知られる無限動力伝達チェーンドライブも発明した。^[26]

綿繰り機は6世紀までにインドで発明され、^[27]紡ぎ車は11世紀初頭までにイスラム世界で発明され、 ^[28]デュアルローラージンは12世紀から14世紀の間にインドと中国で登場しました。^[29]ウォームギアローラージンは13世紀から14世紀のデリー・スルタン朝初期にインド亜大陸で登場しました。^[30]

イスラムの黄金時代（7世紀から15世紀）には、イスラム教徒の発明家たちが機械技術の分野で目覚ましい貢献を果たしました。その一人であるアル・ジャザリーは、1206年に有名な『巧妙な機械装置に関する知識の書』を著し、多くの機械設計を発表しました。

17世紀には、機械工学の基礎における重要な進歩がイギリスと大陸で起こった。オランダの数学者で物理学者のクリスティアーン・ホイヘンスは1657年に振り子時計を発明した。これはほぼ300年ぶりの信頼できる時間計測装置となり、時計の設計とその背後にある理論に関する著作を出版した。 ^{[31] [32]}イギリスでは、アイザック・ニュートンがニュートンの運動の法則を定式化し、物理学の数学的基礎となる微積分学を開発した。ニュートンは長年自分の著作を出版したがらなかったが、最終的にはエドモンド・ハレーなどの同僚らに説得されて出版した。機械式計算機を以前に設計したゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツも、同時期に微積分学を開発したとされている。^[33]

19世紀初頭の産業革命の間、工作機械がイギリス、ドイツ、スコットランドで開発されました。これにより、機械工学が工学内の独立した分野として発展することができました。彼らは製造機械とそれらを動かすエンジンをもたらしました。^[34]機械技術者の最初の英国専門団体は、土木技術者が最初の専門団体である土木技術者協会を設立してから30年後の1847年に機械技術者協会として設立されました。^[35]ヨーロッパ大陸では、ヨハン・フォン・ツィンメルマン（1820–1901）が1848年にドイツの ケムニッツに最初の研削盤工場を設立しました。

アメリカでは、 1880年にアメリカ機械学会（ASME）が設立され、アメリカ土木学会（1852年）とアメリカ鉱山学会（1871年）に次ぐ3番目の専門工学団体となった。^[36]アメリカで最初に工学教育を提供した学校は、 1817年のアメリカ陸軍士官学校、1819年の現在のノーウィッチ大学、そして1825年のレンセラー工科大学である。機械工学の教育は歴史的に、数学と科学の強固な基礎に基づいてきた。^[37]

機械工学の学位は、世界中のさまざまな大学で取得できます。機械工学のプログラムは、場所や大学によって異なりますが、通常 4 年から 5 年の学習期間を要し、機械工学専攻または機械工学に重点を置いた工学士(B.Eng. または BE)、理学士(B.Sc. または BS)、理学工学士(B.Sc.Eng.)、技術士(B.Tech.)、機械工学士 (BME)、または応用科学士(BASc.) の学位が取得できます。BS も B.Tech. プログラムも採用されていないスペイン、ポルトガル、および南米のほとんどの国では、この学位の正式名称は「機械エンジニア」で、コースワークは 5 年から 6 年のトレーニングに基づいています。イタリアでは、コースワークは 5 年間の教育とトレーニングに基づいていますが、エンジニアとして資格を得るには、コース終了時に国家試験に合格する必要があります。ギリシャでは、コースワークは 5 年間のカリキュラムに基づいています。^[38]

米国では、ほとんどの学部機械工学プログラムは、大学間で同様のコース要件と基準を確保するために、工学技術認定委員会（ABET）によって認定されています。ABETのWebサイトには、2014年3月11日現在、302の認定機械工学プログラムが掲載されています^。[39]カナダの機械工学プログラムは、カナダ工学認定委員会（CEAB）によって認定されており、^[40]工学の学位を提供する他のほとんどの国にも同様の認定団体があります。

