Historia de la ingeniería mecánica

La ingeniería mecánica es una disciplina centrada en el uso de multiplicadores de fuerza , componentes móviles y máquinas . Utiliza conocimientos de matemáticas , física , ciencia de los materiales y tecnologías de ingeniería. Es una de las disciplinas de ingeniería más antiguas y amplias .

La ingeniería surgió en las primeras civilizaciones como una disciplina general para la creación de estructuras a gran escala, como sistemas de irrigación, arquitectura y proyectos militares. Los avances en la producción de alimentos mediante la irrigación permitieron que una parte de la población se especializara en la antigua Babilonia . ^{[ 1 ]}

Las seis máquinas simples clásicas eran conocidas en el antiguo Cercano Oriente . La cuña y el plano inclinado (rampa) eran conocidos desde tiempos prehistóricos . ^{[ 2 ]} La rueda , junto con el mecanismo de rueda y eje , fue inventada en Mesopotamia (actual Irak) durante el V milenio a. C. ^{[ 3 ]} El mecanismo de palanca apareció por primera vez hace unos 5000 años en el Cercano Oriente , donde se utilizó en una balanza simple , ^{[ 4 ]} y para mover objetos grandes en la tecnología del antiguo Egipto . ^{[ 5 ]} La palanca también se utilizó en el dispositivo de elevación de agua shadoof , la primera máquina grúa , que apareció en Mesopotamia alrededor del 3000 a. C., ^{[ 4 ]} y luego en la tecnología del antiguo Egipto alrededor del 2000 a. C. ^{[ 6 ]} La evidencia más antigua de poleas se remonta a Mesopotamia a principios del II milenio a. C., ^{[ 7 ]} y al antiguo Egipto durante la Duodécima Dinastía (1991-1802 a. C.). ^{[ 8 ]} El tornillo , la última de las máquinas simples en ser inventada, ^{[ 9 ]} apareció por primera vez en Mesopotamia durante el período neoasirio (911-609) a. C. ^{[ 7 ]} Las pirámides egipcias fueron construidas utilizando tres de las seis máquinas simples, el plano inclinado, la cuña y la palanca, para crear estructuras como la Gran Pirámide de Giza . ^{[ 10 ]}

Los asirios destacaron por su uso de la metalurgia y la incorporación de armas de hierro. Muchos de sus avances se centraron en el equipamiento militar. Si bien no fueron los primeros en desarrollarlo, sí lograron avances en la rueda y el carro. Utilizaron ejes pivotantes en sus carros, lo que facilitaba los giros. También fueron uno de los primeros ejércitos en emplear la torre de asedio móvil y el ariete. ^{[ 1 ]}

La aplicación de la ingeniería mecánica se puede observar en los archivos de diversas sociedades antiguas. La polea apareció en Mesopotamia en el 1500 a. C., mejorando el transporte de agua. El arqueólogo alemán Robert Koldewey descubrió que los Jardines Colgantes probablemente utilizaban una bomba mecánica accionada por estas poleas para transportar agua a los jardines de la azotea. ^{[ 11 ]} Los mesopotámicos avanzarían aún más al reemplazar "el movimiento continuo por el intermitente, y el movimiento rotatorio por el de vaivén" hacia el 1200 a. C. ^{[ 1 ]}

En el Antiguo Egipto , la bomba de tornillo es otro ejemplo del uso de la ingeniería para aumentar la eficiencia del transporte de agua. Aunque los primeros egipcios construyeron estructuras colosales como las pirámides, no desarrollaron poleas para levantar piedras pesadas y usaron la rueda muy poco. ^{[ 1 ]}

Las primeras máquinas prácticas impulsadas por agua , la rueda hidráulica y el molino de agua , aparecieron por primera vez en el Imperio Persa , en lo que hoy son Irak e Irán, a principios del siglo IV a. C. ^{[ 12 ]}

En la Antigua Grecia , Arquímedes (287-212 a. C.) desarrolló varias teorías clave en el campo de la ingeniería mecánica, incluyendo la ventaja mecánica , la Ley de la Palanca y la que lleva su nombre, la Ley de Arquímedes . En el Egipto ptolemaico , el Museo de Alejandría desarrolló poleas de grúa con aparejos para levantar piedras. Estas grúas funcionaban con ruedas de pisada humana y se basaban en sistemas de poleas hidráulicas mesopotámicos anteriores. ^{[ 1 ]} Los griegos desarrollarían más tarde artillería mecánica independientemente de los chinos. Las primeras de estas disparaban dardos, pero los avances permitieron lanzar piedras contra fortificaciones o formaciones enemigas. ^{[ 1 ]}

El Imperio Romano desarrolló una gran cantidad de dispositivos y sistemas mecánicos que influyeron en el futuro de la ingeniería y, más específicamente, en la ingeniería mecánica . Los dos principales campos en los que los romanos alcanzaron avances tecnológicos fueron los dispositivos de construcción y la hidráulica . Los desarrollos del Imperio Romano tuvieron un gran impacto en el progreso de la mecánica e influyeron en las civilizaciones posteriores hasta la era moderna.

