Ingenieurwissenschaften
Als Ingenieurwissenschaften (auch Ingenieurwesen, Technikwissenschaften oder technische Wissenschaften) werden diejenigen Wissenschaften bezeichnet, die sich mit der Technik beschäftigen. Zentrale Fragestellungen betreffen die Forschung und Entwicklung, Konstruktion, Produktion und die Prüfung. Sie befassen sich somit nicht mit sämtlichen Aspekten der Technik, sondern mit der bereits vorhandenen Technik sowie mit der als realisierbar erachteten zukünftigen Technik. Vergangene Technik ist dagegen Gegenstand der Technikgeschichte, philosophische und soziologische Aspekte berücksichtigt die Technikphilosophie und die Techniksoziologie. Technik, die nach dem jeweiligen Kenntnisstand nicht realisierbar ist, wird in den Ingenieurwissenschaften nicht untersucht. ⓘ
Zur Abgrenzung von der allgemeinen Technologie, die sich mit den allgemeinen Prinzipien der Technik beschäftigt, nennt man die einzelnen technischen Disziplinen zuweilen auch spezielle Technologien. Die meisten Ingenieurwissenschaften wurden im Laufe der industriellen Revolution zu eigenständigen Wissenschaften. Die drei klassischen Disziplinen sind der Maschinenbau, das Bauingenieurwesen und die Elektrotechnik. Daneben gibt es noch eine Vielzahl kleinerer ingenieurwissenschaftlicher Disziplinen, die in vielfältiger Beziehung zueinander stehen. ⓘ
Die Ingenieurwissenschaften galten lange Zeit als angewandte Wissenschaft, insbesondere als angewandte Naturwissenschaft. Die Einteilung in angewandte und Grundlagenwissenschaften wurde jedoch aufgegeben. Die Ingenieurwissenschaften gelten als stark interdisziplinär und integrieren Erkenntnisse der Naturwissenschaften ebenso wie wirtschafts-, geistes- und gesellschaftswissenschaftliche Erkenntnisse. Letztere betreffen beispielsweise die Leitung von Baustellen oder die wirtschaftliche Fertigung von Serienteilen. Außerdem bestimmen die wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen in größerem Maße die Forschungsarbeiten der Ingenieurwissenschaften. Als in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts der Umweltschutz gesellschaftlich immer bedeutender wurde, begannen Ingenieure zu erforschen, wie Technik ressourcenschonender gestaltet werden kann. Es geht den Ingenieurwissenschaften insbesondere um Wissen, das geeignet ist, Handlungen, etwa von Ingenieuren, anzuleiten. Sie werden daher auch den Handlungswissenschaften zugerechnet, gemeinsam mit der Medizin, den Wirtschaftswissenschaften und den Sozialwissenschaften. ⓘ
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Unter Ingenieurwesen versteht man die Anwendung wissenschaftlicher Prinzipien bei der Konstruktion und dem Bau von Maschinen, Strukturen und anderen Gegenständen, einschließlich Brücken, Tunneln, Straßen, Fahrzeugen und Gebäuden. Das Fachgebiet der Ingenieurwissenschaften umfasst ein breites Spektrum spezialisierterer Fachgebiete, die jeweils einen besonderen Schwerpunkt auf bestimmte Bereiche der angewandten Mathematik, der angewandten Wissenschaft und der Anwendungsarten legen. Siehe Glossar der Ingenieurwissenschaften. ⓘ
Der Begriff Ingenieurwesen leitet sich vom lateinischen ingenium, was "Klugheit" bedeutet, und ingeniare, was "ersinnen, ersinnen" bedeutet, ab. ⓘ
Definition
Der American Engineers' Council for Professional Development (ECPD, der Vorgänger von ABET) hat "Ingenieurwesen" definiert als:
Die schöpferische Anwendung wissenschaftlicher Prinzipien, um Strukturen, Maschinen, Apparate oder Herstellungsverfahren zu entwerfen oder zu entwickeln, oder Arbeiten, bei denen diese einzeln oder in Kombination verwendet werden; oder um diese in voller Kenntnis ihrer Konstruktion zu konstruieren oder zu betreiben; oder um ihr Verhalten unter bestimmten Betriebsbedingungen vorherzusagen; alles unter Berücksichtigung der beabsichtigten Funktion, der Wirtschaftlichkeit des Betriebs und der Sicherheit für Leben und Eigentum. ⓘ
Die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (Acatech) gibt folgende Definition an: Technikwissenschaften schaffen kognitive Voraussetzungen für Innovation in der Technik und Anwendung technischen Wissens und legen die Grundlagen für die Reflexion ihrer Implikationen und Folgen. ⓘ
Wobei die Technik definiert wird als künstliche, zweckgerichtete und materielle sowie immaterielle Elemente besitzende Objekte und Prozesse. ⓘ
Geschichte
Ingenieurwesen gibt es seit der Antike, als der Mensch Erfindungen wie Keil, Hebel, Rad und Riemenscheibe usw. machte. ⓘ
Der Begriff Engineering leitet sich vom Wort Engineer ab, das seinerseits auf das 14. Jahrhundert zurückgeht, als ein Engine'er (wörtlich: jemand, der eine Belagerungsmaschine baut oder betreibt) "einen Konstrukteur von Militärmaschinen" bezeichnete. In diesem heute veralteten Kontext bezeichnete "engine" eine militärische Maschine, d. h. eine mechanische Vorrichtung, die im Krieg eingesetzt wurde (z. B. ein Katapult). Bemerkenswerte Beispiele für den veralteten Gebrauch, die bis heute überlebt haben, sind militärische Ingenieurkorps, z. B. das U.S. Army Corps of Engineers. ⓘ
Das Wort "Motor" selbst ist sogar noch älter und leitet sich letztlich vom lateinischen ingenium (ca. 1250) ab, was "angeborene Eigenschaft, insbesondere geistige Kraft, also eine kluge Erfindung" bedeutet. ⓘ
Später, als die Konstruktion ziviler Bauwerke wie Brücken und Gebäude zu einer technischen Disziplin heranreifte, ging der Begriff Bauingenieurwesen in den Sprachgebrauch ein, um zwischen denjenigen, die sich auf den Bau solcher nichtmilitärischen Projekte spezialisierten, und denjenigen, die sich mit der Disziplin des Militäringenieurwesens befassten, zu unterscheiden. ⓘ
Antike Zeitalter
Die Pyramiden im alten Ägypten, die Zikkurate in Mesopotamien, die Akropolis und der Parthenon in Griechenland, die römischen Aquädukte, die Via Appia und das Kolosseum, Teotihuacán und der Brihadeeswarar-Tempel in Thanjavur und viele andere zeugen vom Einfallsreichtum und den Fähigkeiten der antiken Zivil- und Militärtechniker. Andere Monumente, die heute nicht mehr stehen, wie die Hängenden Gärten von Babylon und der Pharos von Alexandria, waren bedeutende technische Errungenschaften ihrer Zeit und zählten zu den Sieben Weltwundern der Antike. ⓘ
Die sechs klassischen einfachen Maschinen waren im Alten Orient bekannt. Der Keil und die schiefe Ebene (Rampe) waren seit prähistorischen Zeiten bekannt. Das Rad sowie der Rad-Achs-Mechanismus wurden im 5. Jahrtausend v. Chr. in Mesopotamien (dem heutigen Irak) erfunden. Der Hebelmechanismus tauchte erstmals vor etwa 5.000 Jahren im Nahen Osten auf, wo er in einer einfachen Waage und zum Bewegen großer Gegenstände in der altägyptischen Technologie verwendet wurde. Der Hebel wurde auch in der Shadoof-Wasserhebevorrichtung verwendet, der ersten Kranmaschine, die um 3000 v. Chr. in Mesopotamien auftauchte, und dann um 2000 v. Chr. in der altägyptischen Technologie. Die frühesten Belege für Flaschenzüge stammen aus Mesopotamien aus dem frühen 2. Jahrtausend v. Chr. und aus dem alten Ägypten aus der zwölften Dynastie (1991-1802 v. Chr.). Die Schraube, die letzte der einfachen Maschinen, die erfunden wurde, tauchte erstmals in Mesopotamien während der neuassyrischen Periode (911-609) v. Chr. auf. Beim Bau der ägyptischen Pyramiden wurden drei der sechs einfachen Maschinen verwendet: die schiefe Ebene, der Keil und der Hebel, um Bauwerke wie die Große Pyramide von Gizeh zu errichten. ⓘ