オーストラリアでは、機械工学の学位は工学士（機械）または類似の名称で授与されますが、専門分野の数が増えています。学位を取得するには、フルタイムで4年間勉強する必要があります。工学学位の質を保証するために、エンジニアズオーストラリアは、世界的なワシントン協定に従って、オーストラリアの大学が授与する工学学位を認定しています。学位を授与される前に、学生はエンジニアリング会社で少なくとも3か月の実務経験を積む必要があります。^[41]同様のシステムは南アフリカにも存在し、南アフリカエンジニアリング評議会（ECSA）によって監督されています。

インドでは、エンジニアになるには、B.Tech や BE などの工学の学位、工学のディプロマ、または工業訓練所(ITI) でフィッターなどの工学の職業コースを修了して「ITI 職業証明書」を取得し、さらに国立職業訓練評議会 (NCVT) が実施する工学の職業に関する全インド職業試験 (AITT) に合格して「国家職業証明書」を授与される必要がある。ネパールでも同様のシステムが採用されている。^[42]

機械エンジニアの中には、工学修士、技術学修士、理学修士、工学管理修士（M.Eng.Mgt. または MEM）、工学博士（Eng.D. または Ph.D.） 、エンジニアの学位などの大学院の学位を取得する人もいます。修士号とエンジニアの学位には、研究が含まれる場合と含まれない場合があります。博士号には重要な研究要素が含まれており、学術界への入り口と見なされることがよくあります。^[43]エンジニアの学位は、修士号と博士号の中間レベルとして、いくつかの機関で提供されています。

各国の認定団体が定める基準は、基礎科目の統一性を提供し、卒業するエンジニアの能力を高め、エンジニアリング職業全体に対する信頼を維持することを目的としています。たとえば、米国のエンジニアリング プログラムでは、ABET により、学生が「熱システムと機械システムの両方の分野で専門的に働くことができる」ことを示すことが求められています。^[44]ただし、卒業に必要な特定のコースはプログラムごとに異なる場合があります。大学や技術研究所では、利用可能な教員と大学の主要研究分野に応じて、複数の科目を 1 つのクラスにまとめたり、1 つの科目を複数のクラスに分割したりすることがよくあります。

機械工学に必要な基礎科目には通常、次のものが含まれます。

• 数学（特に微積分、微分方程式、線形代数）
• 基礎物理科学（物理学と化学を含む）
• 静力学と動力学
• 材料力学と固体力学
• 材料工学、複合材料
• 熱力学、熱伝達、エネルギー変換、HVAC
• 燃料、燃焼、内燃機関
• 流体力学（流体静力学および流体力学を含む）
• 機構と機械設計（運動学と動力学を含む）
• 計測機器と測定
• 製造エンジニアリング、テクノロジー、またはプロセス
• 振動、制御理論、制御工学
• 油圧と空気圧
• メカトロニクスとロボット工学
• エンジニアリング設計と製品設計
• 製図、コンピュータ支援設計（CAD）、コンピュータ支援製造（CAM）^{[45] [46]}

機械エンジニアは、化学、物理学、トライボロジー、化学工学、土木工学、電気工学の基本概念を理解し、応用できることも求められます。すべての機械工学プログラムには、微積分学を含む数学クラスが複数学期にわたって含まれ、微分方程式、偏微分方程式、線型代数、微分幾何学、統計学などの高度な数学概念も学習します。

機械工学の中核カリキュラムに加えて、多くの機械工学プログラムでは、制御システム、ロボット工学、輸送と物流、極低温学、燃料技術、自動車工学、生体力学、振動、光学など、これらの科目のための独立した部門が存在しない場合は、より専門的なプログラムや授業を提供しています。^[47]

ほとんどの機械工学プログラムでは、実践的な問題解決の経験を積むために、さまざまな量の研究やコミュニティプロジェクトも求められます。米国では、機械工学の学生が在学中に1回以上のインターンシップを完了することが一般的ですが、これは通常大学によって義務付けられていません。協同教育も別の選択肢です。将来の仕事のスキル^[48]研究では、学生の創造性と革新性を養う学習要素が求められます。^[49]

