วิศวกรรมศาสตร์

วิศวกรรมศาสตร์คือการประยุกต์ใช้หลักการทางวิทยาศาสตร์อย่างสร้างสรรค์เพื่อการออกแบบและพัฒนาโครงสร้าง, เครื่องจักร, เครื่องมือ, หรือกระบวนการผลิต หรืองานเพื่อการใช้ประโยชน์สิ่งเหล่านี้โดดๆหรือประยุกต์เข้าด้วยกัน หรือเพื่อการสร้างหรือใช้งานสิ่งเหล่านั้นด้วยความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับสิ่งที่ใช้งานอย่างหมดจด หรือเพื่อการพยากรณ์พฤติกรรมของสิ่งเหล่านั้นภายใต้สภาวะที่เจาะจง สิ่งที่กล่าวมาทั้งหมดนี้จักต้องคำนึงถึงความมุ่งหมายในการใช้งาน, ความคุ้มค่าในการปฏิบัติการ แลความปลอดภัยต่อชีวิตและทรัพยสินด้วย

บทความนี้อ้างอิงคริสต์ศักราช/คริสต์ทศวรรษ/คริสต์ศตวรรษ ซึ่งเป็นสาระสำคัญของเนื้อหา

 

แนวคิดทางวิศวกรรมศาสตร์นั้นมีปรากฏมาแต่ยุคโบราณกาลแล้ว นับแต่มนุษย์สามารถประดิษฐ์เครื่องมือพื้นฐาน เช่น ล้อ, รอก และคาน เครื่องมือประดิษฐ์เหล่านั้นถูกนิยามถึงในวิศวกรรมศาตร์ยุคปัจจุบันและถูกใช้ประโยชน์ในงานกลศาสตร์พื้นฐานเพื่อการพัฒนาเครื่องมือและวัตถุ

คำว่า engineering ในภาษาอังกฤษ อันหมายถึงวิศวกรรมศาสตร์นั้น ถูกสร้างมาจากคำว่า engineer ซึ่งคำๆนี้สามารถสืบย้อนกลับไปได้ถึง ค.ศ. 1325 เมื่อคำว่า engine’er (อันมีความหมายว่า ผู้ใช้งานเครื่องจักร) นั้น เดิมทีหมายถึง "ผู้สร้างเครื่องจักรสำหรับใช้งานเพื่อการทหาร" ความหมายดังที่กล่าวมานั้น (ซึ่งความหมายนี้ได้ถูกยกเลิกไปแล้ว) คำว่า engine นั้นหมายถึงเครื่องจักรทางการทหาร หรืออาวุธนั่นเอง ตัวอย่างเช่นเครื่องยิงหินแคเทอพอลต์ หรือกล่าวโดยสรุปแล้ว แต่เดิมที วิศวกรคือผู้ที่ทำงานเกี่ยวกับอาวุธยุทโธปกรณ์ในกองทัพนั่นเอง สำหรับคำว่า engine นั้นเอง มีความหมายที่เก่าแก่กว่านั้นอีกคือมาจากคำว่า ingenium ในภาษาละติน ซึ่งแปลว่า "ความสามารถที่มีมาโดยกำเนิด" โดยเฉพาะหมายถึงความสามารถทางปัญญา เช่นความฉลาดในการประดิษฐ์

ต่อมา เนื่องจากความรู้ในวิทยาการการออกแบบสิ่งก่อสร้างสำหรับพลเรือนเช่น สะพาน อาคารบ้านเรือนมีพัฒนาสูงขึ้น คำว่า Civil Engineer (วิศวกรรมโยธาในภาษาไทย) ( Civil แปลว่า พลเรือน) จึงได้ถูกบัญญัติใช้เพื่อการแยกแยะระหว่างวิศวกรผู้เชี่ยวชาญในงานก่อสร้างที่ไม่เกี่ยวกับการทหาร กับ วิศวกรที่ทำงานในสายงานวิศวกรรมการทหาร (ความหมายของคำว่าวิศวกรรมศาสตร์ หรือ engineering ที่ถูกใช้ในยุคนั้น ส่วนใหญ่ไม่ตรงกับความหมายที่ถูกใช้ในปัจจุบัน ยกเว้นแต่เพียงบางส่วนที่ยังคงความหมายเดิมมาจนปัจจุบัน เช่นหน่วยทหารช่าง