Der früheste namentlich bekannte Bauingenieur ist Imhotep. Als einer der Beamten des Pharaos Djosèr entwarf und überwachte er wahrscheinlich den Bau der Djoser-Pyramide (Stufenpyramide) in Saqqara in Ägypten um 2630-2611 v. Chr. Die ersten praktischen wassergetriebenen Maschinen, das Wasserrad und die Wassermühle, tauchten im Perserreich im heutigen Irak und Iran im frühen 4. ⓘ
In Kusch wurde im 4. Jahrhundert v. Chr. die Sakia entwickelt, die auf Tierkraft statt auf menschlicher Energie beruhte, und in Kusch wurden Hafirs als eine Art Reservoir entwickelt, um Wasser zu speichern und die Bewässerung zu fördern. Bei militärischen Feldzügen wurden Schmiede zum Bau von Dammwegen eingesetzt. Die Vorfahren der Kuschiten bauten während der Bronzezeit zwischen 3700 und 3250 v. Chr. Speere. Im 7. ⓘ
Das antike Griechenland entwickelte Maschinen sowohl für den zivilen als auch für den militärischen Bereich. Der Mechanismus von Antikythera, ein früher bekannter mechanischer Analogrechner, und die mechanischen Erfindungen von Archimedes sind Beispiele für die griechische Mechanik. Einige der Erfindungen des Archimedes sowie der Mechanismus von Antikythera erforderten ein ausgefeiltes Wissen über Differential- oder Planetengetriebe, zwei Schlüsselprinzipien der Maschinentheorie, die bei der Entwicklung der Getriebe der industriellen Revolution hilfreich waren und auch heute noch in verschiedenen Bereichen wie der Robotik und der Automobiltechnik weit verbreitet sind. ⓘ
Die Armeen der alten Chinesen, Griechen, Römer und Hunnen nutzten militärische Maschinen und Erfindungen wie die Artillerie, die von den Griechen um das 4. Jahrhundert v. Chr. entwickelt wurde, die Trireme, die Ballista und das Katapult. Im Mittelalter wurde das Trebuchet entwickelt. ⓘ
Das Mittelalter
Die ersten praktischen windgetriebenen Maschinen, die Windmühle und die Windpumpe, tauchten in der muslimischen Welt während des Goldenen Zeitalters des Islams auf, und zwar im heutigen Iran, Afghanistan und Pakistan im 9. Die früheste praktische dampfbetriebene Maschine war ein von einer Dampfturbine angetriebener Dampfzylinder, der 1551 von Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf im osmanischen Ägypten beschrieben wurde. ⓘ
Die Baumwollentkörnungsmaschine wurde im 6. Jahrhundert n. Chr. in Indien erfunden, und das Spinnrad wurde in der islamischen Welt im frühen 11. Das Spinnrad war auch ein Vorläufer der Spinnmaschine, die eine wichtige Entwicklung während der frühen industriellen Revolution im 18. ⓘ
Die frühesten programmierbaren Maschinen wurden in der muslimischen Welt entwickelt. Ein Musiksequenzer, ein programmierbares Musikinstrument, war die früheste Art von programmierbarer Maschine. Der erste Musiksequenzer war ein automatischer Flötenspieler, der von den Brüdern Banu Musa erfunden und im 9. Im Jahr 1206 erfand Al-Jazari programmierbare Automaten/Roboter. Er beschrieb vier automatische Musiker, darunter auch Trommler, die von einer programmierbaren Trommelmaschine gesteuert wurden, die verschiedene Rhythmen und Trommelmuster spielen konnte. Die Schlossuhr, eine von Al-Jazari erfundene wasserbetriebene mechanische astronomische Uhr, war der erste programmierbare Analogcomputer. ⓘ
Vor der Entwicklung des modernen Ingenieurwesens wurde die Mathematik von Handwerkern und Gewerbetreibenden wie Mühlenbauern, Uhrmachern, Instrumentenbauern und Vermessern genutzt. Abgesehen von diesen Berufen wurde den Universitäten keine große praktische Bedeutung für die Technik zugeschrieben. ⓘ
Eine Standardreferenz für den Stand der mechanischen Künste in der Renaissance ist das bergbautechnische Traktat De re metallica (1556), das auch Abschnitte über Geologie, Bergbau und Chemie enthält. De re metallica war für die nächsten 180 Jahre das Standardwerk der Chemie. ⓘ
Moderne Ära
Die Wissenschaft der klassischen Mechanik, manchmal auch Newtonsche Mechanik genannt, bildete die wissenschaftliche Grundlage für einen Großteil der modernen Ingenieurwissenschaften. Mit dem Aufkommen des Ingenieurwesens als Beruf im 18. Jahrhundert wurde der Begriff enger auf Bereiche angewandt, in denen Mathematik und Wissenschaft zu diesen Zwecken eingesetzt wurden. In ähnlicher Weise wurden neben dem Militär- und Bauingenieurwesen auch die damals als mechanische Künste bezeichneten Bereiche in das Ingenieurwesen integriert. ⓘ
Der Kanalbau war in der Frühphase der Industriellen Revolution eine wichtige Ingenieurleistung. ⓘ
John Smeaton war der erste selbsternannte Bauingenieur und wird oft als "Vater" des Bauwesens angesehen. Er war ein englischer Bauingenieur, der für den Entwurf von Brücken, Kanälen, Häfen und Leuchttürmen verantwortlich war. Er war auch ein fähiger Maschinenbauingenieur und ein hervorragender Physiker. Anhand eines Modells eines Wasserrads führte Smeaton sieben Jahre lang Experimente durch, um Wege zur Steigerung der Effizienz zu finden. Smeaton führte eiserne Achsen und Zahnräder für Wasserräder ein. Smeaton nahm auch mechanische Verbesserungen an der Newcomen-Dampfmaschine vor. Smeaton entwarf den dritten Eddystone-Leuchtturm (1755-59), bei dem er Pionierarbeit bei der Verwendung von "hydraulischem Kalk" (einer Form von Mörtel, der unter Wasser aushärtet) leistete und eine Technik entwickelte, bei der Granitblöcke für den Bau des Leuchtturms mit Schwalbenschwänzen versehen wurden. Er ist für die Geschichte, die Wiederentdeckung und die Entwicklung des modernen Zements von großer Bedeutung, da er die Anforderungen an die Zusammensetzung des Kalkes ermittelte, die erforderlich sind, um eine "hydraulische Wirkung" zu erzielen; eine Arbeit, die schließlich zur Erfindung des Portlandzements führte. ⓘ
Die angewandte Wissenschaft führte zur Entwicklung der Dampfmaschine. Die Abfolge der Ereignisse begann mit der Erfindung des Barometers und der Messung des atmosphärischen Drucks durch Evangelista Torricelli im Jahr 1643, der Demonstration der Kraft des atmosphärischen Drucks durch Otto von Guericke mit Hilfe der Magdeburger Halbkugeln im Jahr 1656 und den Laborversuchen von Denis Papin, der experimentelle Modelldampfmaschinen baute und die Verwendung eines Kolbens demonstrierte, die er 1707 veröffentlichte. Edward Somerset, 2. Marquess of Worcester, veröffentlichte ein Buch mit 100 Erfindungen, das eine Methode zur Wassererwärmung ähnlich einer Kaffeemaschine enthielt. Samuel Morland, ein Mathematiker und Erfinder, der sich mit Pumpen beschäftigte, hinterließ im Vauxhall Ordinance Office Notizen zu einer Dampfpumpenkonstruktion, die Thomas Savery las. Im Jahr 1698 baute Savery eine Dampfpumpe mit dem Namen "The Miner's Friend". Sie arbeitete sowohl mit Vakuum als auch mit Druck. Der Eisenhändler Thomas Newcomen, der 1712 die erste kommerzielle Kolbendampfmaschine baute, hatte bekanntermaßen keine wissenschaftliche Ausbildung. ⓘ