機械エンジニアは、ツール、エンジン、機械などの機械的および熱的装置の研究、設計、開発、構築、テストを行います。

機械エンジニアは通常、次のことを行います。

• 問題を分析して、機械的および熱的装置がどのように問題の解決に役立つかを確認します。
• 解析とコンピュータ支援設計を使用して、機械装置および熱装置を設計または再設計します。
• 設計したデバイスのプロトタイプを開発し、テストします。
• テスト結果を分析し、必要に応じて設計を変更します。
• デバイスの製造プロセスを監督します。
• 機械製図や設計、プロトタイピング、3D 印刷、CNC マシンの専門家などの専門分野の専門家チームを管理します。

機械エンジニアは、医療機器から新しいバッテリーまで、さまざまな製品の設計と製造を監督します。また、発電機、内燃機関、蒸気タービン、ガスタービンなどの発電機械や、冷凍システムや空調システムなどの電力使用機械も設計します。

他のエンジニアと同様に、機械エンジニアはコンピューターを使用して設計の作成と分析、シミュレーションの実行、機械の動作テストを行います。

エンジニアは、州、地方、または国の政府からライセンスを取得することができます。このプロセスの目的は、エンジニアが専門レベルでエンジニアリングを実践するために必要な技術的知識、実社会での経験、および現地の法制度に関する知識を備えていることを確認することです。認定されると、エンジニアにはProfessional Engineer (米国、カナダ、日本、韓国、バングラデシュ、南アフリカ)、Chartered Engineer (英国、アイルランド、インド、ジンバブエ)、Chartered Professional Engineer (オーストラリアとニュージーランド)、またはEuropean Engineer (欧州連合のほとんどの国) の称号が与えられます。

米国では、プロフェッショナル エンジニア (PE) の資格を取得するには、包括的な FE (エンジニアリングの基礎) 試験に合格し、エンジニアリング インターン (EI)またはトレーニング中のエンジニア (EIT)として最低 4 年間勤務し、「原則と実践」または PE (実務エンジニアまたはプロフェッショナル エンジニア) 試験に合格する必要があります。このプロセスの要件と手順は、米国のすべての州と準州を代表するエンジニアリングおよび測量ライセンス委員会で構成されるNational Council of Examiners for Engineering and Surveying (NCEES) によって規定されています。

英国では、機械技術者協会による公認機械技術者（CEng、MIMechE）になるためには、現在の卒業生はBEngに加えて適切な修士号または統合MEng学位、卒業後最低4年間の実務能力開発、およびピアレビューされたプロジェクトレポートが必要です。CEng MIMechEは、シティアンドギルドオブロンドン研究所が管理する試験ルートを通じて取得することもできます。^[50]

ほとんどの先進国では、橋梁、発電所、化学工場の設計など、特定のエンジニアリング作業は、専門技術者または公認エンジニアの承認が必要です。「たとえば、ライセンスを取得したエンジニアのみが、エンジニアリング計画書や図面を作成し、署名し、捺印し、公的機関に提出して承認を得たり、公共および民間のクライアントのエンジニアリング作業に捺印したりすることができます。」^[51]この要件は、カナダの州、たとえばオンタリオ州やケベック州のエンジニア法など、州法や地方法に明記することができます。^[52]

オーストラリアやイギリスなどの他の国では、そのような法律は存在しませんが、実質的にすべての認証機関は法律とは独立した倫理規定を維持しており、すべての会員が遵守することを期待しており、遵守しない場合は除名される可能性があります。^[53]

2015年に米国で雇用されたエンジニアの総数は約160万人でした。このうち、278,340人が機械エンジニア（17.28%）で、規模別では最大の分野です。^[54] 2012年、米国の労働力における機械エンジニアの年収の中央値は80,580ドルでした。中央値の収入が最も高かったのは政府機関で働いていたとき（92,030ドル）で、最も低かったのは教育を受けたとき（57,090ドル）でした。^[55] 2014年には、機械工学の仕事の総数は今後10年間で5％増加すると予測されていました。^[56] 2009年時点で、学士号取得者の平均初任給は58,800ドルでした。^[57]

