Dějiny strojírenství - History of mechanical engineering

Strojírenství je disciplína soustředěná kolem konceptu používání multiplikátory síly, pohyblivé součásti a stroje. Využívá znalostí matematika, fyzika, vědy o materiálech a strojírenské technologie. Je to jeden z nejstarších a nejširších z inženýrské disciplíny.

Úsvit civilizace do raného starověku

Inženýrství vzniklo v rané civilizaci jako obecná disciplína pro vytváření rozsáhlých struktur, jako jsou zavlažování, architektura a vojenské projekty. Pokroky ve výrobě potravin zavlažováním umožnily části populace stát se specialisty Starověký Babylon.[1]

Všech šest klasických jednoduché stroje byly známy v starověký Blízký východ. The klín a nakloněná rovina (rampa) byly známy od roku prehistorický krát.[2] The kolo, spolu s kolo na hřídeli mechanismus, byl vynalezen v Mezopotámie (moderní Irák) během 5. tisíciletí před naším letopočtem.[3] The páka mechanismus se poprvé objevil asi před 5 000 lety v EU Blízký východ, kde to bylo použito v jednoduchém zůstatková stupnice,[4] a přesouvat velké objekty dovnitř staroegyptské technologie.[5] Páka byla také použita v shadoof vodní zvedací zařízení, první jeřáb stroj, který se objevil v Mezopotámii kolem roku 3000 př.[4] a pak dovnitř staroegyptské technologie kolem roku 2000 př.[6] Nejstarší důkazy o kladky sahají až do Mezopotámie na počátku 2. tisíciletí před naším letopočtem,[7] a starověký Egypt Během Dvanáctá dynastie (1991 - 1802 př. Nl).[8] The šroub, poslední z jednoduchých strojů, které mají být vynalezeny,[9] se poprvé objevil v Mezopotámii během Novoasyrský období (911-609) př.[7] The Egyptské pyramidy byly postaveny pomocí tří ze šesti jednoduchých strojů, nakloněné roviny, klínu a páky, aby vytvořily struktury jako Velká pyramida v Gíze.[10]

The Asyřané byli pozoruhodní v jejich použití metalurgie a zabudování železných zbraní. Mnoho z jejich vylepšení bylo ve vojenské výzbroji. Nebyli první, kdo je vyvinul, ale udělali pokroky na kole a voze. Na svých vozech využívali otočné nápravy, které umožňovaly snadné zatáčení. Byly také jednou z prvních armád, které používaly pohyblivou obléhací věž a beranidlo.[1]

Uplatnění strojírenství lze vidět v archivech různých starověkých společností. The kladka se objevil v Mezopotámii v roce 1 500 př. nl a zlepšil vodní dopravu. Německý archeolog Robert Koldewey zjistil, že Závěsné zahrady pravděpodobně používalo mechanické čerpadlo poháněné těmito kladkami k dopravě vody do střešních zahrad.[11] Mezopotámci by postoupili ještě dále nahrazením „náhrady spojitého za přerušovaný pohyb a rotačního za pohyb tam a zpět“ 1200 př.[1]

The Sakia byl vyvinut v království Kush během 4. století před naším letopočtem. Zdvihla vodu o 3 až 8 metrů s menšími výdaji na práci a čas.[12] Nádrže ve formě Hafíři byly vyvinuty v Kush pro skladování vody a podporu zavlažování.[13] Bloomeries a vysoké pece byly vyvinuty během sedmého století před naším letopočtem v roce Meroe.[14][15][16][17] Kušite sluneční hodiny aplikovaná matematika ve formě pokročilé trigonometrie.[18][19]

v Starověký Egypt, šroubové čerpadlo je dalším příkladem využití inženýrství ke zvýšení efektivity vodní dopravy. Ačkoli raní Egypťané stavěli kolosální stavby, jako jsou pyramidy, nevyvinuli kladky pro zvedání těžkého kamene a kolo používali jen velmi málo.[1]