Der Einsatz dampfbetriebener gusseiserner Gebläsezylinder zur Bereitstellung von Druckluft für Hochöfen führte im späten 18. Jahrhundert zu einem starken Anstieg der Eisenproduktion. Die höheren Ofentemperaturen, die durch dampfbetriebene Gebläse möglich wurden, erlaubten die Verwendung von mehr Kalk in den Hochöfen, was den Übergang von Holzkohle zu Koks ermöglichte. Diese Innovationen senkten die Kosten für Eisen und machten Pferdeeisenbahnen und Eisenbrücken möglich. Das von Henry Cort 1784 patentierte Puddelverfahren ermöglichte die Herstellung großer Mengen Schmiedeeisen. Das von James Beaumont Neilson 1828 patentierte Heißwindverfahren senkte die für die Eisenverhüttung benötigte Brennstoffmenge erheblich. Mit der Entwicklung der Hochdruck-Dampfmaschine ermöglichte das Leistungsgewicht von Dampfmaschinen den Einsatz von Dampfschiffen und Lokomotiven. Neue Verfahren zur Stahlerzeugung, wie das Bessemer-Verfahren und der offene Herdofen, läuteten Ende des 19. ⓘ
Einer der berühmtesten Ingenieure in der Mitte des 19. Jahrhunderts war Isambard Kingdom Brunel, der Eisenbahnen, Werften und Dampfschiffe baute. ⓘ
Die industrielle Revolution schuf einen Bedarf an Maschinen mit Metallteilen, was zur Entwicklung verschiedener Werkzeugmaschinen führte. Das präzise Bohren von Gusszylindern war erst möglich, als John Wilkinson seine Bohrmaschine erfand, die als erste Werkzeugmaschine gilt. Weitere Werkzeugmaschinen waren die Drehbank, die Fräsmaschine, die Revolverdrehbank und die Metallhobelmaschine. In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden Präzisionsbearbeitungstechniken entwickelt. Jahrhunderts entwickelt. Dazu gehörte der Einsatz von Spannvorrichtungen, um das Bearbeitungswerkzeug über das Werkstück zu führen, und von Vorrichtungen, um das Werkstück in der richtigen Position zu halten. Werkzeugmaschinen und Bearbeitungstechniken, mit denen austauschbare Teile hergestellt werden konnten, führten Ende des 19. ⓘ
Bei der Volkszählung in den Vereinigten Staaten von Amerika im Jahr 1850 wurde der Beruf des "Ingenieurs" zum ersten Mal mit 2.000 Personen angegeben. Vor 1865 gab es in den USA weniger als 50 Absolventen des Ingenieurwesens. Im Jahr 1870 gab es in den USA ein Dutzend Absolventen des Maschinenbaus, und diese Zahl stieg bis 1875 auf 43 pro Jahr. Im Jahr 1890 gab es 6.000 Ingenieure in den Bereichen Bauwesen, Bergbau, Maschinenbau und Elektrotechnik. ⓘ
In Cambridge gab es bis 1875 keinen Lehrstuhl für angewandten Mechanismus und angewandte Mechanik und in Oxford bis 1907 keinen Lehrstuhl für Maschinenbau. In Deutschland wurden technische Universitäten schon früher gegründet. ⓘ
Zu den Grundlagen der Elektrotechnik um 1800 gehörten die Experimente von Alessandro Volta, Michael Faraday, Georg Ohm und anderen sowie die Erfindung des elektrischen Telegrafen im Jahr 1816 und des Elektromotors im Jahr 1872. Die theoretischen Arbeiten von James Maxwell (siehe: Maxwellsche Gleichungen) und Heinrich Hertz im späten 19. Jahrhundert führten zur Entwicklung der Elektronik. Die späteren Erfindungen der Vakuumröhre und des Transistors beschleunigten die Entwicklung der Elektronik in einem solchen Maße, dass die Zahl der Elektro- und Elektronikingenieure heute die der Kollegen aller anderen Fachrichtungen übersteigt. Das Chemieingenieurwesen entwickelte sich im späten neunzehnten Jahrhundert. Die industrielle Fertigung erforderte neue Werkstoffe und neue Verfahren, und um 1880 war der Bedarf an der großtechnischen Herstellung von Chemikalien so groß, dass eine neue Industrie entstand, die sich mit der Entwicklung und großtechnischen Herstellung von Chemikalien in neuen Industrieanlagen befasste. Die Aufgabe des Chemieingenieurs bestand darin, diese chemischen Anlagen und Verfahren zu entwerfen. ⓘ
Die Luftfahrttechnik befasst sich mit der Konstruktion von Flugzeugen, während die Luft- und Raumfahrttechnik ein modernerer Begriff ist, der den Bereich der Disziplin um die Konstruktion von Raumfahrzeugen erweitert. Die Ursprünge der Luftfahrttechnik lassen sich bis zu den Luftfahrtpionieren zu Beginn des 20. Jahrhunderts zurückverfolgen, obwohl die Arbeit von Sir George Cayley kürzlich auf das letzte Jahrzehnt des 18. Das frühe Wissen der Luftfahrttechnik war weitgehend empirisch, wobei einige Konzepte und Fähigkeiten aus anderen Bereichen der Technik übernommen wurden. ⓘ
Der erste Doktortitel in Ingenieurwissenschaften (technisch gesehen angewandte Wissenschaft und Technik), der in den Vereinigten Staaten verliehen wurde, ging 1863 an Josiah Willard Gibbs an der Yale University; es war auch der zweite Doktortitel, der in den USA in Wissenschaft verliehen wurde. ⓘ
Nur ein Jahrzehnt nach den erfolgreichen Flügen der Gebrüder Wright kam es zu einer umfassenden Entwicklung der Luftfahrttechnik durch die Entwicklung von Militärflugzeugen, die im Ersten Weltkrieg eingesetzt wurden. ⓘ
Hauptzweige der Ingenieurwissenschaften
Das Ingenieurwesen ist ein breit gefächertes Fachgebiet, das oft in mehrere Unterdisziplinen unterteilt wird. Obwohl ein Ingenieur in der Regel in einer bestimmten Disziplin ausgebildet wird, kann er oder sie durch Erfahrung multidisziplinär werden. Das Ingenieurwesen wird häufig in vier Hauptbereiche unterteilt: Chemieingenieurwesen, Bauingenieurwesen, Elektrotechnik und Maschinenbau. ⓘ
Chemieingenieurwesen
Chemieingenieurwesen ist die Anwendung von physikalischen, chemischen, biologischen und ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien zur Durchführung chemischer Prozesse in kommerziellem Maßstab, wie z. B. die Herstellung von chemischen Grundstoffen, Spezialchemikalien, Erdölraffination, Mikrofabrikation, Fermentation und Biomolekülproduktion. ⓘ
Bauingenieurwesen
Das Bauwesen befasst sich mit der Planung und dem Bau öffentlicher und privater Bauwerke wie Infrastrukturen (Flughäfen, Straßen, Eisenbahnen, Wasserversorgung und -aufbereitung usw.), Brücken, Tunnels, Dämme und Gebäude. Das Bauingenieurwesen gliedert sich traditionell in eine Reihe von Teildisziplinen, darunter Hochbau, Umwelttechnik und Vermessungswesen. Es wird traditionell als von der Militärtechnik getrennt betrachtet. ⓘ
Elektroingenieurwesen
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Die Elektrotechnik befasst sich mit dem Entwurf, der Untersuchung und der Herstellung verschiedener elektrischer und elektronischer Systeme, wie z. B. Rundfunktechnik, elektrische Schaltungen, Generatoren, Motoren, elektromagnetische/elektromechanische Geräte, elektronische Geräte, elektronische Schaltungen, optische Fasern, optoelektronische Geräte, Computersysteme, Telekommunikation, Instrumentierung, Kontrollsysteme und Elektronik. ⓘ
Maschinenbau