機械工学の分野は、多くの機械工学科学分野の集合体と考えることができます。学部レベルで一般的に教えられるこれらのサブ分野のいくつかを以下に挙げ、それぞれの簡単な説明と最も一般的な用途を示します。これらのサブ分野には、機械工学に特有のものもあれば、機械工学と 1 つ以上の他の分野を組み合わせたものもあります。機械エンジニアが行う作業の大半では、これらのサブ分野のいくつかと専門サブ分野のスキルとテクニックが使われます。この記事で使用されている専門サブ分野は、学部研究よりも大学院研究や実地研修の主題となる可能性が高くなります。このセクションでは、いくつかの専門サブ分野について説明します。

力学は、最も一般的な意味では、力とそれが物質に与える影響を研究する学問です。通常、工学力学は、既知の力（荷重とも呼ばれる）または応力を受ける物体の加速と変形（弾性と塑性の両方）を分析および予測するために使用されます。力学のサブ分野には以下が含まれます。

• 静力学、既知の荷重下にある静止物体の研究、力が静止物体にどのように影響するか
• 力学は、力が運動物体にどのように影響するかを研究する学問です。力学には、運動学（動き、速度、加速度について）と運動学（力とその結果生じる加速度について）が含まれます。
• 材料力学、さまざまな材料がさまざまな応力下でどのように変形するかを研究する学問。
• 流体力学、流体が力に対してどのように反応するかを研究する学問^[58]
• 運動学は、運動を引き起こす力を無視して、物体（オブジェクト）とシステム（オブジェクトのグループ）の運動を研究する学問です。運動学は、メカニズムの設計と分析によく使用されます。
• 連続体力学、物体が連続的（離散的ではなく）であると仮定して力学を適用する方法

機械エンジニアは、通常、エンジニアリングの設計段階または分析段階で力学を使用します。エンジニアリング プロジェクトが車両の設計である場合、車両のフレームを設計して、応力が最も強くなる場所を評価するために、静力学が使用されることがあります。自動車のエンジンを設計するときには、エンジンのサイクル時にピストンとカムに働く力を評価するため、動力学が使用されることがあります。フレームとエンジンに適切な材料を選択するために、材料力学が使用されることがあります。車両の換気システム ( HVAC を参照) を設計したり、エンジンの 吸気システムを設計したりするために、流体力学が使用されることがあります。

メカトロニクスは、機械工学と電子工学を組み合わせたものです。機械工学、電気工学、ソフトウェア工学の学際的な分野であり、電気工学と機械工学を統合してハイブリッド自動化システムを作成することを目的としています。このようにして、電気モーター、サーボ機構、その他の電気システムを特別なソフトウェアと組み合わせて使用​​することで、機械を自動化できます。メカトロニクス システムの一般的な例は、CD-ROM ドライブです。機械システムがドライブを開閉し、CD を回転させてレーザーを動かし、光学システムが CD 上のデータを読み取ってビットに変換します。統合されたソフトウェアがプロセスを制御し、CD の内容をコンピューターに伝えます。

ロボティクスとは、メカトロニクスを応用してロボットを作ることです。ロボットは、危険、不快、または反復的な作業を実行するために産業界でよく使用されます。これらのロボットは、形やサイズは自由ですが、すべて事前にプログラムされており、物理的に外界と相互作用します。ロボットを作るために、エンジニアは通常、運動学 (ロボットの可動範囲を決定するため) と力学 (ロボット内の応力を決定するため) を使用します。

ロボットは産業オートメーション工学で広く使用されています。ロボットにより、企業は人件費を節約し、人間が経済的に行うには危険すぎる、または精密すぎる作業を実行し、品質を向上させることができます。多くの企業、特に自動車産業ではロボットの組立ラインが採用されており、工場によってはロボット化が進んでおり、自動運転できるようになっています。工場以外では、ロボットは爆弾処理、宇宙探査、その他多くの分野で使用されています。ロボットはレクリエーションから家庭用まで、さまざまな住宅用途にも販売されています。^[59]