El Imperio Romano se hizo famoso, y aún lo es, por su capacidad para crear estructuras colosales que, en muchos sentidos, se adelantaron a su tiempo. En el proceso de construcción, se utilizaban piedras gigantes o cemento como materiales de construcción. Para transportar y elevar dichos materiales a alturas de, en algunos casos, 40 metros o más, los romanos mejoraron las herramientas y el equipo utilizados por civilizaciones anteriores, como la griega , e inventaron sus propios mecanismos.

Uno de los avances más importantes de los romanos fue la mejora de los sistemas de engranajes en grúas y poleas , concretamente la grúa de pórtico en A. Esta grúa tenía un diseño relativamente sencillo, con dos soportes inclinados hacia un punto (en forma de "A") y sujetos por cuerdas u otros soportes. El material a levantar se sujetaba a una cuerda que pasaba por una o más poleas y se conectaba a una palanca u otro mecanismo para aplicar la fuerza . Los primeros ingenieros basaron su mejora en el conocimiento de que una mayor relación de engranajes (por ejemplo, 4:1 en lugar de 1:1) priorizaba el par motor sobre la velocidad , permitiendo así izar objetos de mayor tamaño con una menor fuerza de entrada.

Además, los romanos lograron mejorar la funcionalidad de los sistemas de poleas mediante el uso de diferentes configuraciones que modificaban la dirección y la magnitud de la fuerza aplicada al levantar grandes piedras o columnas. Junto con la nueva mecánica de la grúa de pórtico en A, se desarrolló una nueva forma de generar la fuerza inicial: los trabajadores ubicados dentro de la rueda giratoria y hueca (generalmente de unos 8 metros de diámetro) de una grúa de rueda de pisar podían generar fuerza al caminar dentro de la rueda, en lugar de aplicar fuerza manualmente para hacer girar el cabrestante de la grúa. ^{[ 13 ]}

El anfiteatro de la dinastía Flavia (más conocido como el Coliseo Romano ), de 48 metros de altura y 544 metros de circunferencia, se erigió en su mayor parte en aproximadamente diez años (entre el 70 y el 72 d. C.): un testimonio de sus capacidades tecnológicas en aquella época. El método más básico que probablemente se utilizó para transportar materiales, dispositivos/herramientas y personas a la cima de estructuras como el Coliseo fue mediante la distribución de cargas a través de intrincados sistemas de andamios . Junto con estos andamios, se colocaron grúas por toda la obra para izar los materiales, mientras que los trabajadores ayudaban en el transporte guiando los bloques entre los andamios. ^{[ 14 ]}

Los romanos también fueron famosos por su uso de la hidráulica, como lo demuestra otra de sus proezas constructivas: los acueductos . El diseño de este vasto sistema de transporte de agua era increíblemente preciso para la época, con una pendiente promedio de -1/3000 y que alcanzaba niveles de -1/20000 en algunos lugares.

Esta precisión en la construcción estuvo acompañada de avances en el conocimiento de la presión hidráulica, las tuberías y los fluidos, que siguen influyendo en la actualidad. El principal problema que los romanos debían superar era el caudal del agua. En algunos tramos aéreos de los acueductos, un exceso de agua era una complicación que podía provocar derrames. ^{[ 15 ]} Esto se solucionó controlando el caudal, principalmente mediante la modificación de la pendiente o la adición de depósitos.

Además de tener que gestionar el caudal a lo largo de los sistemas de acueductos, los romanos también tuvieron que diseñar soluciones para superar las dificultades del terreno. Para sortear desniveles pronunciados, se podía construir un puente elevado o, en algunos casos, se utilizaba un sifón invertido. Un sifón funciona mediante la presión, transportando un fluido a una altura superior a la del depósito inicial y devolviéndolo a una altura inferior. El sifón invertido funcionaba de forma similar, pero en lugar de transportar el fluido hacia arriba y luego hacia abajo, este descendía por una pendiente (un valle, por ejemplo) y regresaba a una elevación intermedia entre el punto más bajo del sifón y el depósito inicial. ^{[ 16 ]}

Esta tecnología siguió evolucionando hasta convertirse en la hidráulica que se utiliza en la era moderna en el campo de la ingeniería mecánica.

