Kapitel 2 : Maschinenbau

Das Gebiet des Maschinenbaus befasst sich mit der Erforschung physikalischer Maschinen, die sich Kraft und Bewegung zunutze machen. Der Maschinenbau ist ein Teilgebiet des Ingenieurwesens, das die Prinzipien der technischen Physik und Mathematik mit den Prinzipien der Materialwissenschaften verbindet, um mechanische Systeme zu entwerfen, zu analysieren, zu konstruieren und zu warten. Unter den verschiedenen Teilgebieten des Ingenieurwesens ist es eines der ältesten und umfassendsten.

Der Bereich Maschinenbau erfordert ein Verständnis grundlegender Themen wie Mechanik, Dynamik, Thermodynamik, Materialwissenschaften, Konstruktion, Strukturanalyse und Elektrizität. Zusätzlich zu diesen Grundprinzipien nutzen Maschinenbauingenieure verschiedene Werkzeuge, darunter Computer-Aided Design (CAD), Computer-Aided Manufacturing (CAM), Computer-Aided Engineering (CAE) und Product Lifecycle Management, um Fertigungsanlagen, Industrieanlagen und -maschinen, Heiz- und Kühlsysteme, Transportsysteme, Kraftfahrzeuge, Flugzeuge, Wasserfahrzeuge, Robotik, medizinische Geräte, Waffen und andere Gegenstände zu entwerfen und zu analysieren.

Die Entwicklung des Maschinenbaus lässt sich jedoch mehrere tausend Jahre auf der ganzen Welt zurückverfolgen. Das Studium des Maschinenbaus begann als Fachgebiet während der industriellen Revolution in Europa im 18. Jahrhundert. Die Entwicklung der Maschinenbauwissenschaft lässt sich bis ins 19. Jahrhundert zurückverfolgen, als Fortschritte in der Physik zu ihrer Entstehung führten. Verbundwerkstoffe, Mechatronik und Nanotechnologie sind einige der Bereiche, an denen Maschinenbauer jetzt mit Hilfe von Innovationen in der Branche arbeiten. Die Disziplin hat sich kontinuierlich weiterentwickelt und um neue Entwicklungen erweitert. Darüber hinaus überschneidet es sich in unterschiedlichem Maße mit anderen Ingenieurdisziplinen, darunter Luft- und Raumfahrttechnik, Metallurgietechnik, Bauingenieurwesen, Bauingenieurwesen, Elektrotechnik, Fertigungstechnik, Chemieingenieurwesen, Wirtschaftsingenieurwesen und andere technische Spezialisierungen. Für Maschinenbauingenieurinnen und -ingenieure ist es möglich, auch im Fach der Biomedizintechnik zu arbeiten, konkret in den Bereichen Biomechanik, Transportphänomene, Biomechatronik, Bionanotechnologie und Modellierung biologischer Systeme.

Durch die Untersuchung der Aufzeichnungen einer Vielzahl von antiken und mittelalterlichen Gesellschaften kann man den Einsatz des Maschinenbaus beobachten. Seit der Antike waren die Menschen im Nahen Osten mit den sechs grundlegenden einfachen Maschinen vertraut. Seit prähistorischer Zeit kennen die Menschen den Keil und die schiefe Ebene, die manchmal auch als Rampe bezeichnet wird. Es gibt eine Reihe von Texten, von denen die meisten älter sind, die die Entstehung des Rades der mesopotamischen Zivilisation zuschreiben. Es gibt jedoch einige neuere Quellen, die entweder darauf hindeuten, dass es unabhängig voneinander sowohl in Mesopotamien als auch in Osteuropa erfunden wurde, oder dass prähistorischen Osteuropäern die Erfindung des Rades zugeschrieben wird. Der Hebelmechanismus wurde erstmals vor etwa 5.000 Jahren im Nahen Osten verwendet, wo er in einer einfachen Waage und zum Bewegen großer Objekte in der altägyptischen Technologie verwendet wurde. Der Hebel wurde nicht nur im Shadoof-Wasserhebemechanismus verwendet, sondern auch in der ersten Kranmaschine, die um das Jahr 3000 v. Chr. in Mesopotamien entdeckt wurde. In Mesopotamien, zu Beginn des zweiten Jahrtausends vor unserer Zeitrechnung, finden sich die frühesten Belege für Flaschenzüge.

Im vierten Jahrhundert v. Chr. war das Königreich von Kusch der Ort, an dem die Sakia zum ersten Mal erschlossen wurde. Er stützte sich auf die Kraft der Tiere, was wiederum den Energieaufwand für den Menschen reduzierte. Die Region Kush wurde mit Stauseen in Form von Hafirs angelegt, um Wasser zu speichern und die Bewässerung zu erhöhen. Meroe war der Ort, an dem im siebten Jahrhundert v. Chr. die Entwicklung von Blühereien und Hochöfen stattfand. Die Anwendung der Mathematik in Form der fortgeschrittenen Trigonometrie wurde durch kuschitische Sonnenuhren demonstriert.

Das Wasserrad und die Wassermühle, zwei der ältesten Maschinen, die mit Wasser angetrieben wurden und praktisch waren, wurden erstmals im Persischen Reich gesehen, das sich im heutigen Irak und Iran befand, zu Beginn des vierten Jahrhunderts v. Chr. Die Werke von Archimedes, der von 287 bis 212 v. Chr. lebte, hatten einen bedeutenden Einfluss auf die Entwicklung der Mechanik in dieser westlichen Tradition. Ein Analogrechner, der als Antikythera-Getriebemechanismus bekannt ist, wurde um das zweite Jahrhundert v. Chr. entwickelt.