Nejdříve praktické na vodu stroje, vodní kolo a vodní mlýn, se poprvé objevil v Perská říše, v čem je nyní Irák a Írán, počátkem 4. století př.[20]

v Starověké Řecko, Archimedes (287–212 př. N. L.) Vyvinul několik klíčových teorií v oblasti strojírenství včetně mechanická výhoda, Zákon páky a jeho jméno Archimédův zákon. v Ptolematický Egypt, Muzeum Alexandrie vyvinuté jeřábové kladky s blokovat a řešit zvedat kameny. Tyto jeřáby byly poháněny lidskými běhouny a byly založeny na dřívějších mezopotámských systémech vodních kladek.[1] Řekové později vyvinuli mechanické dělostřelectvo nezávisle na Číňanech. První z nich vystřelil šipky, ale pokrok umožňoval házet kámen na nepřátelská opevnění nebo útvary.[1]

Pozdní starověk do raného středověku

v Římský Egypt, Volavka Alexandrijská (kolem 10–70 n. l.) vytvořil první poháněný párou zařízení, Aeolipile.[21] První svého druhu neměl schopnost pohybovat se ani pohánět nic jiného než svou vlastní rotaci.

v Čína, Zhang Heng (78–139 n. L.) Vylepšeno a vodní hodiny a vynalezl seismometr. Ma Jun (200–265 nl) vynalezl vůz s rozdíl ozubená kola.

Leo Filozof je uvedeno, že pracoval na signálním systému pomocí hodin v Byzantské říši v roce 850, připojení Konstantinopol s Cicilian Frontier a byl pokračováním komplexních městských hodin ve východním Římě. Tyto velké stroje pronikly pod Arabskou říši Harun al-Rashid.[22]

Dalším velkým mechanickým zařízením bylo Orgán, který byl znovu zaveden v roce 757, když Constantine V jeden nadaný Pepin krátký.[22]

S výjimkou několika strojů stagnovalo inženýrství a věda na Západě kvůli kolaps římské říše během pozdní antiky.

Středověk

Během Islámský zlatý věk (7. až 15. století), Muslimští vynálezci významně přispěl v oblasti mechanické technologie. Al-Jazari, který byl jedním z nich, napsal svůj slavný Kniha znalostí o důmyslných mechanických zařízeních v roce 1206 a představil mnoho mechanických návrhů.[23] Al-Jazari je také první známou osobou, která vytvořila zařízení, jako je klikový hřídel a vačková hřídel, které nyní tvoří základy mnoha mechanismů.[24]

Nejdříve praktické poháněný větrem stroje, větrný mlýn a větrné čerpadlo, se poprvé objevil v Muslimský svět Během Islámský zlatý věk, v čem je nyní Írán, Afghánistán a Pákistán, do 9. století našeho letopočtu.[25][26][27][28] Nejdříve praktické poháněný párou stroj byl parní jack poháněn a parní turbína, popsaný v roce 1551 autorem Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf v Osmanský Egypt.[29][30]

The bavlněný gin byl vynalezen v Indii 6. stoletím našeho letopočtu,[31] a kolovrat byl vynalezen v Islámský svět počátkem 11. století,[32] oba byly zásadní pro růst EU bavlnářský průmysl. Kolovrat byl také předchůdcem točí se jenny, což byl klíčový vývoj na počátku Průmyslová revoluce v 18. století.[33] The klikový hřídel a vačková hřídel byly vynalezeny Al-Jazari v Severní Mezopotámie kolem 1206,[34][35][36] a později se staly ústředním bodem moderních strojů, jako je Parní motor, spalovací motor a automatické ovládání.[37]

Nejdříve programovatelné stroje byly vyvinuty v muslimském světě. A hudební řadič, programovatelný hudební nástroj, byl nejčasnější typ programovatelného stroje. První hudební sekvencer byl automatizovaný flétna hráč vynalezený Banu Musa bratři, popsaní v jejich Kniha důmyslných zařízení, v 9. století.[38][39] V roce 1206 vynalezl Al-Jazari programovatelné automaty /roboti. Popsal čtyři automat hudebníci, včetně bubeníků ovládaných programovatelnými bicí automat, kde je lze přimět hrát různé rytmy a různé bicí vzory.[40] The hradní hodiny, a vodní mechanické orloj vynalezl Al-Jazari, byl první programovatelný analogový počítač.[41][42][43]

Středověký čínský horolog a inženýr Su Song (1020–1101 n. L.) Začleněn únik mechanismus do jeho astronomický hodinová věž dvě století předtím, než byla ve středověkých evropských hodinách nalezena úniková zařízení, a také vynalezli první známý nekonečný přenos energie na světě řetězový pohon.[44]