構造解析は機械工学（および土木工学）の一分野であり、物体がなぜ、どのように故障するかを調べ、物体とその性能を修復することを目的としています。構造的故障は、静的故障と疲労故障という2つの一般的なモードで発生します。静的構造故障は、荷重（力が加えられる）がかかったときに、解析対象の物体が破損するか、故障の基準に応じて塑性変形したときに発生します。疲労故障は、物体が荷重と除荷のサイクルを何度も繰り返した後に故障したときに発生します。疲労故障は、物体の欠陥が原因で発生します。たとえば、物体の表面にある微細な亀裂は、サイクル（伝播）ごとに少しずつ大きくなり、最終的に破損を引き起こすのに十分な大きさになります。^[60]

ただし、故障は単に部品が壊れたときだけとは定義されません。部品が意図したとおりに動作しないときと定義されます。一部のプラスチック バッグの穴あき上部など、一部のシステムは壊れるように設計されています。これらのシステムが壊れない場合は、故障分析を行って原因を突き止める場合があります。

構造解析は、故障が発生した後、または故障を防ぐための設計を行う際に機械エンジニアによってよく使用されます。エンジニアは、故障の種類や考えられる原因を特定するために、ASM ^[61]が発行しているようなオンラインドキュメントや書籍をよく使用します。

理論が機械設計に適用されると、計算結果を検証するために物理的なテストが実行されることがよくあります。構造解析は、オフィスで部品を設計するとき、現場で故障した部品を分析するとき、または部品が制御された故障テストを受ける可能性のある研究室で使用される場合があります。

熱力学は、機械工学や化学工学を含む工学のいくつかの分野で利用される応用科学です。簡単に言えば、熱力学とはエネルギー、システムによるエネルギーの使用と変換の研究です。^[62]通常、工学熱力学はエネルギーをある形から別の形に変換することに関係しています。例えば、自動車のエンジンは燃料からの化学エネルギー（エンタルピー）を熱に変換し、最終的に車輪を回転させる機械的仕事に変換します。

熱力学の原理は、熱伝達、熱流体、エネルギー変換の分野で機械エンジニアによって使用されています。機械エンジニアは熱科学を使用して、エンジンや発電所、暖房、換気、空調（HVAC）システム、熱交換器、ヒートシンク、ラジエーター、冷凍、断熱材などを設計します。^[63]

製図または技術図面は、機械技術者が製品を設計し、部品を製造するための指示書を作成する手段です。技術図面は、部品の製造に必要なすべての寸法、組み立てメモ、必要な材料のリスト、およびその他の関連情報を示すコンピュータモデルまたは手描きの概略図です。 ^[64]技術図面を作成する米国の機械技術者または熟練労働者は、製図者または製図工と呼ばれることがあります。製図は歴史的に2次元のプロセスでしたが、コンピューター支援設計（CAD）プログラムにより、設計者は3次元で作成できるようになりました。

部品を製造するための指示は、手動で、プログラムされた指示を介して、またはコンピュータ支援製造(CAM) または複合 CAD/CAM プログラムを使用して、必要な機械に入力する必要があります。オプションとして、エンジニアは技術図面を使用して手動で部品を製造することもできます。ただし、コンピュータ数値制御(CNC) 製造の出現により、部品は技術者の継続的な入力を必要とせずに製造できるようになりました。手動で製造される部品は、通常、スプレーコーティング、表面仕上げ、および機械では経済的または実用的に実行できないその他のプロセスで構成されます。

製図は、機械工学のほぼすべての分野、および工学や建築の多くの他の分野で使用されています。CAD ソフトウェアを使用して作成された 3 次元モデルは、有限要素解析(FEA) や数値流体力学(CFD) でも一般的に使用されています。

多くの機械工学企業、特に先進国の企業は、2D および 3Dソリッド モデリングコンピュータ支援設計(CAD) を含むコンピュータ支援エンジニアリング(CAE) プログラムを既存の設計および分析プロセスに取り入れています。この方法には、製品の視覚化がより容易かつ包括的になること、部品の仮想アセンブリを作成できること、嵌合インターフェイスと許容差の設計が簡単になることなど、多くの利点があります。

機械エンジニアが一般的に使用するその他の CAE プログラムには、製品ライフサイクル管理(PLM) ツールや、複雑なシミュレーションを実行するための解析ツールなどがあります。解析ツールは、疲労寿命や製造可能性など、予想される負荷に対する製品の応答を予測するために使用できます。これらのツールには、有限要素解析(FEA)、数値流体力学(CFD)、コンピューター支援製造(CAM) などがあります。

