工程學

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進行渦輪機製作的工程人員
海上風力發電是現代環保工程學
航太工程的風阻測試

工程學工程科學工學,是通過研究與實踐應用數學自然科學社會學等基礎學科的知識,以達到改良各行業中現有材料土木建築機械電機電子儀器系統化學和加工步驟的設計和應用方式一門學科,而實踐與研究工程學的人稱為工程師。在高等學府中,將自然科學原理應用至服務業工業農業等各個生產部門所形成的諸多工程學科也稱為工科工學

工程學的英文「engineering」一詞來自於拉丁文ingenium(意為「巧妙」)和ingeniare(意為「設計」)[1]

定義[編輯]

美國專業發展工程師會英語American Engineers' Council for Professional Development(ECPD,美國工程及技術教育認證委員會英語Accreditation Board for Engineering and Technology的前身)[2]定義工程學為:

有創意的應用科學定律來設計或發展結構物、機器、裝置、製造程序、或是利用這些定律而產生的作品,或是在完整了解其設計下建構或設計上述的物品、或是在特定運作條件下預測其行為,所有所做的都是為了其預期的機能、運作的經濟性或人員及財產的安全。[3][4]

實踐與研究工程學的人叫做工程師,而有專業執照的會有其他名稱,例如註冊工程師等。

工程的分支[編輯]

現代音樂廳的設計就包括了工程學中許多不同的領域,包括聲學工程英語Acoustical engineering建築工程土木工程

工程的範圍很廣,一般會分為數個子學科,這些子學科是工程中的不同領域。一開始工程師會訓練在某一個特定的領域,但在其職業生涯中可能還是會接觸其他領域。一般工程學主要可以分為四類[5][6][7]

此外,也有其他的工程領域,以往的分類有包括礦業工程海洋工程,現在的分類有會包括工業工程材料工程[8]土木工程建築工程[9]測量工程、製造工程航空工程航海工程車輛工程電機工程、電子工程、通訊工程、儀表及控制工程英語Instrumentation and control計算機工程系統工程軟體工程紡織工程核工程[10]英國工程委員會英語Engineering Council就包括了上述許多的工程領域。

有時一些特別的應用會整合上述傳統的領域,形成一個新的領域,例如地球系統工程及管理英語Earth Systems Engineering and Management就包括了哲學倫理學人類學環境科學工程研究英語Engineering studies。一些新的領域會暫時定義為一些已有領域的組合,因此某一特定的應用是否視為一個領域仍有許多灰色地帶,一個主要的指標是主要的大學是否有開設此領域的學系、研究所或學程。

上述的領域中有相當的重疊部份,尤其是各領域中應用科學的部份,例如數學、物理及化學等。

工程領域列表[編輯]

工程學分支列表[編輯]

工程學方法[編輯]

工程師最關鍵和獨特的任務是發現,理解並結合實際的局限來達到滿意的結果。很多情況下,產品不僅僅只需符合技術要求,其他條件也必須滿足。這些條件包括材料來源,物理或技術的局限,未來改進的可行性和其他因素,諸如成本,可銷售性,可生產性及適用性。

解決問題[編輯]

工程師們應用科學,數學和相應的經驗來找到問題的解決辦法。他們建立合理的數學模型,對問題進行分析並測試可能的解決方案。可能的解決方案常常有多個,工程師們必須根據它們的本質評價各方案的優劣並選擇最能滿足要求的最佳方案。折中存在於是各種工程設計的核心之中,最佳設計意味着能達到儘可能多的要求。

工程師一般在全面生產過程前,就嘗試預測他們的設計如何達到規格。他們使用:原型比例模型模擬破壞性試驗非破壞性試驗強度測試。測試保證產品按期望值運行。測試的目的是確保產品能符合預計的要求。工程師作為專業人員會儘量製造符合預計要求的產品,並達到對社會無害。工程師往往需要在設計中考慮安全因素來降低意外的故障。不過,考慮的安全因素越高,設計效率也通常會越低。

電腦的應用[編輯]

有關太空船在降落時週圍高速空氣的電腦模擬,這類流場的解需要有限元素法去分析熱方程式納維-斯托克斯方程的效應

正如同許多現代的科學及技術一樣,電腦和軟體也在工程中扮演越來越重要的角色,現在有越來越多為工程設計的電腦輔助應用軟體(電腦輔助科技英語Computer-aided technologies),電腦可以建立基本物理方程的模型,可以用數值方法求解。

其中一種常被使用的工具是電腦輔助設計(CAD),這類軟體包括CATIAAutodesk Inventor、DSS的 SolidWorks或是Creo Parametric,可以讓工程師創造3D模型、2D的工程圖、以及相關設計的簡圖。CAD配合數字化樣機英語digital mockup計算機輔助工程的軟體(像有限元素法解析元素法英語analytic element method)可以讓工程師依設計建立可以分析的模型,而不是製作昂貴且花時間的實體原型