Ve středověku došlo k širokému přijetí strojů na pomoc při porodu. Mnoho řek v Anglii a severní Evropě umožnilo využít sílu tekoucí vody. The vodní mlýn se stal nástrojem při výrobě mnoha zboží, jako jsou potraviny, látky, kůže a papíry. Tyto použité stroje byly jedny z prvních, které používaly ozubená kola a převody, což značně zvýšilo produktivitu mlýnů. The vačková hřídel dovolil převést rotační sílu na směrovou sílu. Méně významně byly využity také přílivy vodních ploch.[45]

Větrná energie se později stala novým zdrojem energie v Evropě a doplnila vodní mlýn. Tento postup se během křížových výprav přesunul z Evropy na Střední východ.[45]

Hutnictví ve středověku do značné míry pokročilo a kvalitnější železo umožňovalo robustnější konstrukce a designy. Mlýny a mechanická síla zajišťovaly stálý přísun nárazů kladiva a vzduchu z měchu.[45]

Koncepty létajících strojů Da Vinci

Evropská renesance

V průběhu 17. století došlo v roce 2006 k významným průlomům v základech strojírenství Anglie. Vážený pane Isaac Newton formuloval Newtonovy zákony pohybu a vyvinut Počet, matematický základ fyziky. Newton se zdráhal roky publikovat svá díla, ale nakonec ho k tomu přesvědčili jeho kolegové, například Sir Edmond Halley, ku prospěchu celého lidstva. Gottfried Wilhelm Leibniz je také připočítán s vytvořením kalkulu během tohoto časového období.

Leonardo da Vinci byl pozoruhodný inženýr, navrhoval a studoval mnoho mechanických systémů zaměřených na dopravu a válčení[46] Jeho návrhy by později byly ve srovnání s ranou konstrukcí letadel.[47]

Přestože větrná energie poskytovala zdroj energie od sídla na břehu řeky a viděla masivní zlepšení v jeho využívání, nemohla nahradit trvalou a silnou sílu vodního mlýna. Voda by v období renesance zůstala hlavním zdrojem energie předindustriálního městského průmyslu.[48]

Průmyslová revoluce

Viz také: Historie parního stroje

Na konci renesance začali vědci a inženýři experimentovat s parní energií. Většina raných aparátů čelila problémům s nízkým výkonem, neefektivností nebo nebezpečím. Potřeba efektivního a ekonomického zdroje energie vznikla kvůli zaplavení hlubinných dolů Anglie, které nebylo možné odčerpat pomocí alternativních metod. První funkční návrh byl Thomas Savory patent 1698. Neustále pracoval na zdokonalování a marketingu vynálezu v celé Anglii. Současně ostatní pracovali na vylepšení designu Savory, který efektivně nepřenášel teplo.[49]

Thomas Newcomen by vzal veškerý pokrok inženýrů a vyvinul by Newcomen Atmospheric Engine. Tato nová konstrukce by výrazně snížila tepelné ztráty, odváděla vodu přímo z motoru a umožňovala zabudování různých rozměrů.[49]

The Průmyslová revoluce přinesl továrny na parní pohon využívající koncepty strojírenství. Tyto pokroky umožnily neuvěřitelné zvýšení rozsahu výroby, počtu a efektivity.

V průběhu 19. století začal pokrok v materiálových vědách umožňovat implementaci parních strojů do Parní lokomotivy a Lodě poháněné parou, což rychle zvyšuje rychlost, s jakou se lidé a zboží mohou pohybovat po celém světě. Důvodem pro tyto zálohy byly: strojové nástroje byly vyvinuty v Anglii, Německo, a Skotsko. Ty umožnily strojírenství vyvinout se jako samostatný obor v rámci strojírenství. Přinesli s sebou výrobní stroje a motory, které je poháněly.[50]

Na konci průmyslové revoluce spalovací motor technologie přinesla s sebou pístové letadlo a automobil. Letecké inženýrství se na počátku 20. století vyvinulo jako odnož strojírenství, případně s využitím raketové techniky.

Uhlí bylo nahrazeno olej deriváty na bázi pro mnoho aplikací.