Der Maschinenbau befasst sich mit dem Entwurf und der Herstellung physikalischer oder mechanischer Systeme, wie z. B. Kraft- und Energiesysteme, Luft- und Raumfahrtprodukte, Waffensysteme, Transportprodukte, Motoren, Kompressoren, Antriebsstränge, kinematische Ketten, Vakuumtechnik, Schwingungsisolierung, Fertigung, Robotik, Turbinen, Audiogeräte und Mechatronik. ⓘ
Bioengineering
Bioengineering ist die technische Gestaltung biologischer Systeme für einen nützlichen Zweck. Beispiele für biotechnologische Forschung sind Bakterien, die zur Herstellung von Chemikalien manipuliert werden, neue medizinische Bildgebungsverfahren, tragbare und schnelle Krankheitsdiagnosegeräte, Prothesen, Biopharmazeutika und gewebeverstärkte Organe. ⓘ
Interdisziplinäre Ingenieurwissenschaften
Interdisziplinäres Ingenieurwesen bezieht sich auf mehr als einen der Hauptzweige der Praxis. Historisch gesehen waren Schiffbau und Bergbau die wichtigsten Zweige. Andere Ingenieurbereiche sind Fertigungstechnik, Akustik, Korrosionstechnik, Mess- und Regeltechnik, Luft- und Raumfahrt, Automobiltechnik, Computertechnik, Elektronik, Informationstechnik, Erdöltechnik, Umwelttechnik, Systemtechnik, Audiotechnik, Software, Architektur, Landwirtschaft, Biosysteme, Biomedizin, Geologie, Textiltechnik, Industrietechnik, Werkstofftechnik und Kerntechnik. Diese und andere Zweige des Ingenieurwesens sind in den 36 lizenzierten Mitgliedseinrichtungen des UK Engineering Council vertreten. ⓘ
Neue Spezialgebiete verbinden sich manchmal mit den traditionellen Fachgebieten und bilden neue Zweige - so umfasst beispielsweise das Fachgebiet Erdsystemtechnik und -management ein breites Spektrum an Fachgebieten, darunter Ingenieurwissenschaften, Umweltwissenschaften, Ingenieurethik und Philosophie des Ingenieurwesens. ⓘ
Andere Zweige der Ingenieurwissenschaften
Luft- und Raumfahrttechnik
Die Luft- und Raumfahrttechnik befasst sich mit der Entwicklung und Herstellung von Flugzeugen, Satelliten, Raketen, Hubschraubern usw. Sie befasst sich eingehend mit dem Druckunterschied und der Aerodynamik eines Fahrzeugs, um Sicherheit und Effizienz zu gewährleisten. Da die meisten Studien mit Flüssigkeiten zu tun haben, werden sie auf alle sich bewegenden Fahrzeuge, wie z. B. Autos, angewandt. ⓘ
Schiffstechnik
Die Meerestechnik befasst sich mit allem, was auf oder in der Nähe des Ozeans liegt. Beispiele sind unter anderem Schiffe, U-Boote, Bohrinseln, Strukturen, der Antrieb von Wasserfahrzeugen, Design und Entwicklung an Bord, Anlagen, Häfen und so weiter. Er erfordert eine Kombination von Kenntnissen in den Bereichen Maschinenbau, Elektrotechnik, Bauingenieurwesen und einige Programmierfähigkeiten. ⓘ
Computertechnik
Die Computertechnik (CE) ist ein Zweig des Ingenieurwesens, der verschiedene Bereiche der Informatik und der Elektrotechnik integriert, die für die Entwicklung von Computerhardware und -software erforderlich sind. Computeringenieure haben in der Regel eine Ausbildung in den Bereichen Elektronik (oder Elektrotechnik), Softwaredesign und Hardware-Software-Integration und nicht nur in Softwaretechnik oder Elektronik. ⓘ
Geologisches Ingenieurwesen
Die Geotechnik befasst sich mit allem, was auf oder in der Erde gebaut wird. Diese Disziplin wendet geologische Wissenschaften und ingenieurwissenschaftliche Grundsätze an, um die Arbeit anderer Disziplinen wie Bauingenieurwesen, Umwelttechnik und Bergbau zu lenken oder zu unterstützen. Geologieingenieure befassen sich mit Studien über die Auswirkungen von Anlagen und Tätigkeiten, die sich auf die ober- und unterirdische Umwelt auswirken, wie z. B. Felsaushub (z. B. Tunnel), Konsolidierung von Gebäudefundamenten, Hang- und Schüttungsstabilisierung, Risikobewertung von Erdrutschen, Grundwasserüberwachung, Grundwassersanierung, Bergbauaushub und Erkundung natürlicher Ressourcen. ⓘ
Praxis
Jemand, der als Ingenieur tätig ist, wird als Ingenieur bezeichnet, und diejenigen, die eine entsprechende Zulassung haben, können auch formellere Bezeichnungen tragen, wie z. B. Professional Engineer, Chartered Engineer, Incorporated Engineer, Ingenieur, European Engineer oder Designated Engineering Representative. ⓘ
Methodik
Beim Konstruktionsprozess wenden Ingenieure Mathematik und Naturwissenschaften wie Physik an, um neue Lösungen für Probleme zu finden oder bestehende Lösungen zu verbessern. Für ihre Konstruktionsprojekte benötigen Ingenieure fundierte Kenntnisse der einschlägigen Wissenschaften. Aus diesem Grund lernen viele Ingenieure während ihrer gesamten Laufbahn immer wieder neues Material. ⓘ
Wenn es mehrere Lösungen gibt, wägen Ingenieure die Vorteile jeder einzelnen Lösung ab und wählen die Lösung, die den Anforderungen am besten entspricht. Die Aufgabe des Ingenieurs besteht darin, die Beschränkungen eines Entwurfs zu erkennen, zu verstehen und zu interpretieren, um ein erfolgreiches Ergebnis zu erzielen. Es reicht im Allgemeinen nicht aus, ein technisch erfolgreiches Produkt zu bauen, sondern es muss auch weitere Anforderungen erfüllen. ⓘ
Zu den Einschränkungen gehören verfügbare Ressourcen, physische, phantasievolle oder technische Beschränkungen, Flexibilität für künftige Änderungen und Ergänzungen sowie andere Faktoren wie Anforderungen an Kosten, Sicherheit, Marktfähigkeit, Produktivität und Gebrauchstauglichkeit. Aus dem Verständnis der Beschränkungen leiten Ingenieure Spezifikationen für die Grenzen ab, innerhalb derer ein lebensfähiges Objekt oder System hergestellt und betrieben werden kann. ⓘ
Lösen von Problemen
Ingenieure nutzen ihre Kenntnisse in den Bereichen Wissenschaft, Mathematik, Logik, Wirtschaft und entsprechende Erfahrungen oder stillschweigendes Wissen, um geeignete Lösungen für ein bestimmtes Problem zu finden. Die Erstellung eines geeigneten mathematischen Modells eines Problems ermöglicht es ihnen oft, das Problem (manchmal endgültig) zu analysieren und mögliche Lösungen zu testen. ⓘ
In der Regel gibt es mehrere vernünftige Lösungen, so dass die Ingenieure die verschiedenen Konstruktionsmöglichkeiten nach ihren Vorzügen bewerten und die Lösung wählen müssen, die ihren Anforderungen am besten entspricht. Genrich Altshuller schlug nach der Erhebung von Statistiken über eine große Anzahl von Patenten vor, dass Kompromisse das Herzstück von Konstruktionsentwürfen auf "niedriger Ebene" sind, während auf einer höheren Ebene der beste Entwurf derjenige ist, der den Kernwiderspruch, der das Problem verursacht, beseitigt. ⓘ
Ingenieure versuchen in der Regel vorherzusagen, wie gut ihre Entwürfe ihren Spezifikationen entsprechen werden, bevor sie in Serie gehen. Dazu verwenden sie u. a. Prototypen, maßstabsgetreue Modelle, Simulationen, zerstörende und zerstörungsfreie Tests sowie Belastungstests. Durch die Tests wird sichergestellt, dass die Produkte wie erwartet funktionieren. ⓘ
Ingenieure tragen die Verantwortung dafür, dass ihre Entwürfe die erwartete Leistung erbringen und der Allgemeinheit keinen unbeabsichtigten Schaden zufügen. Ingenieure berücksichtigen bei ihren Entwürfen in der Regel einen Sicherheitsfaktor, um das Risiko eines unerwarteten Ausfalls zu verringern. ⓘ
