การศึกษาวิศวกรรมเครื่องกลนั้นจำเป็นต้องมีความเข้าใจในหลักการพื้นฐานของหลักกลศาสตร์ พลศาสตร์ อุณหพลศาสตร์ กลศาสตร์ของไหลและพลังงานเป็นอย่างดี วิศวกรเครื่องกลนั้นสามารถใช้หลักการณ์พื้นฐานได้ดีพอกับความรู้อื่นๆในงานภาคสนามเพื่อการออกแบบและวิเคราะห์ยานยนต์ อากาศยาน ระบบทำความร้อนและความเย็น เรือ ระบบการผลิต จักรกลและอุปกรณ์อุตสาหกรรม หุ่นยนต์และอุปกรณ์ทางการแพทย์ เป็นต้น
วิวัฒนาการ
การประยุกต์ใช้ศาสตร์ทางวิศวกรรมเครื่องกลนั้นถูกบันทึกเอาไว้ในหลายสังคมยุคโบราณและยุคกลางทั่วโลก ในกรีกยุคโบราณงานของอาร์คิมิดีส (287 –212 ก่อนคริสตกาล) และงานของเฮรอนแห่งอเล็กซานเดีย (ค.ศ. 10–70) นับได้ว่ามีอิทธิพลอย่างลึกซึ้งต่อประยุกตวิทยายุโรปมากเลยทีเดียว ในจีน จาง เหิง (張衡) (ค.ศ. 78–139) พัฒนานาฬิกาน้ำและเครื่องตรวจจับแผ่นดินไหว หม่า จวิน (馬鈞) (ค.ศ. 200–265) ประดิษฐ์ติดตั้งเฟืองทดบนรถม้า ซู ซ่ง (蘇頌) (ค.ศ. 1020–1101) ช่างนาฬิกาและวิศวกรได้ประยุกต์กลไกเอสเคปเมนต์ (Escapement Mechanism) เพื่อการประดิษฐ์หอนาฬิกาเชิงดาราศาสตร์ได้สองร้อยปีก่อนที่กลไกนี้จะถูกค้นพบในยุโรปและยังเป็นกลไกที่ใช้โซ่ส่งกำลัง (Chain Drive) กลไกแรกในโลก
ในช่วงยุคทองของอิสลาม ระหว่างคริสตศัตวรรษที่ 7 ถึง 15 มีการพัฒนาศาสตร์ด้านกลไกอย่างเด่นได้ชัด อัล จาชิริ ผู้แต่งตำรา "ตำราแห่งความรู้เกี่ยวกับกลไกอันชาญฉลาด (Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices)" ใน ค.ศ. 1206 ซึ่งนำเสนอรูปแบบกลไกมากมาย เขาถูกพิจารณาว่าเป็นผู้ประดิษฐ์อุปกรณ์เชิงกลหลายอย่างซึ่งปัจจุบันถือเป็นกลไกพื้นฐานดั่งเช่นเพลาแคมและแคร๊ง
ในช่วงต้นคริสตศัตวรรษที่ 19 พัฒนาการด้านเครื่องมือกลในอังกฤษและสกอตแลนด์ทำให้วิศวกรรมเครื่องกลแยกตัวออกมาจากวิศวกรรมสาขาอื่นๆ โดยเน้นไปที่งานเครื่องจักรอุตสาหกรรมและเครื่องยนต์ต้นกำลัง ใน ค.ศ. 1847 สมาคมวิศวกรเครื่องกลแห่งแรกได้ถูกก่อตั้งขึ้นในสหราชอาณาจักรหรือสามสิบปีหลังการก่อตั้งสมาคมวิศวกรโยธา ในสหรัฐอเมริกา สามคมวิศวกรเครื่องกลแห่งอเมริกา (American Society of Mechanical Engineers, ASME) ถูกก่อตั้งใน ค.ศ. 1880 กลายเป็นสมาคมทางวิศวกรรมลำดับที่สามตามหลังสมาคมวิศวกรโยธาแห่งอเมริกา (1852)และสถาบันวิศวกรเหมืองแร่แห่งอเมริกา (1871) สำหรับสถาบันการศึกษาแรกที่เปิดหลักสูตรวิศวกรรมศาสตร์ในอเมริกาคือ วิทยาลัยการทหารแห่งสหรัฐอเมริกา (โรงเรียนนายร้อยทหารบกเวสต์พอย์ต) ในค.ศ. 1817 ซึ่งต่อมากลายเป็น มหาวิทยาลัยนอร์วิช (Norwich University) ในค.ศ. 1819 และสถาบันโพลิเทคนิคเรนส์ซเลียร์ ในค.ศ. 1825 โดยประวัติศาสตร์การศึกษาด้านวิศวกรรมเครืองกลนั้น มีพื้นฐานการศึกษาที่เน้นหนักไปทางด้านคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์
ศาสตร์ทางด้านวิศวกรรมเครื่องกลนั้น ได้รับการพิจารณาว่าเป็นศาสตร์ทางวิศวกรรมที่กว้างที่สุด งานของวิศวกรเครื่องกลนั้นมีขอบข่ายตั้งแต่ก้นมหาสมุทรไปจนถึงอวกาศอันไกลพ้น
การศึกษา