 

 

ยุคโบราณ

ไม่ว่าจะ อาโครโปลิสแห่งเอเธนส์, วิหารพาร์เธนอนในกรีซ, ระบบท่อปะปาแห่งโรมัน, เส้นทางแอปพีเอิน, โคลอสเซียม หรือสวนลอยบาบิโลน หรือ ประภาคารฟาโรสแห่งอเล็กซานเดรีย, พีระมิด ในอียิปต์ หรือ Teotihuacan แลเมืองและพิระมิดแห่งจักรวรรดิมายา, อินคาและแอสแทก หรือ กำแพงเมืองจีน และสิ่งก่อสร้างอื่นๆนอกเหนือจากนี้นั้น แสดงให้เห็นถึงความปราชเปรื่องของวิศวกรโยธาและเครื่องกลยุคโบราณ

วิศวกรโยธาคนแรกสุดในประวัติศาสตร์คืออิมโฮเตป ข้าราชบริพารในฟาโรห์โดจเซอร์ เขาคือผู้ออกแบบและควบคุมการก่อสร้างพีระมิดโดจเซอร์ (เป็นพีระมิดแบบขั้นบันได) ในซาคคารา ในประเทศอียิปต์ ในช่วง 2630-2611 ก่อนคริสตกาล และเขาอาจจะเป็นคนๆแรกที่ใช้สถาปัตยกรรมแบบเสาด้วย ^{[ต้องการอ้างอิง]}

ในกรีกโบราณ กลไกอันติคือเธราเป็นเครื่องคำนวณเครื่องแรกในประวัติศาสตร์ หรือสิ่งประดิษฐ์ของอาร์คิมิดีสซึ่งเรียกได้ว่าเป็นตัวอย่างของงานทางวิศวกรรมเครื่องกลยุคโบราณ งานบางชิ้นของอาร์คิมิดิส และ กลไกแอนทิกิธีรา ต้องใช้ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในหลักการของเฟืองทดหรือเฟืองแพลนเน็ททอรี ซึ่งเป็นสองกุญแจสำคัญในทฤษฎีจักรกลเพื่อใช้ในการออกแบบระบบเฟืองในยุคปฏิวัติอุตสาหกรรมและยังคงใช้อย่างกว้างขวางในหลายๆสาขางานทางวิศวกรรมเครื่องกลเช่นหุ่นยนต์และวิศวกรรมยานยนต์

ในกองทัพจีนและโรมันโบราณต่างก็นำเครื่องจักรทางทหารที่ซับซ้อนเข้ามาใช้งานในราชการกองทัพเช่น เครื่องยิงหินแคเทอพอลต์, เครื่องยิงธนูบะลิสตา ในกองทัพโรมัน หรือการนำจรวดเข้ามาใช้ในงานสงครามของกองทัพจีน สำหรับเครื่องยิงหินเทรบิวเชตซึ่งถูกสร้างเพื่อการทำลายกำแพงเมืองของข้าศึกนั้น ถูกสร้างขึ้นในยุคกลาง

ยุคกลาง

ชาวอิรักนามอัล จาซาริคือผู้ที่มีอิทธิพลต่อการออกแบบเครื่องจักรในปัจจุบัน ในช่วงระหว่าง ค.ศ. 1174 ถึง1200 เขาประดิษฐ์เครื่องจักรห้าเครื่องสำหรับการสูบน้ำถวายกษัตริย์ตุรกีราชวงศ์อาร์ตูควิดและปราสาทของราชวงศ์^{[ต้องการอ้างอิง]} เครื่องสูบน้ำลูกสูบแบบ double-acting reciprocating ที่เขาออกแบบคือเครื่องจักรเครื่องแรกที่มีการใช้ทั้ง connecting rod และcrankshaft ดังนั้นจะมีการเปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบหมุนให้เป็นการเคลื่อนที่แบบกลับไปกลับมา แต่สำหรับวิศวกรในปัจจุบันแล้ว กลไกชนิดนี้ถือว่าเป็นกลไกขั้นพื้นฐาน

