3.3 หลักการทางวิทยาศาสตร์ในวิศวกรรม
3.3.1 การใช้หลักการทางวิทยาศาสตร์ในการออกแบบและพัฒนาโซลูชัน
การออกแบบและพัฒนาโซลูชันทางวิศวกรรมมักอาศัยความรู้และหลักการทางวิทยาศาสตร์เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่มีประสิทธิภาพและปลอดภัย หลักการทางวิทยาศาสตร์เป็นรากฐานสำคัญที่ช่วยวิศวกรในการแก้ปัญหาต่าง ๆ ตั้งแต่การออกแบบโครงสร้างพื้นฐานไปจนถึงการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ โดยเฉพาะการใช้กฎฟิสิกส์ เช่น กฎของแรงและการเคลื่อนที่ (Newton's Laws of Motion) หลักการพลังงาน และการอนุรักษ์พลังงาน รวมถึงความรู้เกี่ยวกับความร้อนและวัสดุศาสตร์
1. กฎของแรงและการเคลื่อนที่
กฎของนิวตันเกี่ยวกับแรงและการเคลื่อนที่เป็นพื้นฐานในการออกแบบเครื่องจักรและระบบที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ วิศวกรใช้กฎเหล่านี้ในการคำนวณและออกแบบระบบที่ต้องการควบคุมการเคลื่อนที่ เช่น:
- กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน (Law of Inertia)
วิศวกรใช้กฎนี้ในการออกแบบระบบที่ต้องการให้วัตถุคงอยู่ในสถานะเดิม เช่น ระบบการกันกระแทกของรถยนต์ ซึ่งต้องการให้ผู้โดยสารมีความปลอดภัยขณะรถหยุดกระทันหัน - กฎข้อที่สองของนิวตัน (F=ma)
วิศวกรใช้กฎนี้ในการออกแบบเครื่องจักรและระบบที่มีแรงกระทำต่อวัตถุ เช่น การคำนวณแรงที่ต้องใช้ในการเร่งเครื่องยนต์ให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต้องการ - กฎข้อที่สามของนิวตัน (Action-Reaction)
ใช้ในการออกแบบระบบที่ต้องใช้แรงและการตอบสนอง เช่น การออกแบบระบบขับเคลื่อนของจรวดที่ใช้หลักการแรงดันของไอพ่น
2. หลักการของพลังงานและการอนุรักษ์พลังงาน
หลักการอนุรักษ์พลังงานมีความสำคัญในการออกแบบระบบที่ต้องการประหยัดพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพ วิศวกรต้องใช้ความรู้เกี่ยวกับพลังงานในการออกแบบโครงสร้างและเครื่องจักร เช่น:
- พลังงานกล
วิศวกรใช้หลักการนี้ในการออกแบบระบบที่มีการเคลื่อนที่ เช่น เครื่องยนต์ที่เปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานความร้อนและพลังงานไฟฟ้า การออกแบบกังหันลมที่ใช้พลังงานลมเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าก็เป็นตัวอย่างที่ดีของการใช้หลักการนี้ - การอนุรักษ์พลังงาน
วิศวกรต้องพิจารณาการอนุรักษ์พลังงานในระบบต่าง ๆ เพื่อให้พลังงานไม่สูญเปล่า เช่น การออกแบบระบบควบคุมอุณหภูมิในอาคารให้ประหยัดพลังงาน หรือการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบขนส่งพลังงาน
3. หลักการทางความร้อนและวัสดุศาสตร์
วิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความร้อนและวัสดุศาสตร์เป็นหัวข้อสำคัญในวิศวกรรม โดยเฉพาะการออกแบบระบบที่เกี่ยวข้องกับความร้อน การเปลี่ยนสถานะของสาร และการเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมกับการใช้งาน:
- กฎข้อที่หนึ่งและสองของเทอร์โมไดนามิกส์
กฎข้อที่หนึ่งกล่าวถึงการอนุรักษ์พลังงานในระบบปิด ส่วนกฎข้อที่สองเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทพลังงานและประสิทธิภาพในการเปลี่ยนรูปพลังงาน วิศวกรใช้กฎเหล่านี้ในการออกแบบระบบพลังงาน เช่น ระบบเครื่องทำความร้อนและเครื่องทำความเย็นในอาคาร หรือการออกแบบเครื่องยนต์ให้มีประสิทธิภาพสูงสุดในการใช้พลังงานความร้อน - วัสดุศาสตร์
การเลือกวัสดุมีความสำคัญต่อความแข็งแรง ความทนทาน และประสิทธิภาพของโครงสร้าง วิศวกรต้องเลือกวัสดุที่เหมาะสม เช่น โลหะที่ทนต่อความร้อนสูงสำหรับเครื่องยนต์ หรือวัสดุเบาแต่แข็งแรงสำหรับอุตสาหกรรมการบิน
ประเด็นสำคัญ:
- กฎของแรงและการเคลื่อนที่: เป็นพื้นฐานในการออกแบบระบบการเคลื่อนที่ เช่น การคำนวณแรงและการตอบสนองของวัตถุ
- หลักการพลังงานและการอนุรักษ์พลังงาน: ช่วยในการออกแบบระบบที่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพและลดการสูญเสียพลังงาน
- ความร้อนและวัสดุศาสตร์: มีความสำคัญในการออกแบบระบบที่เกี่ยวข้องกับความร้อนและการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมเพื่อความทนทานและประสิทธิภาพของโครงสร้าง