Moderní doba

S pokroky počítačů ve 20. století měli inženýři k dispozici přesnější konstrukční a výrobní metody. Povstání CAD software má zkrácené konstrukční časy a umožňuje přesnou výrobu. Inženýři jsou schopni simulovat síly a napětí návrhů pomocí počítačových programů. Automatizovaná a automatizovaná výroba umožnila vznik mnoha nových oborů ze strojírenství, jako např Průmyslové inženýrství. Ačkoli většina automobilů zůstává poháněna plynem, elektrická vozidla vzrostla jako proveditelná alternativa.[51]

Kvůli zvýšené složitosti inženýrských projektů mnoho oborů inženýra spolupracuje a specializuje se na dílčí pole.[52] Jednou z těchto spolupráce je oblast robotika, ve kterém elektrotechnici, počítačoví inženýři a strojní inženýři se mohou specializovat a spolupracovat. Strojírenství je nejoblíbenějším ze všech inženýrských oborů pro vysokoškolské obory v 21. století.

Profesionální asociace

První britská profesionální společnost strojních inženýrů byla založena v roce 1847 Institution of Mechanical Engineers třicet let poté, co stavební inženýři vytvořili první takovou profesionální společnost Instituce stavebních inženýrů.[53]

Ve Spojených státech Americká společnost strojních inženýrů (ASME) byla založena v roce 1880 a stala se třetí takovou profesionální inženýrskou společností po Americká společnost stavebních inženýrů (1852) a Americký institut důlních inženýrů (1871).[54]

Vzdělávání

První školy ve Spojených státech, které nabízejí strojírenské vzdělání, byly Vojenská akademie Spojených států v roce 1817 instituce známá jako Norwich University v roce 1819 a Rensselaer Polytechnic Institute v roce 1825. Vzdělání ve strojírenství bylo historicky založeno na pevných základech v matematice a přírodních vědách.[55]

Ve 20. století začalo mnoho vlád upravující jak titul inženýra, tak strojírenskou praxi, který vyžaduje titul z akreditované univerzity a absolvování kvalifikačního testu.