Donald Routledge Hill วิศวกรชาวอังกฤษเขียนถึงอัล จาซารีเอาไว้ว่า

ไม่มีทางเลยที่จะกล่าวยกยอความสำคัญในงานของอัล จาซารีในประวัติศาสตร์มากจนเกินไป แม้ตราบจนทุกวันนี้ ยังไม่มีเอกสารจากแหล่งวัฒนธรรมอื่นใดที่สามารถให้คำแนะนำในการออกแบบ ผลิต และประกอบเครื่องจักรได้สมบูรณ์แบบเท่านี้[งานของเขา]อีกแล้ว

แม้กระทั่งทุกวันนี้ ของเล่นบางชิ้นก็ยังใช้กลไก คาน-แคมซึ่งพอในงานประดิษฐ์กุญแจรหัสและตุ๊กตากลไขลานของอัล จาซารี นอกจากนี้ งานของเขาผ่านงานประดิษฐ์ของเขามากกว่า 50 ชิ้น เขาได้พัฒนาและค้นพบหลายๆสิ่งเช่น segmental gears, ระบบควบคุมเชิงกล, กลไก escapement, หุ่นยนต์, นาฬิกา, และระบบการอ้างอิงถึงวิธีออกแบบและการผลิต

ยุคฟื้นฟูศิลปวิทยา

 

 

วิลเลียม กิลเบิร์ตจัดได้ว่าเป็นวิศวกรไฟฟ้าคนแรกจากผลงานการตีพิมพ์ De Magnete ใน ค.ศ. 1600ซึ่งเป็นผลงานที่มีการบัญญัติคำว่า"ไฟฟ้า"ขึ้นใช้เป็นครั้งแรก

เครื่องจักรไอน้ำเครื่องแรกถูกสร้างขึ้นโดยวิศวกรเครื่องกลชาวอังกฤษนาม โทมัส ซาวารี ใน ค.ศ. 1698 ซึ่งการพัฒนาเครื่องจักรไอน้ำนี้ นำไปสู่การปฏิวัติอุตสาหกรรมในทศวรรตต่อมา และทำให้การผลิตแบบ Mass Production นั้นเป็นไปได้

วิชาชีพวิศวกรก้าวขึ้นมาสู่ความเป็นผู้เชี่ยวชาญในศตวรรตที่สิบแปด และความหมายของวิศวกรรมศาสตร์ก็แคบลง หมายถึงเฉพาะสาขาวิชาที่มีการนำวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์เข้ามาใช้ เช่นเดียวกับ สาขาmechanic arts ที่เคยอยู่ในสายวิศวกรรมการทหารและโยธา ก็ถูกยกขึ้นมาเป็นวิศวกรรมศาสตร์

ยุคปัจจุบัน

วิศวกรรมไฟฟ้าสามารถกล่าวได้ว่ามีจุดเริ่มต้นมาจากการทดลองของอาเลสซันโดร วอลตาในช่วง 1800s การทดลองของ เกออร์ก ซีโมน โอห์ม และ ไมเคิล ฟาราเดย์ และการประดิษฐ์มอร์เตอร์ไฟฟ้าใน ค.ศ. 1872 สำหรับงานของเจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์และเฮนริค เฮิรต์ในช่วงปลายศตวรรตที่ 19 ทำให้วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ได้ถือกำเนิดขึ้นมา มากไปกว่านั้น การค้นพบหลอดสุญญากาศและทรานซิสเตอร์ในช่วงเวลาต่อมาทำให้ความรู้ในสาขาไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ได้รับการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดเด่นล้ำเหนือวิศวกรรมสาขาอื่นๆ