CAE プログラムを使用すると、機械設計チームは設計プロセスを迅速かつ安価に反復して、コスト、パフォーマンス、その他の制約をより適切に満たす製品を開発できます。設計が完成に近づくまで物理的なプロトタイプを作成する必要がないため、比較的少数の設計ではなく、数百または数千の設計を評価できます。さらに、CAE 解析プログラムでは、粘弾性、嵌合部品間の複雑な接触、非ニュートン流など、手作業では解決できない複雑な物理現象をモデル化できます。

メカトロニクスに見られるように、機械工学が他の分野と融合し始めると、反復的な設計プロセスを自動化および改善するために、他の CAE プログラムとともに多分野設計最適化(MDO) が使用されるようになります。MDO ツールは既存の CAE プロセスをラップし、アナリストが帰宅した後でも製品評価を継続できるようにします。また、洗練された最適化アルゴリズムを使用して、よりインテリジェントに可能な設計を探索し、困難な多分野設計の問題に対して、より優れた革新的なソリューションを見つけることがよくあります。

機械エンジニアは、より安全で、より安価で、より効率的な機械や機械システムを生み出すために、物理的に可能なことの限界を常に押し広げています。機械工学の最先端技術のいくつかを以下に示します (探索的工学も参照)。

スプリング、ギア、流体および熱伝達装置などのミクロンスケールの機械部品は、シリコン、ガラス、SU8 などのポリマーなどのさまざまな基板材料から製造されます。MEMSコンポーネントの例としては、車のエアバッグ センサーとして使用される加速度計、最新の携帯電話、正確な位置決めのためのジャイロスコープ、バイオメディカル アプリケーションで使用されるマイクロ流体デバイスなどがあります。

摩擦撹拌接合は、新しいタイプの溶接であり、1991年に溶接研究所（TWI）によって発見されました。この革新的な定常（非融合）溶接技術は、いくつかのアルミニウム 合金を含む、以前は溶接できなかった材料を接合します。これは将来の航空機製造において重要な役割を果たし、リベットの代わりとなる可能性があります。現在までにこの技術は、アルミニウム製のスペースシャトルの外部燃料タンク、オリオン乗組員車両、ボーイングのデルタIIおよびデルタIV使い捨て打ち上げロケット、およびスペースXファルコン1ロケットの継ぎ目の溶接、水陸両用強襲艦の装甲板、およびEclipse Aviationの新しいEclipse 500航空機の翼と胴体パネルの溶接など、用途がますます増えています。^{[65] [66] [67]}

複合材料または複合材は、それぞれの材料が単独で持つよりも異なる物理的特性を持つ材料の組み合わせです。機械工学における複合材の研究は、通常、重量、腐食に対する感受性、その他の望ましくない要因を減らしながら、より強くて剛性の高い材料を設計すること (および、その後の用途を見つけること) に重点を置いています。たとえば、炭素繊維強化複合材は、宇宙船や釣り竿など、さまざまな用途に使用されています。

メカトロニクスは、機械工学、電子工学、ソフトウェア工学の相乗的な組み合わせです。メカトロニクスの分野は、機械原理と電気工学を組み合わせる方法として始まりました。メカトロニクスの概念は、ほとんどの電気機械システムに使用されています。 ^[68]メカトロニクスで使用される一般的な電気機械センサーは、ひずみゲージ、熱電対、圧力トランスデューサーです。

最小のスケールでは、機械工学はナノテクノロジーになります。その1つの推測的な目標は、メカノシンセシスによって分子や材料を構築するための分子アセンブラーを作成することです。今のところ、その目標は探索的なエンジニアリングの範囲内にとどまっています。ナノテクノロジーにおける現在の機械工学の研究分野には、ナノフィルター^[69]、ナノフィルム^[70]、ナノ構造^[71]などがあります。