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F De Camp, Lyon Sprague (1963). Starověcí inženýři. Doubleday. 20, 39, 59, 63–64, 104–106, 133–134, 149–150. ISBN  9780880294560.
  2. ^ Moorey, Peter Roger Stuart (1999). Ancient Mesopotamian Materials and Industries: The Archaeological Evidence. Eisenbrauns. ISBN  9781575060422.
  3. ^ D.T. Potts (2012). Společník archeologie starověkého Blízkého východu. str. 285.
  4. ^ A b Paipetis, S. A .; Ceccarelli, Marco (2010). Génius Archimédův - 23 století vlivu na matematiku, vědu a inženýrství: sborník z mezinárodní konference konané v italských Syrakusách 8. – 10. Června 2010. Springer Science & Business Media. str. 416. ISBN  9789048190911.
  5. ^ Clarke, Somers; Engelbach, Reginald (1990). Staroegyptská stavba a architektura. Courier Corporation. str. 86–90. ISBN  9780486264851.
  6. ^ Faiella, Graham (2006). Technologie Mezopotámie. Vydavatelská skupina Rosen. str. 27. ISBN  9781404205604.
  7. ^ A b Moorey, Peter Roger Stuart (1999). Ancient Mesopotamian Materials and Industries: The Archaeological Evidence. Eisenbrauns. str.4. ISBN  9781575060422.
  8. ^ Arnold, Dieter (1991). Budova v Egyptě: Faraonské kamenné zdivo. Oxford University Press. str. 71. ISBN  9780195113747.
  9. ^ Woods, Michael; Mary B.Woods (2000). Ancient Machines: From Wedges to Waterwheels. USA: Knihy dvacátého prvního století. str. 58. ISBN  0-8225-2994-7.
  10. ^ Wood, Michael (2000). Ancient Machines: From Grunts to Graffiti. Minneapolis, MN: Runestone Press. str.35, 36. ISBN  0-8225-2996-3.
  11. ^ Koldewey, Robert (1914). Vykopávky v Babylonu. London: Macmillan and Co. str. 91. ISBN  9781298040022.
  12. ^ G. Mokhtar (01.01.1981). Starověké civilizace Afriky. UNESCO. Mezinárodní vědecký výbor pro vypracování obecných dějin Afriky. str. 309. ISBN  9780435948054. Citováno 2012-06-19 - přes Books.google.com.
  13. ^ Fritz Hintze, Kush XI; str. 222-224.
  14. ^ Humphris, Jane; Charlton, Michael F .; Keen, Jake; Sauder, Lee; Alshishani, Fareed (2018). „Tavení železa v Súdánu: Experimentální archeologie v Královském městě Meroe“. Journal of Field Archaeology. 43 (5): 399. doi:10.1080/00934690.2018.1479085. ISSN  0093-4690.
  15. ^ Collins, Robert O .; Burns, James M. (8. února 2007). Historie subsaharské Afriky. Cambridge University Press. ISBN  9780521867467 - prostřednictvím Knih Google.
  16. ^ Edwards, David N. (29. července 2004). Núbijská minulost: archeologie Súdánu. Taylor & Francis. ISBN  9780203482766 - prostřednictvím Knih Google.
  17. ^ Humphris J, Charlton MF, Keen J, Sauder L, Alshishani F (červen 2018). „Tavení železa v Súdánu: Experimentální archeologie v Královském městě Meroe“. Journal of Field Archaeology. 43 (5): 399–416. doi:10.1080/00934690.2018.1479085.
  18. ^ Depuydt, Leo (1. ledna 1998). "Gnomons at Meroë and Early Trigonometry". The Journal of Egyptian Archaeology. 84: 171–180. doi:10.2307/3822211. JSTOR  3822211.
  19. ^ Slayman, Andrew (27. května 1998). „Neolithic Skywatchers“. Archiv časopisu Archeologie. Archivováno z původního dne 5. června 2011. Citováno 17. dubna 2011.
  20. ^ Selin, Helaine (2013). Encyclopaedia of the History of Science, Technology, and Medicine in Non-Westen Cultures. Springer Science & Business Media. str. 282. ISBN  9789401714167.
  21. ^ „Heron of Alexandria“. Encyklopedie Britannica 2010 - Encyklopedie Britannica online. Přístup: 9. května 2010.
  22. ^ A b Lavan, Luke; Zanini, Enrico; Sarantis, Alexander (2007). Technology in Trainsition A.D.300-650. Boston. 373–374. ISBN  9789004165496.
  23. ^ „Středověcí roboti: Jak byly v Istanbulu vzkříšeny mechanické zázraky al-Džazárí“. Oko Středního východu. Citováno 2019-08-06.
  24. ^ Al-Jazarí. Kniha znalostí důmyslných mechanických zařízení: Kitáb fí ma'rifat al-hiyal al-handasiyya. Springer, 1973. ISBN  90-277-0329-9.
  25. ^ Ahmad Y Hassan, Donald Routledge Hill (1986). Islámská technologie: Ilustrovaná historie, str. 54. Cambridge University Press. ISBN  0-521-42239-6.
  26. ^ Lucas, Adam (2006), Wind, Water, Work: Ancient and Medieval Milling Technology, Brill Publishers, s. 65, ISBN  90-04-14649-0