สิ่งประดิษฐ์ของโทมัส ซาวารีและเจมส์ วัตต์ทำให้วิศวกรรมเครื่องกลในปัจจุบันก้าวขึ้นมาสู่ความเป็นมืออาชีพ ไม่ว่าจะการพัฒนาเครื่องจักรเฉพาะ หรือเครื่องมือในการซ่อมบำรุงในช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรมต่างก็ทำให้ความรู้ในแขนงนี้กว้างมากขึ้นทั้งในสหราชอาณาจักร ถิ่นกำเนิดและต่างแดน

วิศวกรรมเคมีเองก็มีความคล้ายคลึงกับวิศวกรรมเครื่องกล ถูกพัฒนาในศัตวรรตที่ 19 ในช่วงปฏิวัติอุตสาหกรรม อุตสาหกรรมในเวลานั้นมีความต้องการวัสดุและกระบวนการใหม่ๆ และในช่วงปี 1880 ความต้องการการผลิตทางเคมีจำนวนมากทำให้อุตสาหกรรมเคมีถือกำเนิดขึ้น และทำให้เกิดการพัฒนากระบวนการผลิตสารเคมีขนาดหนักจนทำให้มีโรงงานผลิตสารเคมีเกิดขึ้น บทบาทของวิศวกรเคมีคือการออกแบบโรงานและกระบวนการผลิตสารเคมี

วิศวกรรมการบิน แต่เดิมทีมุ่งหมายเพียงการออกแบบอากาศยาน ทว่าต่อมามีความมุ่งหมายรวมไปถึงการออกแบบอวกาศยานด้วย จุดกำเนิดของวิศวกรรมการบินอาจจะย้อนไปได้ถึงความพยายามค้นคว้าด้านการบินในศตวรรษที่ 18-19 รวมทั้งเครื่องร่อนผลงานของ เซอร์ จอร์จ เคยเลย์ ในช่วงทศวรรตสุดท้ายของศตวรรษที่ 18 ด้วย ในช่วงแรกเริ่ม ความรู้ในวิศวกรรมการบินนั้นมีเพียงแนวคิดและทักษะจากวิศวกรรมสาขาอื่นๆเท่านั้น แต่เพียงทศวรรษเดียวหลังความสำเร็จในการบินของพี่น้องไรต์ คือช่วงปี 1920s พัฒนาการด้านการบินได้รับการพัฒนาไปมากผ่านการสร้างอากาศยานสำหรับการทหารในสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง ในขณะดียวกัน การวิจัยเพื่อพัฒนาความรู้พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ก็ดำเนินไปโดยการนำทฤฎีทางฟิสิกส์มาประยุกต์เข้ากับการทดลองจริง

วิศวกรรมศาสตร์นั้นคล้ายคลึงกับวิทยาศาสตร์ที่มีขอบข่ายกว้างขวางจนสามารถแตกแยกย่อยลงมาได้หลายสาขาย่อย และในแต่ละสาขาย่อยต่างก็มองตัวเองในสายงานต่างๆทางวิศวกรรม ถึงแม้ว่าในช่วงแรก วิศวกรจะถูกฝึกศึกษามาในสาขาใดสาขาหนึ่ง แต่หลังจากผ่านประสบการณ์งานในสายวิศวกรรมมาแล้ว วิศวกรผู้นั้นอาจจะมีความสามารถในการทำงานได้หลากหลายสาขา โดยประวัติศาสตร์แล้ว วิศวกรรมสาขาหลักๆแบ่งได้ดังนี้

• วิศวกรรมการบินและอวกาศยาน - ออกแบบอากาศยาน อวกาศยาน และสิ่งที่เกี่ยวข้อง
• วิศวกรรมเครื่องกล - ออกแบบระบบเชิงกายภาพหรือกลศาสตร์ ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์ ระบบส่งกำลัง ระบบกันกระเทือน
• วิศวกรรมเคมี - ใช้หลักการทางเคมีในกระบวนการผลิตเคมีอุตสาหกรรม รวมไปถึงการค้นคว้าวิจัยเชื้อเพลิงและวัสดุจำเพาะใหม่ๆ
• วิศวกรรมไฟฟ้า - ออกแบบระบบไฟฟ้า เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า ตลอดจนเครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชนิด
• วิศวกรรมโยธา - ออกแบบและก่อสร้างสิ่งก่อสร้าง เช่น รางรถไฟ ถนนหนทาง สะพาน ตึกและอาคารบ้านเรือน