Die Untersuchung fehlgeschlagener Produkte wird als forensische Technik bezeichnet und kann dem Produktdesigner helfen, seinen Entwurf im Lichte der realen Bedingungen zu bewerten. Am wertvollsten ist diese Disziplin nach Katastrophen wie dem Einsturz von Brücken, wenn eine sorgfältige Analyse erforderlich ist, um die Ursache(n) des Versagens zu ermitteln. ⓘ
Computereinsatz
Wie bei allen modernen wissenschaftlichen und technologischen Unternehmungen spielen Computer und Software eine immer wichtigere Rolle. Neben der typischen Anwendungssoftware für Unternehmen gibt es eine Reihe von computergestützten Anwendungen (computergestützte Technologien) speziell für das Ingenieurwesen. Mit Hilfe von Computern lassen sich Modelle grundlegender physikalischer Prozesse erstellen, die mit numerischen Methoden gelöst werden können. ⓘ
Eines der am weitesten verbreiteten Konstruktionswerkzeuge ist die Software für computergestütztes Design (CAD). Sie ermöglicht es Ingenieuren, 3D-Modelle, 2D-Zeichnungen und schematische Darstellungen ihrer Entwürfe zu erstellen. CAD in Verbindung mit Digital Mockup (DMU) und CAE-Software wie der Finite-Elemente-Methode oder der analytischen Elementmethode ermöglicht es Ingenieuren, Modelle von Entwürfen zu erstellen, die analysiert werden können, ohne dass teure und zeitaufwändige physische Prototypen angefertigt werden müssen. ⓘ
Auf diese Weise können Produkte und Komponenten auf Fehler geprüft, Passform und Montage bewertet, die Ergonomie untersucht und statische und dynamische Merkmale von Systemen wie Spannungen, Temperaturen, elektromagnetische Emissionen, elektrische Ströme und Spannungen, digitale Logikebenen, Flüssigkeitsströme und Kinematik analysiert werden. Der Zugang und die Verteilung all dieser Informationen wird im Allgemeinen mit Hilfe von Produktdatenmanagement-Software organisiert. ⓘ
Darüber hinaus gibt es zahlreiche Tools zur Unterstützung spezifischer technischer Aufgaben, z. B. CAM-Software (Computer-Aided Manufacturing) zur Erstellung von CNC-Bearbeitungsanweisungen, Software für das Management von Fertigungsprozessen in der Produktionstechnik, EDA-Software für Leiterplatten (PCB) und Schaltpläne für Elektronikingenieure, MRO-Anwendungen für das Wartungsmanagement und AEC-Software (Architecture, Engineering and Construction) für das Bauwesen. ⓘ
In den letzten Jahren ist der Einsatz von Computersoftware zur Unterstützung der Entwicklung von Gütern unter dem Begriff Product Lifecycle Management (PLM) bekannt geworden. ⓘ
Sozialer Kontext
Der Beruf des Ingenieurs ist mit einer Vielzahl von Aktivitäten verbunden, von der großen Zusammenarbeit auf gesellschaftlicher Ebene bis hin zu kleineren Einzelprojekten. Fast alle technischen Projekte sind einer Art von Finanzierungsstelle verpflichtet: einem Unternehmen, einer Gruppe von Investoren oder einer Regierung. Die wenigen Arten von Ingenieursleistungen, die durch solche Fragen nur minimal eingeschränkt werden, sind das Pro-Bono-Engineering und das Open-Design-Engineering. ⓘ
Es liegt in der Natur der Sache, dass das Ingenieurwesen mit der Gesellschaft, der Kultur und dem menschlichen Verhalten zusammenhängt. Jedes Produkt und jede Konstruktion, die von der modernen Gesellschaft genutzt wird, wird von der Technik beeinflusst. Die Ergebnisse der Ingenieurtätigkeit wirken sich auf Veränderungen in der Umwelt, der Gesellschaft und der Wirtschaft aus, und ihre Anwendung bringt eine Verantwortung und öffentliche Sicherheit mit sich. ⓘ
Ingenieurprojekte können Gegenstand von Kontroversen sein. Beispiele aus verschiedenen Ingenieurdisziplinen sind die Entwicklung von Atomwaffen, der Drei-Schluchten-Staudamm, die Konstruktion und Nutzung von Sportfahrzeugen und die Ölförderung. Als Reaktion darauf haben einige westliche Ingenieurunternehmen eine ernsthafte Politik der unternehmerischen und sozialen Verantwortung eingeführt. ⓘ
Das Ingenieurwesen ist ein wichtiger Motor für Innovation und menschliche Entwicklung. Vor allem in den afrikanischen Ländern südlich der Sahara sind die Ingenieurkapazitäten sehr gering, was dazu führt, dass viele afrikanische Staaten nicht in der Lage sind, ohne Hilfe von außen wichtige Infrastrukturen zu entwickeln. Um viele der Millenniums-Entwicklungsziele zu erreichen, müssen ausreichende Ingenieurkapazitäten für den Aufbau von Infrastrukturen und eine nachhaltige technologische Entwicklung geschaffen werden. ⓘ
Alle Entwicklungs- und Hilfsorganisationen in Übersee setzen in erheblichem Umfang Ingenieure ein, um Lösungen für Katastrophen- und Entwicklungsszenarien zu finden. Eine Reihe von Wohltätigkeitsorganisationen zielt darauf ab, die Technik direkt zum Wohle der Menschheit einzusetzen:
- Ingenieure ohne Grenzen
- Ingenieure gegen Armut
- Registrierte Ingenieure für Katastrophenhilfe (Registered Engineers for Disaster Relief)
- Engineers for a Sustainable World (Ingenieure für eine nachhaltige Welt)
- Ingenieurwesen für den Wandel
- Internationale Dienste für Ingenieure ⓘ
Ingenieurbüros in vielen etablierten Volkswirtschaften stehen vor großen Herausforderungen, wenn es darum geht, die Zahl der ausgebildeten Ingenieure mit der Zahl der ausscheidenden Ingenieure zu vergleichen. Dieses Problem ist im Vereinigten Königreich besonders ausgeprägt, wo das Ingenieurwesen ein schlechtes Image und einen geringen Status hat. Dies kann viele negative wirtschaftliche und politische Folgen haben, aber auch ethische Probleme mit sich bringen. Es herrscht weitgehend Einigkeit darüber, dass der Ingenieurberuf mit einer "Imagekrise" zu kämpfen hat und nicht grundsätzlich ein unattraktiver Beruf ist. Es muss viel getan werden, um große Probleme im Vereinigten Königreich und anderen westlichen Volkswirtschaften zu vermeiden. Dennoch hat das Vereinigte Königreich im Vergleich zu anderen europäischen Ländern und den Vereinigten Staaten die meisten Ingenieurunternehmen. ⓘ
Ethischer Kodex
Viele Ingenieurgesellschaften haben Verhaltens- und Ethikkodizes aufgestellt, um ihren Mitgliedern eine Orientierungshilfe zu geben und die breite Öffentlichkeit zu informieren. Im Ethikkodex der National Society of Professional Engineers heißt es:
Ingenieurwesen ist ein wichtiger und gelehrter Beruf. Von Ingenieuren, die diesem Beruf angehören, wird erwartet, dass sie die höchsten Standards der Ehrlichkeit und Integrität einhalten. Das Ingenieurwesen hat einen direkten und entscheidenden Einfluss auf die Lebensqualität aller Menschen. Dementsprechend erfordern die von Ingenieuren erbrachten Dienstleistungen Ehrlichkeit, Unparteilichkeit, Fairness und Gerechtigkeit und müssen dem Schutz der öffentlichen Gesundheit, Sicherheit und Wohlfahrt gewidmet sein. Ingenieure müssen sich bei der Ausübung ihres Berufs an die höchsten Grundsätze ethischen Verhaltens halten. ⓘ
In Kanada tragen viele Ingenieure den Eisernen Ring als Symbol und Erinnerung an die mit ihrem Beruf verbundenen Verpflichtungen und ethischen Grundsätze. ⓘ
Beziehungen zu anderen Disziplinen
Wissenschaft
Wissenschaftler erforschen die Welt, wie sie ist; Ingenieure erschaffen die Welt, die es nie gegeben hat.