Los romanos también pudieron utilizar agua corriente (como la de un río, por ejemplo) para accionar molinos para moler grano o procesar piedras. El agua corriente hacía girar una gran rueda que, a su vez, hacía rotar engranajes y molinillos. La complicación que surgía al accionar los molinos con agua era el flujo irregular a través de la rueda hidráulica. Al accionar un dispositivo con una fuente natural, los cambios en el clima, la temperatura y otros factores pueden hacer que el molino deje de funcionar. Para superar esto, los romanos diseñaron presas para controlar el flujo de agua y proporcionar energía constante a la rueda hidráulica. Esta era una tecnología novedosa en aquella época y, en muchos sentidos, influyó en el desarrollo y la exploración continuos del uso del agua como fuente de energía. ^{[ 17 ]}

En el Egipto romano , Herón de Alejandría (c. 10–70 d. C.) creó el primer dispositivo impulsado por vapor , el eolípilo . ^{[ 18 ]} El primero de su tipo, no tenía la capacidad de mover o impulsar nada más que su propia rotación.

En China , Zhang Heng (78-139 d. C.) mejoró un reloj de agua e inventó un sismómetro . Ma Jun (200-265 d. C.) inventó un carro con engranajes diferenciales .

Se menciona que León el Filósofo trabajó en un sistema de señales mediante relojes en el Imperio Bizantino en el año 850, conectando Constantinopla con la frontera de Cilicia, y que fue una continuación de los complejos relojes urbanos de Roma Oriental. Estas magníficas máquinas se difundieron por el Imperio Árabe bajo el reinado de Harún al-Rashid . ^{[ 19 ]}

Otro gran dispositivo mecánico fue el Órgano , que fue reintroducido en 757 cuando Constantino V le regaló uno a Pipino el Breve . ^{[ 19 ]}

Con la excepción de algunas máquinas, la ingeniería y la ciencia se estancaron en Occidente debido al colapso del Imperio Romano durante la Antigüedad tardía.

Durante la Edad de Oro del Islam (siglos VII al XV), los inventores musulmanes realizaron contribuciones notables en el campo de la tecnología mecánica. Al-Jazari , uno de ellos, escribió su famoso Libro del Conocimiento de los Ingeniosos Dispositivos Mecánicos en 1206 y presentó numerosos diseños mecánicos. ^{[ 20 ]} Al-Jazari es también la primera persona conocida en crear dispositivos como el cigüeñal y el árbol de levas , que ahora constituyen la base de muchos mecanismos. ^{[ 21 ]}

Las primeras máquinas prácticas impulsadas por el viento , el molino de viento y la bomba de viento , aparecieron por primera vez en el mundo musulmán durante la Edad de Oro islámica , en lo que hoy son Irán, Afganistán y Pakistán, hacia el siglo IX d. C. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} La primera máquina práctica impulsada por vapor fue un gato de vapor accionado por una turbina de vapor , descrito en 1551 por Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf en el Egipto otomano . ^{[ 26 ] [ 27 ]}

El flautista automático, inventado en el siglo IX por los hermanos Banu Musa en Bagdad , es el primer ejemplo conocido de una máquina programable. El trabajo de los Banu Musa estuvo influenciado por sus antepasados ​​helenísticos, pero también introdujo mejoras significativas con respecto a la creación griega. ^{[ 28 ]} El mecanismo de barril con pasadores, que permitía variaciones programables en el ritmo y la melodía de la música, fue la contribución clave de los Banu Musa. ^{[ 29 ]} En 1206, el inventor musulmán Al-Jazari (en el Sultanato Artúquida ) describió una caja de ritmos que podría haber sido un ejemplo de autómata programable. ^{[ 30 ]}

La desmotadora de algodón se inventó en la India en el siglo VI d. C., ^{[ 31 ]} y la rueca se inventó en el mundo islámico a principios del siglo XI, ^{[ 32 ]} ambas fundamentales para el crecimiento de la industria algodonera . La rueca también fue precursora de la máquina de hilar , un desarrollo clave durante la primera Revolución Industrial en el siglo XVIII. ^{[ 33 ]} El cigüeñal y el árbol de levas fueron inventados por Al-Jazari en el norte de Mesopotamia alrededor de 1206, ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} y posteriormente se convirtieron en elementos centrales de la maquinaria moderna, como la máquina de vapor , el motor de combustión interna y los controles automáticos . ^{[ 37 ]}

El relojero e ingeniero chino medieval Su Song (1020-1101 d. C.) incorporó un mecanismo de escape en su torre de reloj astronómico dos siglos antes de que se encontraran dispositivos de escape en los relojes europeos medievales, e inventó también el primer sistema de transmisión de potencia por cadena sin fin conocido en el mundo . ^{[ 38 ]}

Durante la Edad Media se generalizó la adopción de máquinas para facilitar el trabajo. Los numerosos ríos de Inglaterra y el norte de Europa permitieron aprovechar la fuerza del agua en movimiento. El molino de agua se convirtió en una herramienta fundamental para la producción de muchos bienes, como alimentos, telas, cueros y papel. Estas máquinas fueron algunas de las primeras en utilizar engranajes, lo que aumentó considerablemente su productividad. El árbol de levas permitía convertir la fuerza de rotación en fuerza direccional. De menor importancia, también se aprovechó la energía de las mareas. ^{[ 39 ]}