Ein Aeolipile, das erste dampfbetriebene Gerät, wurde von Heron von Alexandria erfunden, der zwischen den Jahren 10 und 70 n. Chr. im römischen Ägypten lebte. Eine Wasseruhr wurde von Zhang Heng (78-139 n. Chr.) verbessert, der auch ein Seismometer baute. Ma Jun (200-265 n. Chr.) war der Erfinder eines Streitwagens mit Differentialgetrieben. Beide Erfindungen wurden in China gemacht. Su Song, ein chinesischer Uhrmacher und Ingenieur, der im Mittelalter (1020-1101 n. Chr.) lebte, war der erste Mensch, der einen Hemmungsmechanismus in seinen astronomischen Uhrturm einbaute. Das war zwei Jahrhunderte, bevor Hemmungsvorrichtungen in mittelalterlichen europäischen Uhren entdeckt wurden. Außerdem war er der erste Mensch, der jemals einen unendlichen Kraftübertragungskettenantrieb in die Welt setzte.

Die Baumwollentkörnung wurde in Indien im sechsten Jahrhundert nach unserer Zeitrechnung etabliert, während das Spinnrad in der islamischen Welt im frühen elften Jahrhundert erfunden wurde. Dual-Roller-Gins wurden erstmals im 12. und 14. Jahrhundert in Indien und China eingeführt. Während der frühen Zeit des Sultanats Delhi, die vom 13. bis zum 14. Jahrhundert dauerte, feierte der Schneckengetriebe-Rollergin sein Debüt auf dem indischen Subkontinent.

Erfinder muslimischer Abstammung leisteten während des Goldenen Zeitalters des Islam, das vom siebten bis zum fünfzehnten Jahrhundert dauerte, bedeutende Beiträge auf dem Gebiet der mechanischen Technologie. Zum Beispiel schrieb Al-Jazari, einer von ihnen, im Jahr 1206 sein bekanntes Buch des Wissens über geniale mechanische Geräte, in dem eine Reihe verschiedener mechanischer Ideen vorgestellt wurden.

Im Laufe des 17. Jahrhunderts wurden in England und auf dem Kontinent bedeutende Fortschritte bei den Grundlagen des Maschinenbaus für den Maschinenbau erzielt. Christiaan Huygens, ein niederländischer Mathematiker und Wissenschaftler, gilt als Erfinder der Pendeluhr im Jahr 1657. Diese Uhr war der erste vertrauenswürdige Zeitmesser für etwa dreihundert Jahre. Huygens verfasste auch eine Abhandlung, die sich dem Design von Uhren und der ihnen zugrunde liegenden Theorie widmete. Isaac Newton, der in England geboren wurde, gilt als Entwickler der Infinitesimalrechnung und der Formulierung der Newtonschen Bewegungsgesetze, die später als mathematische Grundlage für das Gebiet der Physik dienen sollten. Newton zögerte einige Jahre lang, seine Werke zu veröffentlichen, aber seine Kollegen, darunter Edmond Halley, überzeugten ihn schließlich, mit der Veröffentlichung seiner Werke fortzufahren. Es wird vermutet, dass Gottfried Wilhelm Leibniz, der zuvor einen mechanischen Taschenrechner erfunden hatte, zur gleichen Zeit auch für die Entwicklung der Infinitesimalrechnung verantwortlich war.

England, Deutschland und Schottland waren die drei Länder, die in der Anfangsphase der industriellen Revolution für die Entwicklung von Werkzeugmaschinen verantwortlich waren. Die Entwicklung des Maschinenbaus als eigenständiges Teilgebiet innerhalb des Ingenieurwesens wurde dadurch ermöglicht. Es waren die Produktionsanlagen und die Motoren, die für den Antrieb verwendet wurden, die sie mitbrachten. Die Institution of Mechanical Engineers wurde 1847 gegründet, dreißig Jahre nachdem die erste Berufsgesellschaft ihrer Art, die Institution of Civil Engineers, von Bauingenieuren gegründet worden war. Diese Organisation war die erste Berufsorganisation von Maschinenbauingenieuren, die im Vereinigten Königreich gegründet wurde. In Chemnitz errichtete Johann von Zimmermann (1820-1901) die erste Fabrik für Schleifmaschinen auf dem europäischen Kontinent. Dieses Werk wurde im Jahr 1848 gegründet.

Nach der American Society of Civil Engineers (1852) und dem American Institute of Mining Engineers (1871) wurde im Jahr 1880 in den Vereinigten Staaten die American Society of Mechanical Engineers (ASME) gegründet. Damit war sie die dritte professionelle Ingenieurgesellschaft ihrer Art im Land. Die United States Military Academy, die 1817 ihre Pforten öffnete und heute als Norwich University bekannt ist, und das Rensselaer Polytechnic Institute, das 1825 seine Pforten öffnete, waren die ersten Colleges in den Vereinigten Staaten, die Studenten die Möglichkeit boten, eine ingenieurwissenschaftliche Ausbildung zu absolvieren. Im Laufe seiner Geschichte wurde die Ausbildung im Maschinenbau traditionell auf einem soliden Fundament in Mathematik und Physik aufgebaut.

Es gibt zahlreiche Universitäten auf der ganzen Welt, die Ingenieurabschlüsse im Maschinenbau anbieten. Absolventinnen und Absolventen von Maschinenbaustudiengängen erwerben in der Regel den Abschluss Bachelor of Engineering (B.Eng. oder B.E.), Bachelor of Science (B.Sc. oder B.S.), Bachelor of Science Engineering (B.Sc.Eng.), Bachelor of Technology (B.Tech.), Bachelor of Mechanical Engineering (B.M.E.) oder Bachelor of Applied Science (B.A.Sc.), mit oder ohne Schwerpunkt Maschinenbau. Die Dauer der Studiengänge variiert je nach Institution und Universität. Spanien, Portugal und der Großteil...