หลักสูตรวิศวกรรมเครื่องกลมีเปิดสอนในสถาบันการศึกษาทั่วโลก ในจีน, เนปาล และอเมริกาเหนือ หลักสูตรวิศวกรรมเครื่องกลจะเป้นหลักสูตรสี่ถึงห้าปี และผู้สำเร็จการศึกษาจะได้รับวุฒิวิทยาศาสตรบัณฑิต (วท.บ.) เทคโนโลยีบัณฑิต (ทล.บ.) หรือ วิศวกรรมศาสตรบัณฑิต (วศ.บ.) ซึ่งจะมีการระบุถึงสาขาวิศวกรรมเครื่องกล ในสเปน โปรตุเกส และอเมริกาใต้ หลักสูตรวิศวกรรมเครื่องกลจะเป็นหลักสูตร 5 ปีสำหรับการเรียนในห้อง หรือ 6 ปีรวมการฝึกภาคปฏิบัติ ในประเทศไทย หลักสูตรวิศวกรรมเครื่องกลเป็นหลักสูตร 4 ปี
ในอเมริกา หลักสูตรวิศวกรรมเครื่องกลระดับปริญญาตรีโดยส่วนมากจะได้รับการรับรองจากคณะกรรมการรับรองหลักสูตรสำหรับวิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยี (Accreditation Board for Engineering and Technology (ABET)) เพื่อให้มั่นใจได้ว่าทุกมหาวิทยาลัยมีหลักสูตรการเรียนการสอนอยู่ในมาตราฐานที่คล้ายคลึงกัน สำหรับในประเทศไทยนั้น หลักสูตรวิศวกรรมเครื่องกลจะได้รับการดูแลโดยสภาวิศวกร
วิศวกรเครื่องกลอาจจะเข้ารับการศึกษาเพิ่มเติมในระดับปริญญาโทและเอกในสาขา วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต (วศ.ม.) วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต (วท.ม.) หรือ ปริญญาเอกในสาขาวิศวกรรมศาสตร์ หรือปริญญาทางวิศวกรรมอื่นๆ สำหรับกรศึกษาในระดับมหาบัณฑิตหรือปริญญาอื่นๆ อาจจะทำหรือไม่ทำวิทยานิพนธ์ก็ได้
หลักสูตร
มาตราฐานของหลักสูตรที่ถูกกำหนดในแต่ละประเทศนั้นจะมีลักษณะที่คล้ายคลึงกันด้านการเรียนการสอนในวิชาพื้นฐานทางด้านวัสดุศาสตร์ สร้างความสามารถในตัวบัณฑิตวิศวกรรมทุกคนให้มีความสามารถในการทำงานในฐานะผู้เชี้ยวชาญด้านวิศวกรรมได้เหมือนกัน สำหรับในประเทศไทย สภาวิศวกรได้กำหนดว่าหลักสูตรทางวิศวกรรมศาสตร์จะที่ได้รับการรับรองนั้นจำต้องมีการสอนความรู้วิชาพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์, ความรู้วิชาพื้นฐานทางวิศวกรรม และความรู้วิชาเฉพาะทางวิศวกรรม อีกทั้งยังจะต้องมีคณาจารย์ และสถานที่ ห้องสมุด และห้องปฏิบัติการ เป็นไปตามเกณฑ์ และมีการจัดทำระบบประกันคุณภาพและผ่านการรับรองจากกระทรวงที่รับผิดชอบ อย่างไรก็ตาม วิชาเฉพาะในหลักสูตรนั้นอาจจะแตกต่างกันออกไปโดยบางมหาวิทยาลัยอาจจะบรรจุหลายสายวิชาลงในรายวิชาเดียว หรืออาจจะแยกสายวิชาออกมาเป็นหลายรายวิชา ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสิ่งอำนวยการสอน และสาขาการวิจัยของมหาวิทยาลัย โดยทั่วไปวิชาพื้นฐานของวิศวกรรมเครื่องกลประกอบด้วย
- สถิตยศาสตร์ และ พลศาสตร์
- ความแข็งแรงของวัสดุ และ กลศาสตร์ของแข็ง
- เครื่องมือวัดและควบคุม
- อุณหพลศาสตร์, การถ่ายเทความร้อน, ระบทำความร้อนและความเย็น
- กลศาสตร์ของไหล
- การออกแบบเครื่องกล (ทั้งในเชิงสถิตยศาสตร์ และ พลศาสตร์)
- การผลิต
- การเขียนแบบเชิงวิศวกรรม
นอกจากนี้ บางหลักสูตรทางวิศวกรรมเครื่องกล อาจจะเน้นเฉพาะทางลงไปเช่น วิศวกรรมยานยนต์, วิศวกรรมการบินและอวกาศยาน, วิศวกรรมต่อเรือ, วิศวกรรมจักรกลเกษตร หรือวิศวกรรมหุ่นยนต์หรือสาขาอื่นๆ
โดยส่วนมาก หลักสูตรวิศวกรรมเครื่องกลจะบังคับให้นักศึกษาได้รับการฝึกงานในสถานประกอบการทางวิศวกรรมจริงอย่างน้อยหนึ่งรายวิชา แต่สำหรับประเทศไทยนั้น นักศึกษาวิศวกรรมเครื่องกลทุกคนจะต้องผ่านการฝึกงานจริงหนึ่งรายวิชา ส่วนมากการฝึกงานของนักศึกษาวิศวกรรมเครื่องกลในประเทศไทยจะถูกจัดอยู่ในภาคการศึกษาภาคฤดูร้อนของปีการศึกษาที่สาม
ใบอนุญาตประกอบวิชาชีพทางวิศวกรรม (ก.ว.)