有限要素解析は、固体の応力、ひずみ、たわみを推定するために使用される計算ツールです。ユーザー定義のサイズのメッシュ設定を使用して、ノードでの物理量を測定します。ノードの数が多いほど、精度が高くなります。^[72]有限要素解析（FEA）または有限要素法（FEM）の基礎は1941年に遡るため、この分野は新しいものではありません。しかし、コンピューターの進化により、FEA / FEMは構造問題の解析の実行可能なオプションになりました。NASTRAN、ANSYS、ABAQUSなどの多くの商用ソフトウェアアプリケーションは、研究やコンポーネントの設計のために業界で広く使用されています。一部の3DモデリングおよびCADソフトウェアパッケージには、FEAモジュールが追加されています。最近では、 SimScaleなどのクラウドシミュレーションプラットフォームが一般的になりつつあります。

熱および質量移動、流体の流れ、流体表面の相互作用などに関する問題を解決するために、有限差分法 (FDM) や有限体積法 (FVM) などの他の手法も使用されます。

バイオメカニクスは、人間、動物、植物、臓器、細胞などの生物学的システムに機械的原理を応用したものです。^[73]バイオメカニクスは、人間の義肢や人工臓器の作成にも役立ちます。バイオメカニクスは、生物学的システムを分析するために伝統的な工学科学を使用することが多いため、工学と密接に関連しています。ニュートン力学や材料科学のいくつかの単純な応用は、多くの生物学的システムの力学に正しい近似値を提供することができます。

過去10年間で、骨などの自然界に存在する材料のリバースエンジニアリングが学術界で資金を獲得してきました。骨の構造は、単位重量あたりの大きな圧縮応力に耐えられるように最適化されています。^[74]目標は、構造設計において粗鋼をバイオマテリアルに置き換えることです。

過去 10 年間で、有限要素法(FEM) もバイオメディカル分野に導入され、バイオメカニクスのエンジニアリングの側面がさらに強調されました。それ以来、FEM は生体内外科評価の代替手段としての地位を確立し、学界で広く受け入れられています。計算バイオメカニクスの主な利点は、倫理的制約を受けることなく、解剖学的構造の内的反応を決定できることです。^[75]これにより、FE モデリングはバイオメカニクスのいくつかの分野で普及し、いくつかのプロジェクトではオープンソースの哲学が採用されています (例: BioSpine)。

計算流体力学（CFD）は、流体力学の一分野であり、数値的手法とアルゴリズムを使用して流体の流れに関連する問題を解決および分析します。コンピューターは、境界条件によって定義された表面と液体および気体の相互作用をシミュレートするために必要な計算を実行するために使用されます。^[76]高速スーパーコンピューターを使用すると、より優れたソリューションを実現できます。進行中の研究により、乱流などの複雑なシミュレーションシナリオの精度と速度を向上させるソフトウェアが生まれています。このようなソフトウェアの初期検証は風洞を使用して行われ、最終的な検証は飛行テストなどの実物大のテストで行われます。

音響工学は機械工学の多くのサブ分野の1つであり、音響の応用です。音響工学は音と振動の研究です。これらのエンジニアは、防音や不要な騒音源の除去によって、機械装置や建物の騒音公害を効果的に削減するために働いています。音響の研究は、より効率的な補聴器、マイク、ヘッドフォン、またはレコーディングスタジオの設計から、オーケストラホールの音質の向上まで多岐にわたります。音響工学は、さまざまな機械システムの振動も扱います。^[77]

製造工学、航空宇宙工学、自動車工学、海洋工学は、機械工学とグループ化されることがあります。これらの分野の学士号には、通常、いくつかの専門クラスの違いがあります。

• 自動車工学
• 機械工学記事の索引

リスト

協会

ウィキブックス

• バーストール、オーブリー F. (1965)。機械工学の歴史。MIT 出版。ISBN 978-0-262-52001-0。
• マークス機械技術者標準ハンドブック（第11版）。マグロウヒル。2007年。ISBN 978-0-07-142867-5。
• オバーグ、エリック、フランクリン・D・ジョーンズ、ホルブルック・L・ホートン、ヘンリー・H・リフェル、クリストファー・マコーリー（2016年）。『機械ハンドブック』（第30版）。ニューヨーク：インダストリアル・プレス社。ISBN 978-0-8311-3091-6。

• MTU.edu の機械工学