- Theodore von Kármán ⓘ
Es gibt Überschneidungen zwischen den Wissenschaften und der ingenieurwissenschaftlichen Praxis; im Ingenieurwesen wendet man die Wissenschaft an. Beide Bereiche stützen sich auf die genaue Beobachtung von Materialien und Phänomenen. Beide nutzen Mathematik und Klassifizierungskriterien, um Beobachtungen zu analysieren und zu kommunizieren. ⓘ
Wissenschaftler müssen unter Umständen auch ingenieurtechnische Aufgaben erfüllen, z. B. Versuchsgeräte entwerfen oder Prototypen bauen. Umgekehrt erforschen Ingenieure im Zuge der Entwicklung von Technologien manchmal neue Phänomene und werden so zu Wissenschaftlern oder genauer gesagt zu "Ingenieurwissenschaftlern". ⓘ
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In dem Buch What Engineers Know and How They Know It stellt Walter Vincenti fest, dass sich die ingenieurwissenschaftliche Forschung von der wissenschaftlichen Forschung unterscheidet. Erstens befasst sie sich oft mit Bereichen, in denen die physikalischen oder chemischen Grundlagen gut verstanden werden, die Probleme selbst aber zu komplex sind, um sie auf exakte Weise zu lösen. ⓘ
Es gibt einen "echten und wichtigen" Unterschied zwischen Ingenieurwesen und Physik, denn wie jede Wissenschaft hat auch die Physik mit Technologie zu tun. Die Physik ist eine forschende Wissenschaft, die nach der Kenntnis von Prinzipien strebt, während das Ingenieurwesen das Wissen für die praktische Anwendung von Prinzipien nutzt. Erstere setzt ein Verständnis in ein mathematisches Prinzip um, während letztere die beteiligten Variablen misst und Technologie schafft. Für die Technik ist die Physik ein Hilfsmittel, und in gewisser Weise wird die Technik als angewandte Physik betrachtet. Obwohl Physik und Technik miteinander verbunden sind, bedeutet dies nicht, dass ein Physiker für die Arbeit eines Ingenieurs ausgebildet ist. Ein Physiker benötigt in der Regel eine zusätzliche und einschlägige Ausbildung. Physiker und Ingenieure sind in unterschiedlichen Bereichen tätig. Aber promovierte Physiker, die sich auf Bereiche der technischen Physik und der angewandten Physik spezialisieren, werden als Technologiebeauftragte, F&E-Ingenieure und Systemingenieure bezeichnet. ⓘ
Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung numerischer Näherungen der Navier-Stokes-Gleichungen zur Beschreibung der aerodynamischen Strömung über einem Flugzeug oder die Verwendung der Finite-Elemente-Methode zur Berechnung der Spannungen in komplexen Bauteilen. Zweitens werden in der ingenieurwissenschaftlichen Forschung viele halbempirische Methoden eingesetzt, die der reinen wissenschaftlichen Forschung fremd sind, beispielsweise die Methode der Parametervariation. ⓘ
Wie Fung et al. in der Überarbeitung des Ingenieursklassikers Foundations of Solid Mechanics feststellen:
Das Ingenieurwesen unterscheidet sich deutlich von der Wissenschaft. Wissenschaftler versuchen, die Natur zu verstehen. Ingenieure versuchen, Dinge zu erschaffen, die es in der Natur nicht gibt. Ingenieure betonen Innovation und Erfindung. Um eine Erfindung zu verwirklichen, muss der Ingenieur seine Idee konkretisieren und etwas entwerfen, das die Menschen nutzen können. Dabei kann es sich um ein komplexes System, ein Gerät, eine Spielerei, ein Material, eine Methode, ein Computerprogramm, ein innovatives Experiment, eine neue Lösung für ein Problem oder eine Verbesserung eines bereits bestehenden Problems handeln. Da ein Entwurf realistisch und funktional sein muss, müssen seine Geometrie, Abmessungen und Eigenschaften definiert sein. In der Vergangenheit mussten Ingenieure, die an neuen Entwürfen arbeiteten, feststellen, dass sie nicht über alle erforderlichen Informationen verfügten, um Entwurfsentscheidungen zu treffen. Meistens waren sie durch unzureichende wissenschaftliche Kenntnisse eingeschränkt. So studierten sie Mathematik, Physik, Chemie, Biologie und Mechanik. Oft mussten sie die für ihren Beruf relevanten Wissenschaften ergänzen. So wurden die Ingenieurwissenschaften geboren. ⓘ
Obwohl ingenieurwissenschaftliche Lösungen auf wissenschaftlichen Grundsätzen beruhen, müssen Ingenieure auch Sicherheit, Effizienz, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und Konstruierbarkeit bzw. einfache Herstellung sowie Umweltaspekte, ethische und rechtliche Erwägungen wie Patentverletzungen oder Haftung im Falle des Scheiterns der Lösung berücksichtigen. ⓘ
Die Wissenschaften wurden lange Zeit eingeteilt in theoretische Grundlagenwissenschaften und praktische, angewandte Wissenschaften. In diesem Sinne wurden die Ingenieurwissenschaften den angewandten Wissenschaften zugeordnet, die die theoretischen Grundlagen insbesondere der Naturwissenschaften anwenden. Aus diesem Grund wurden die Ingenieurwissenschaften nicht näher von der Wissenschaftstheorie untersucht, da die Meinung vertreten wurde, dass sie gegenüber den Naturwissenschaften keine Besonderheiten aufweisen. Die Zweiteilung in Grundlagen- und Anwendungswissenschaften wurde jedoch aufgegeben, einerseits weil die Grenzen zwischen beiden immer weiter verschwammen, andererseits ließ sich die Aufteilung in empirischen Untersuchungen nicht aufrecht halten, denn neue Technik entstand auch oft ohne neue theoretische Kenntnisse und schuf teilweise auch neue Möglichkeiten für die Forschung in den Grundlagenwissenschaften. Seit den 1990ern wandte sich die Wissenschaftsphilosophie den Besonderheiten der Ingenieurwissenschaften zu. ⓘ
Wissenschaften lassen sich ganz allgemein unterscheiden nach ihren zu untersuchenden Gegenständen, nach ihren Zielen und nach ihren Methoden:
- Unter dem Gegenstand einer Wissenschaft werden die Objekte verstanden, die von dieser Wissenschaft erforscht werden. Die Naturwissenschaften beispielsweise erforschen die Natur, die Geschichtswissenschaften die Geschichte und die Ingenieurwissenschaften die Technik – und nicht Ingenieure, weshalb häufig die Bezeichnung Technikwissenschaften bevorzugt wird. Dabei geht es einerseits um die Analyse und Beschreibung der vorhandenen Technik, andererseits vor allem um die Möglichkeiten und Grenzen der künftigen Technik und wie deren wünschenswerte Eigenschaften verbessert werden können, wie der Wirkungsgrad eines Motors.