上述軟體可以用來檢查產品及零件的缺點、評估是否有裝配問題、進行人因工程的研究、研究產品動態或靜態的特性,像應力、溫度、產生的電磁波、電流及電壓,數位信號準位、流場分佈及動力學。這類資訊的分佈及存取一般會利用產品資料管理軟體來整合[11]

現在也有許多工具可以協助特定的應用,像產生CNC加工指令的電腦輔助製造(CAM),產品生產會用到的製造程序管理英語manufacturing process management軟體、電子工程中印刷電路板設計及繪製線路圖需要的電子設計自動化(EDA)軟體,維護工程會用到的MRO管理英語Maintenance, repair, and operations(維護、維修和運營)軟體。

近年來利用電腦來協助產品的開發已通稱為產品生命週期管理(PLM)[12]

與其它專業的比較[編輯]

科學家經常要問「是什麼」「為什麽」,但是科學家的「為什麼」往往都能轉化成「是什麼」,他們關心於了解那些人類尚未確切、完全、詳細了解的知識,滿足人類的好奇心;工程師則經常要問「如何做」,利用科學家發現的知識,製造對人類有用的物體或工具。從經濟的角度來說,科學家不必關心經濟問題,他們想法子獲得必要的經費(如政府撥款、企業投資、私人贊助等),然後專心去研究。工程師則相反,他們必須使製造出來的物體,在經濟上是可行的,否則沒有任何用處。如果一件產品的成本高於其市場價值,使得無人光顧,這種產品就無法生產,所以對工程師來說,經濟觀念是必備的。例如像科幻小說所描寫的「按12個按鈕,再拉下三個把手,就可以給麵包片抹上黃油」一類的機器,在理論上是完全可以製造出來的,但工程師決不會製造這種機器。從相互包含的角度來說,科學家可能也需要完成某些工程作業(比如設計試驗儀器,製造原型),工程師經常也要做研究。從目的的先後順序來說,可以說科學家為了學習而製造,而工程師為了製造而學習。從工程和科學都要做的研究來說,工程學上的研究與科學研究也有不同之處。它經常涉及到的領域,基本物理化學已經很好的被了解了,而這些問題卻很難被精確的解決。工程學的研究便是要尋找可能近似方案。

限制[編輯]

某些工程作業,比如設計橋樑、電廠、化工廠,必須被專業工程師所批准。保護公眾健康和安全的法律強制專業人員必須提供指導,這些指導是從教育和經驗中獲得的。

即使有了嚴格的檢測和許可證發給,工程災難還是會發生。因此專業工程師嚴守倫理學標準。每個工程學科和專業組織,都持有倫理學標準,成員發誓遵守維護。

參考文獻[編輯]

  1. ^ About IAENG. iaeng.org. International Association of Engineers. [17 December 2016]. 
  2. ^ ABET History. [2015-02-25]. (原始內容存檔於2015-04-10). 
  3. ^ Engineers' Council for Professional Development. (1947). Canons of ethics for engineers
  4. ^ Engineers' Council for Professional Development definition on Encyclopædia Britannica (Includes Britannica article on Engineering)
  5. ^ Journal of the British Nuclear Energy Society: Volume 1 British Nuclear Energy Society - 1962 - Snippet view Quote: In most universities it should be possible to cover the main branches of engineering, i.e. civil, mechanical, electrical and chemical engineering in this way. More specialised fields of engineering application, of which nuclear power is ...
  6. ^ The Engineering Profession by Sir James Hamilton, UK Engineering Council Quote: "The Civilingenior degree encompasses the main branches of engineering civil, mechanical, electrical, chemical." (From the Internet Archive)
  7. ^ Indu Ramchandani. Student's Britannica India,7vol.Set. Popular Prakashan. 2000: 146 [23 March 2013]. ISBN 978-0-85229-761-2. BRANCHES There are traditionally four primary engineering disciplines: civil, mechanical, electrical and chemical. 
  8. ^ http://www.jstor.org/pss/10.1525/hsps.2001.31.2.223
  9. ^ Bronzino JD, ed., The Biomedical Engineering Handbook, CRC Press, 2006, ISBN 978-0-8493-2121-4
  10. ^ 存档副本 (PDF). [2011-08-02]. (原始內容 (PDF)存檔於2011-09-29). 
  11. ^ Arbe, Katrina. PDM: Not Just for the Big Boys Anymore. ThomasNet. 2001-05-07. (原始內容存檔於2010年9月8日). 
  12. ^ Arbe, Katrina. The Latest Chapter in CAD Software Evaluation. ThomasNet. 2003-05-22. (原始內容存檔於2010年9月9日). 

外部連結[編輯]

參見[編輯]