เนื่องด้วยพัฒนาการอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี วิศวกรรมสาขาใหม่ๆ มีความสำคัญมากขึ้นและได้รับการพัฒนาเช่น วิศวกรรมคอมพิวเตอร์ วิศวกรรมแม็คคาทรอนิกส์ วิศวกรรมไฟฟ้าเครื่องกลการผลิต นาโนเทคโนโลยี บางครั้ง สาขาใหม่นั้นก็เกิดจากการผสมผสานความรู้ของสาขาเดิมเข้าด้วยกัน การเกิดขึ้นใหม่ของสาขาทางวิศวกรรมนั้น โดยทั่วไปแล้วจะถูกนิยามแบบชั่วคราว ในหลากหลายรูปแบบ หรือนิยามในฐานสาขาย่อยของสาขาที่มีอยู่แล้ว ช่วงว่างของความรู้นี้ เมื่อได้รับความสนใจศึกษามากขึ้น ก็จะได้รับการยกระดับให้เป็นสาขาใหม่ ตัวชี้วัดได้ตัวหนึ่งของการเกิดสาขาใหม่นั้นคือการตั้งสาขาวิชาหรือหลักสูตรของมหาวิทยาลัยชื่อดัง

สำหรับวิศวกรรมศาสตร์ในแต่ละสาขาที่มีปรากฏนั้น มักจะมีการเหลื่อมล้ำของความรู้ โดยเฉพาะในสาขาที่มีการประยุกต์ใช้ความรู้ทางฟิสิกส์ เคมี และคณิตศาสตร์

สำหรับสาขาทางวิศวกรรมนั้น ได้ถูกแสดงในรายการข้างล่างนี้

 

วิศวกรจะประยุกต์ใช้ความรู้ในศาสตร์ทางฟิสิกส์และคณิตศาสตร์เพื่อการหาทางแก้ปัญหาที่เหมาะสมต่อความต้องการ หรือเพื่อการพัฒนางานที่รับผิดชอบให้ดียิ่งขึ้น ในปัจจุบันนี้ วิศวกรมีความจำเป็นยวดยิ่งที่จะต้องมีความรู้ในศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบในโครงการของตน ดังนั้น วิศวกรจำต้องเรียนรู้สิ่งใหม่ๆตลอดวิชาชีพของตน ถ้าทางเลือกนั้นมีมากกว่าหนึ่งทางเลือก วิศวกรจำต้องวิเคราะห์ความแตกต่างของทางเลือกและตัดสินใจเลือกเอาทางเลือกที่เหมาะสมต่อความต้องการของปัญหามากที่สุด หน้าที่ที่สำคัญที่สุดและเป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัวของวิชาชีพวิศวกรก็คือการระบุ ทำความเข้าใจ และขยายความหมายของ "ข้อจำกัด" ในการออกแบบ เพื่อสร้างผลลัพธ์ที่ได้ผล และเพียงแค่ความสำเร็จในเชิงเทคนิคนั้นยังไม่ถือว่าดีพอ หากแต่จะต้องบรรลุความต้องการที่เหนือไปจากขอบข่ายเชิงเทคนิคอีกด้วย "ข้อจำกัด" ในที่นี้นั้นอาจจะหมายถึง ทรัพยากรที่มี แรงงาน จินตนาการหรือเทคโนโลยีที่มี ความยืดหยุ่นสำหรับการปรับปรุงพัฒนาต่อ และปัจจัยอื่นๆ เช่น ราคา ความปลอดภัย ความต้องการของตลาด ผลิตภาพ และสามารถใช้งานได้จริงในภาคสนามอย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อทำความเข้าใจใน "ข้อจำกัด" วิศวกรจะต้องนำเอาความต้องการที่เจาะจงมาวิเคราะห์เพื่อสร้างขอบเขตซึ่งใช้งานได้จริงสำหรับการผลิตหรือปฏิบัติการ