- Ziele sind in den Naturwissenschaften das Erkennen von Naturgesetzen, in den Geisteswissenschaften das Verstehen von Zusammenhängen. In den Ingenieurwissenschaften dagegen geht es um das Gestalten der Technik. Dazu erzeugen sie Wissen in Form von Gesetzes-, Struktur- und Regelwissen und berücksichtigen dabei die spätere Anwendung dieses Wissens. Es geht dabei um Wissen, das geeignet ist Handlungen, etwa von Ingenieuren, anzuleiten. Sie werden daher auch den Handlungswissenschaften zugerechnet, gemeinsam mit der Medizin, den Wirtschaftswissenschaften oder den Sozialwissenschaften.
- Unter den Methoden einer Wissenschaft werden die Wege verstanden, auf denen sie zu neuen Erkenntnissen gelangen. In den Naturwissenschaften bedient man sich dazu beispielsweise der logischen Schlussfolgerung, insbesondere der Deduktion oder Experimenten. In den Ingenieurwissenschaften werden zahlreiche verschiedene Methoden angewandt, die häufig anderen Wissenschaften entliehen sind. Hinsichtlich Konstruktion und Berechnung nutzen sie häufig naturwissenschaftliche Methoden. Statt Experimenten werden jedoch Tests angewandt, mit denen die gefundenen Regeln überprüft werden. Sind Tests zu aufwendig oder teuer, wird auf Simulationen zurückgegriffen.
Ein weiteres Unterscheidungskriterium zwischen Wissenschaftsgruppen ist die Art und Struktur ihres Wissens. In den Naturwissenschaften beispielsweise ist das Wissen beschreibender Natur: mit mathematischen Formeln werden Naturgesetze beschrieben oder die Art und Eigenschaften von chemischen Elementen oder Tierarten. Häufig werden auch Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge aufgestellt, etwa dass aus der Schwerkraft der Fall eines Apfels folgt, ohne dass dabei ein Urteil gefällt wird, ob diese Wirkung erwünscht ist oder nicht. Ingenieurwissenschaftliches Wissen ist dagegen meist vorschreibender Natur: Es werden Aussagen gemacht, mit welchen Mitteln ein bestimmtes Ziel erreicht werden kann. Für einen hohen Wirkungsgrad eines Motors sollte seine innere Reibung möglichst klein sein, was durch eine Schmierung erreicht werden kann. Mit den Zielen in den Aussagen ist auch immer eine Wertung verbunden, welcher Zustand erwünscht ist oder nicht. Beim Reibschweißen beispielsweise wird die Wärme zum Schmelzen durch Reibung erzeugt – sie ist dort also erwünscht. Ingenieurwissenschaftliches Wissen soll vor allem effektiv sein, es soll also das gewünschte Ziel auch tatsächlich erreicht werden. In den Naturwissenschaften geht es dagegen vor allem darum, dass das Wissen wahr sein soll – dazu zählt auch die Widerspruchsfreiheit. Ob ingenieurwissenschaftliches Wissen wahr ist, spielt eine eher untergeordnete Rolle, solange es effektiv ist. Für die Konstruktion und Berechnung eines Autos wird beispielsweise auf die einfache, newtonsche Mechanik zurückgegriffen statt auf die kompliziertere einsteinsche Relativitätstheorie oder die Quantenmechanik. ⓘ
Medizin und Biologie
Die Erforschung des menschlichen Körpers, wenn auch aus unterschiedlichen Richtungen und zu unterschiedlichen Zwecken, ist ein wichtiges gemeinsames Bindeglied zwischen der Medizin und einigen Ingenieurdisziplinen. Die Medizin zielt darauf ab, die Funktionen des menschlichen Körpers durch den Einsatz von Technologie zu erhalten, zu reparieren, zu verbessern oder sogar zu ersetzen, falls erforderlich. ⓘ
Die moderne Medizin ist in der Lage, mehrere Körperfunktionen durch künstliche Organe zu ersetzen und die Funktion des menschlichen Körpers durch künstliche Geräte wie z. B. Gehirnimplantate und Herzschrittmacher erheblich zu verändern. Die Fachgebiete Bionik und medizinische Bionik befassen sich mit der Erforschung synthetischer Implantate für natürliche Systeme. ⓘ
Umgekehrt betrachten einige Ingenieurdisziplinen den menschlichen Körper als eine biologische Maschine, die es zu studieren gilt, und widmen sich der Nachahmung vieler seiner Funktionen, indem sie die Biologie durch Technologie ersetzen. Dies hat zu Bereichen wie künstliche Intelligenz, neuronale Netze, Fuzzy-Logik und Robotik geführt. Es gibt auch erhebliche interdisziplinäre Wechselwirkungen zwischen Technik und Medizin. ⓘ
Beide Bereiche bieten Lösungen für Probleme der realen Welt. Dies erfordert oft Fortschritte, bevor die Phänomene in einem strengeren wissenschaftlichen Sinne vollständig verstanden sind, und daher sind Experimente und empirisches Wissen ein wesentlicher Bestandteil beider Bereiche. ⓘ
Die Medizin befasst sich zum Teil mit der Funktion des menschlichen Körpers. Der menschliche Körper als biologische Maschine hat viele Funktionen, die mit technischen Methoden modelliert werden können. ⓘ
Das Herz zum Beispiel funktioniert ähnlich wie eine Pumpe, das Skelett ist wie eine Gelenkstruktur mit Hebeln, das Gehirn erzeugt elektrische Signale usw. Diese Ähnlichkeiten sowie die zunehmende Bedeutung und Anwendung ingenieurwissenschaftlicher Prinzipien in der Medizin führten zur Entwicklung des Bereichs der Biomedizintechnik, der Konzepte aus beiden Disziplinen nutzt. ⓘ
In neu entstehenden Wissenschaftszweigen wie der Systembiologie werden analytische Werkzeuge, die traditionell in den Ingenieurwissenschaften verwendet werden, wie die Systemmodellierung und die Computeranalyse, auf die Beschreibung biologischer Systeme übertragen. ⓘ
Kunst
Es gibt Verbindungen zwischen dem Ingenieurwesen und der Kunst, z. B. Architektur, Landschaftsarchitektur und Industriedesign (sogar in dem Maße, dass diese Disziplinen manchmal in die Fakultät für Ingenieurwesen einer Universität eingegliedert werden können). ⓘ
Das Art Institute of Chicago beispielsweise zeigte eine Ausstellung über die Kunst des NASA-Raumfahrtdesigns. Das Brückendesign von Robert Maillart wird von einigen als bewusst künstlerisch empfunden. An der University of South Florida hat ein Ingenieurprofessor mit Hilfe eines Stipendiums der National Science Foundation einen Kurs entwickelt, der Kunst und Technik miteinander verbindet. ⓘ
Unter den berühmten historischen Persönlichkeiten ist Leonardo da Vinci, ein bekannter Künstler und Ingenieur der Renaissance, ein Paradebeispiel für die Verbindung von Kunst und Ingenieurwesen. ⓘ
Wirtschaft