ไม่จำเป็นว่าวิศวกรเครื่องกลทุกคนจะต้องมีใบประกอบวิชาชีพถึงจะทำงานได้ วิศวกรบางคนอาจจะขอใบอนุญาตประกอบวิชาชีพวิศวกรรมจากหน่วงงานภาครัฐระดับชาติ, รัฐ หรือมณฑล ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับกฎหมายที่บังคับใช้ในแต่ละรัฐ แต่สำหรับประเทศไทย สภาวิศวกรคือหน่วยงานเดียวที่สามารถออกใบรับรองให้วิศวกรทั่วประเทศ วิศวกรที่จะได้รับใบประกอบวิชาชีพนั้นคือวิศวกรที่ผ่านการตรวจสอบแล้วว่ามีความรู้เฉพาะทางที่จำเป็น, มีประสบการณ์งานจริง และมีความรู้ด้านกฎหมายที่เกี่ยวข้องกับงานทางวิศวกรรมในระดับผู้เชี่ยวชาญงานวิศวกรรม ในประเทศไทยนั้น วิศวกรที่จะได้รับการรับรองนั้นจะต้องสำเร็จการศึกษาในหลักสูตรวิศวกรรมเครื่องกลที่สภาวิศวกรรับรอง
สมาคมวิชาชีพ
ในหลายๆ ประเทศ มีองค์กรทางวิชาชีพวิศวกรรมเครื่องกลที่มีชื่อเสียง และทำคุณประโยชน์ในการพัฒนาวิชาชีพและนำวิชาการทางวิศวกรรมเครื่องกลสร้างประโยชน์สังคม หลาย ๆ องค์กร ได้แก่ ASME (American Society of Mechanical Engineers) หรือ JSME (Japanese Society of Engineers) ในประเทศไทยก็มีสมาคมวิศวกรเครื่องกลไทย (Thai Society of Mechanical Engineers)
สาขาย่อยของวิศวกรรมเครื่องกล
กลศาสตร์
- สถิตยศาสตร์ (Statics) ศึกษาวัตถุที่อยู่นิ่งและทราบภาระ
- พลศาสตร์ (Dynamics) ศึกษาผลกระทบของแรงที่เข้ากระทำต่อวัตถุ
- ความแข็งแรงของวัสดุ ศึกษาการเปลี่ยนรูปของวัตสดุ ภายใต้ความเค้นแบบต่างๆ
- กลศาสตร์ของไหล ศึกษาปฏิกิริยาของของไหลอันเนื่องมาจากแรง
- กลศาสตร์ของไหลนี้อาจจะแบ่งได้เป็นของไหลสถิตย์และของไหลจลน์ และกลสาสตร์ของไหลก็เป็นสาขาหนึ่งของ continuum mechanicsสำหรับการประยุกต์ใช้ความรู้ในสาขานี้มี ไฮดรอลิกส์ และ นิวแมติกส์
- Continuum mechanics คือวิธีการประยุกต์ใช้กลศาสตร์โดยสมมติว่าวัสดุนั้นมีความต่อเนื่องไม่ขาดช่วง
จลนศาสตร์
จลนศาสตร์ (kinematics) เป็นการศึกษาการเคลื่อนไหวของวัตถุและระบบโดยไม่สนใจแรงที่ทำให้เกิดการเคลื่อนไหว การเคลื่อนไหวของเครนหรือการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาของลูกสูบเป็นตัวอย่างหนึ่งของระบบทางจลนศาสตร์อย่างง่าย เครนเป็นตัวอย่างของระบบเปิดทางจลนศาสตร์ ส่วนลูกสูบเป็นระบบปิดแบบโฟร์บาร์ลิงเกจ
วิศวกรจะใช้จลนศาสตร์ในการออกแบบและวิเคราะห์กลไก ซึ่งจลนศาสตร์นี้สามารถใช้คำนวณหาขอบเขตการเคลื่อนที่ของกลไก หรือออกแบบกลไกที่มีเพื่อตอบสนองการเคลื่อนที่ของกลไก