La energía eólica se convirtió posteriormente en la nueva fuente de energía en Europa, complementando el molino de agua. Este avance se extendió desde Europa hacia Oriente Medio durante las Cruzadas. ^{[ 39 ]}

La metalurgia avanzó considerablemente durante la Edad Media, y el hierro de mayor calidad permitió construcciones y diseños más robustos. Los molinos y la energía mecánica proporcionaron un suministro constante de golpes de martillo y aire del fuelle. ^{[ 39 ]}

Durante el siglo XVII, se produjeron importantes avances en los fundamentos de la ingeniería mecánica en Inglaterra . Sir Isaac Newton formuló las leyes del movimiento y desarrolló el cálculo , la base matemática de la física. Newton se mostró reacio a publicar sus obras durante años, pero finalmente sus colegas, como Sir Edmond Halley , lo convencieron de hacerlo, para beneficio de toda la humanidad. A Gottfried Wilhelm Leibniz también se le atribuye la creación del cálculo durante este período.

Leonardo Da Vinci fue un ingeniero notable, que diseñó y estudió muchos sistemas mecánicos centrados en el transporte y la guerra ^{[ 40 ].} Sus diseños serían comparados posteriormente con los primeros diseños de aeronaves. ^{[ 41 ].}

Aunque la energía eólica proporcionó una fuente de energía alejada de las propiedades ribereñas y experimentó mejoras sustanciales en su aprovechamiento, no pudo reemplazar la potencia constante y robusta del molino de agua. El agua siguió siendo la principal fuente de energía de la industria urbana preindustrial durante el Renacimiento. ^{[ 42 ]}

A finales del Renacimiento, científicos e ingenieros comenzaron a experimentar con la energía de vapor. La mayoría de los primeros aparatos presentaban problemas de baja potencia, ineficiencia o peligrosidad. La necesidad de una fuente de energía eficaz y económica surgió debido a las inundaciones de las minas profundas de Inglaterra , que no podían ser evacuadas con métodos alternativos. El primer diseño funcional fue la patente de Thomas Savory de 1698. Savory trabajó continuamente para mejorar y comercializar el invento en toda Inglaterra. Al mismo tiempo, otros trabajaban en mejoras al diseño de Savory, que no transfería el calor de forma eficaz. ^{[ 43 ]}

Thomas Newcomen aprovechó todos los avances de los ingenieros y desarrolló el Motor Atmosférico de Newcomen . Este nuevo diseño redujo considerablemente la pérdida de calor, impulsó el agua directamente desde el motor y permitió la construcción de diversas proporciones. ^{[ 43 ]}

La Revolución Industrial trajo consigo fábricas impulsadas por vapor que utilizaban conceptos de ingeniería mecánica. Estos avances permitieron un aumento increíble en la escala, la cantidad y la eficiencia de la producción.

Durante el siglo XIX, los avances en la ciencia de los materiales permitieron la implementación de máquinas de vapor en locomotoras y barcos de vapor , aumentando rápidamente la velocidad del transporte de personas y mercancías por todo el mundo. Estos avances se debieron al desarrollo de máquinas herramienta en Inglaterra, Alemania y Escocia , lo que permitió que la ingeniería mecánica se desarrollara como un campo independiente dentro de la ingeniería. Estas máquinas trajeron consigo maquinaria de fabricación y los motores para impulsarlas. ^{[ 44 ]}

Hacia el final de la Revolución Industrial, la tecnología de los motores de combustión interna trajo consigo el avión de pistón y el automóvil . La ingeniería aeroespacial se desarrollaría a principios del siglo XX como una rama de la ingeniería mecánica, incorporando finalmente la cohetería.

En muchas aplicaciones, el carbón fue sustituido por derivados del petróleo .

Con la llegada de las computadoras en el siglo XX, los ingenieros tuvieron acceso a métodos de diseño y fabricación más precisos. La fabricación automatizada y computarizada permitió el surgimiento de muchos campos nuevos de la ingeniería mecánica, como la ingeniería industrial . Si bien la mayoría de los automóviles aún funcionan con gasolina, los vehículos eléctricos se han consolidado como una alternativa viable. ^{[ 45 ]}

Debido a la creciente complejidad de los proyectos de ingeniería, muchas disciplinas de ingeniería colaboran y se especializan en subcampos . ^{[ 46 ]} Una de estas colaboraciones es el campo de la robótica , en el que los ingenieros eléctricos , los ingenieros informáticos y los ingenieros mecánicos pueden especializarse y trabajar juntos.

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