  27. ^ Eldridge, Frank (1980). Větrné stroje (2. vyd.). New York: Litton Educational Publishing, Inc. str.15. ISBN  0-442-26134-9.
  28. ^ Shepherd, William (2011). Výroba elektřiny pomocí větrné energie (1. vyd.). Singapur: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. str. 4. ISBN  978-981-4304-13-9.
  29. ^ Taqi al-Din a první parní turbína, 1551 n.l. Archivováno 2008-02-18 na Wayback Machine, webová stránka, přístupná na řádku 23. října 2009; tato webová stránka odkazuje Ahmad Y Hassan (1976), Taqi al-Din a arabské strojírenství, str. 34-5, Ústav pro dějiny arabských věd, University of Aleppo.
  30. ^ Ahmad Y. Hassan (1976), Taqi al-Din a arabské strojírenství, str. 34-35, Ústav pro dějiny arabských věd, University of Aleppo
  31. ^ Lakwete, Angela (2003). Inventing the Cotton Gin: Machine and Myth in Antebellum America. Baltimore: The Johns Hopkins University Press. s. 1–6. ISBN  9780801873942.
  32. ^ Pacey, Arnold (1991) [1990]. Technologie ve světové civilizaci: Tisíciletá historie (First MIT Press paperback ed.). Cambridge MA: MIT Press. str. 23–24.
  33. ^ Žmolek, Michael Andrew (2013). Přehodnocení průmyslové revoluce: pět století přechodu od agrárního k průmyslovému kapitalismu v Anglii. BRILL. str. 328. ISBN  9789004251793. Rotující jenny byla v podstatě adaptací svého předchůdce rotujícího kola
  34. ^ Banu Musa (autoři), Donald Routledge Hill (překladatel) (1979), Kniha důmyslných zařízení (Kitāb al-ḥiyal), Springer, str. 23–4, ISBN  90-277-0833-9
  35. ^ Sally Ganchy, Sarah Gancher (2009), Islám a věda, medicína a technologie, The Rosen Publishing Group, s. 141, ISBN  1-4358-5066-1
  36. ^ Georges Ifrah (2001). Universal History of Computing: From the Abacus to the Quatum Computer, str. 171, Trans. E.F. Harding, John Wiley & Sons, Inc. (viz [1] )
  37. ^ Hill, Donalde (1998). Studie středověké islámské technologie: Od Philo po Al-Jazarī, od Alexandrie po Diyār Bakr. Ashgate. 231–232. ISBN  978-0-86078-606-1.
  38. ^ Koetsier, Teun (2001), „K pravěku programovatelných strojů: hudební automaty, stavy, kalkulačky“, Mechanismus a teorie strojů, Elsevier, 36 (5): 589–603, doi:10.1016 / S0094-114X (01) 00005-2.
  39. ^ Kapur, Ajay; Carnegie, Dale; Murphy, Jim; Long, Jason (2017). "Reproduktory volitelné: Historie elektroakustické hudby bez reproduktorů". Organizovaný zvuk. Cambridge University Press. 22 (2): 195–205. doi:10.1017 / S1355771817000103. ISSN  1355-7718.
  40. ^ Profesor Noel Sharkey, Programovatelný robot ze 13. století (archiv), University of Sheffield.
  41. ^ „Episode 11: Ancient Robots“, Starověké objevy, Kanál historie, vyvoláno 2008-09-06
  42. ^ Howard R. Turner (1997), Věda ve středověkém islámu: Ilustrovaný úvod, str. 184, University of Texas Press, ISBN  0-292-78149-0
  43. ^ Donald Routledge Hill „Strojírenství na středověkém Blízkém východě“, Scientific American, Květen 1991, s. 64–9 (srov. Donald Routledge Hill, Strojírenství )
  44. ^ Needham, Joseph (1986). Věda a civilizace v Číně: Svazek 4. Taipei: Caves Books, Ltd.
  45. ^ A b C Gimpel, Jean (1976). The Medieval Machine: The Industrial Revolution of the Middle Ages. s. 1–24, 66–67. ISBN  9780030146367.
  46. ^ "Leonardo da Vinci". www.asme.org. Citováno 2019-08-06.
  47. ^ „Leonardo da Vinci a let“. Národní muzeum letectví a kosmonautiky. 2013-08-22. Citováno 2019-08-06.
  48. ^ Sawday, Jonathan (2007). Motory představivosti: renesanční kultura a vzestup stroje. str.34 –35. ISBN  9780203696156.
  49. ^ A b Thurston (1939). Historie růstu parního stroje. New York. str. 35–36.
  50. ^ Inženýrství - Encyclopædia Britannica, zpřístupněno 6. května 2008
  51. ^ DiChristopher, Tom (2018-05-30). „Elektrická vozidla do roku 2030 porostou ze 3 milionů na 125 milionů, předpovídají Mezinárodní energetická agentura“. CNBC. Citováno 2019-08-06.
  52. ^ "Strojírenství | Institut ZJU-UIUC". zjui.intl.zju.edu.cn. Citováno 2019-08-06.
  53. ^ R.A. Buchanan. The Hospodářský History Review, New Series, roč. 38, č. 1 (únor 1985), s. 42–60.
  54. ^ Historie ASME Archivováno 23. února 2011 na Wikiwix, zpřístupněno 6. května 2008.
  55. ^ Columbia Encyclopedia, Sixth Edition. 2001, strojírenství, zpřístupněno 6. května 2008