Business Engineering befasst sich mit der Beziehung zwischen professionellen Ingenieuren, IT-Systemen, Betriebswirtschaft und Änderungsmanagement. Engineering Management oder "Management Engineering" ist ein spezialisierter Bereich des Managements, der sich mit der ingenieurtechnischen Praxis oder dem Sektor der Ingenieurindustrie befasst. Die Nachfrage nach Ingenieuren mit Managementkenntnissen (oder umgekehrt, nach Managern mit Ingenieurkenntnissen) hat zur Entwicklung spezieller Studiengänge für Ingenieurmanagement geführt, die die für diese Aufgaben erforderlichen Kenntnisse und Fähigkeiten vermitteln. Im Rahmen eines Studiengangs für Ingenieurmanagement erwerben die Studierenden neben betriebswirtschaftlichen Kenntnissen, Managementtechniken und strategischem Denken auch Fähigkeiten, Kenntnisse und Fachwissen im Bereich Wirtschaftsingenieurwesen. Ingenieure, die sich auf Veränderungsmanagement spezialisieren, müssen über fundierte Kenntnisse in der Anwendung arbeits- und organisationspsychologischer Prinzipien und Methoden verfügen. Fachingenieure lassen sich häufig zu zertifizierten Unternehmensberatern ausbilden, die auf dem sehr speziellen Gebiet der Unternehmensberatung in der Ingenieurpraxis oder im Ingenieurwesen tätig sind. Diese Arbeit befasst sich häufig mit groß angelegten komplexen Geschäftsumwandlungs- oder Geschäftsprozessmanagementinitiativen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Automobilbau, Öl und Gas, Maschinenbau, Pharmazie, Lebensmittel und Getränke, Elektrotechnik und Elektronik, Energieverteilung und -erzeugung, Versorgungsunternehmen und Transportsysteme. Diese Kombination aus technischer Praxis, Managementberatung, Branchenkenntnis und Fachwissen im Bereich Change Management ermöglicht es professionellen Ingenieuren, die auch als Unternehmensberater qualifiziert sind, große Initiativen zur Unternehmensumgestaltung zu leiten. Diese Initiativen werden in der Regel von leitenden Angestellten unterstützt. ⓘ
Andere Bereiche
In der Politikwissenschaft wurde der Begriff "Engineering" für das Studium der Fächer "Social Engineering" und "Political Engineering" übernommen, die sich mit der Gestaltung politischer und sozialer Strukturen unter Anwendung ingenieurwissenschaftlicher Methoden in Verbindung mit politikwissenschaftlichen Prinzipien befassen. Auch das Marketing-Engineering und das Finanz-Engineering haben den Begriff entlehnt. ⓘ
Disziplinen
Die Ingenieurwissenschaften bilden eine Gruppe aus zahlreichen Einzelwissenschaften. Es gibt wie auch bei anderen Wissenschaftsgruppen viele Querbezüge zu anderen Wissenschaften. Dies betrifft die zahlreichen Verbindungen innerhalb der Ingenieurwissenschaften ebenso wie Übergänge zu anderen Wissenschaftsgruppen. ⓘ
Institutionen
Ingenieurwissenschaftliche Forschung wird an drei verschiedenen Arten von Institutionen betrieben:
- Hochschulen,
- außeruniversitäre, öffentliche Einrichtungen und
- Forschungsabteilungen in der Industrie.
Alle drei Bereiche arbeiten dabei teilweise auch zusammen. ⓘ
Zu den Hochschulen zählen Technische Universitäten, Universitäten, Technische Hochschulen und Fachhochschulen (University of Applied Sciences). Diese befassen sich in unterschiedlichen Ausmaß sowohl mit Forschung als auch mit der Lehre. Außeruniversitäre, öffentliche Institute widmen sich ausschließlich der Forschung und nicht der Lehre. Oft sind sie jedoch in räumlicher Nähe zu Universitäten angesiedelt. Im Bereich der Ingenieurwissenschaften sind die Institute der Fraunhofer-Gesellschaft besonders aktiv. Während bei universitären und außeruniversitären Forschungsinstituten eher die Grundlagenforschung im Vordergrund steht, geht es in der Industrieforschung eher darum Innovationen hervorzubringen und zur Marktreife weiterzuentwickeln. ⓘ
Vereine und Verbände
In den Ingenieurwissenschaften gibt es zahlreiche Vereine und Verbände. Manche davon repräsentieren eher die Berufsinteressen der Ingenieure, anderen geht es mehr um fachlichen Fortschritt in technischen Disziplinen, wieder andere sind als Branchenverbände organisiert, wobei Mischungen aus diesen Bereichen häufig sind. Der größte und bekannteste deutsche Verein ist der Verein Deutscher Ingenieure, der den ersten beiden Bereichen zugeordnet werden kann und Ingenieure des Maschinenbaus und des Bauingenieurwesens vereint. Die Elektrotechniker haben sich zum Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik zusammengeschlossen. Daneben gibt es noch Vereine die eher Branchenverbände sind wie der Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken, der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau und das Stahlinstitut VDEh (ehemals Verein deutscher Eisenhüttenleute). ⓘ
Ähnliche Vereine gibt es auch in anderen Industriestaaten, etwa die Institution of Mechanical Engineers und die American Society of Mechanical Engineers für die britischen beziehungsweise amerikanischen Maschinenbauer, die Institution of Civil Engineers, Society of Civil Engineers und American Society of Civil Engineers für die britischen und amerikanischen Bauingenieure. ⓘ
Studium
Ingenieurwissenschaften werden an Technischen Universitäten, Technischen Hochschulen, Fachhochschulen und Berufsakademien gelehrt. Die Studiengänge schließen mit einem Bachelor oder Master ab. Früher war der Diplom-Ingenieur weit verbreitet. Die akademischen Grade Bachelor und Master in entsprechend akkreditierten Studiengängen an Fachhochschulen, Universitäten oder technischen Hochschulen sind jeweils gleichgestellt; der erfolgreiche Masterabschluss berechtigt zur Promotion zum Doktoringenieur (Dr.-Ing.). ⓘ
Zu Beginn des Studiums werden verschiedene allgemeine und abstrakte Fächer gelehrt, die oft als "Grundlagenfächer" bezeichnet werden und für die spätere Beschäftigung mit den konkreten Fachgebieten, wie der Fahrzeugtechnik oder Energietechnik, nötig sind. In den ersten Semestern stehen auch in verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen größtenteils ähnliche Fächer auf dem Stundenplan, sodass ein Wechsel in dieser Phase meist keine Probleme bereitet. Zu diesen Fächern zählen neben höherer Mathematik und Physik und manchmal auch weiteren Naturwissenschaften häufig Gebiete, die diesen nahe stehen, wie u. a. die Technische Mechanik, die Technische Wärmelehre und die Elektrizitätslehre. ⓘ
Ein Ingenieurstudium vermittelt eine naturwissenschaftliche Allgemeinbildung. Die Studienfächer sind sehr allgemein gehalten, aber für viele Anwendungsgebiete wichtig; sie sind relativ abstrakt und gelten auch als schwer erlernbar und sind daher mit ein Grund für die hohe Zahl der Studienabbrecher. Einerseits, weil die Klausuren nicht bestanden werden, andererseits, weil sie den Interessen und Erwartungen der Studenten nur wenig entgegenkommen. ⓘ
Mehrere Studien deuten auf die Notwendigkeit hin, angesichts der erheblichen Bedeutung, die digitalen Fachinhalten für Berufseinsteigerinnen und Berufseinsteigern in technischen Berufen zukommt, neben den bereits gelehrten Grundlagen- und Vertiefungsfächern insbesondere die Bedeutung digitaler Fachinhalte in den ingenieurwissenschaftlichen Curricula zu stärken. ⓘ
Ingenieurwissenschaften dienten schon lange Männern aus unteren sozialen Schichten als Möglichkeit des sozialen Aufstiegs – bei Frauen eher die Pädagogik. Daher ist der Anteil der Studenten aus sogenannten "bildungsfernen Schichten" besonders hoch. Viele der Studenten haben Eltern, die dem Handwerk und der Arbeiterschaft entstammen, was naheliegend ist, da ihnen technische Arbeitsabläufe vom Elternhaus her bekannt sind und sie die Arbeitswelt kennen. Seit den 1990er Jahren geht der Anteil jedoch zurück, was mehrere Gründe hat. Zum einen ist die soziale Selektivität des Bildungssystems gestiegen, sodass weniger Arbeiterkinder einen Hochschulzugang erreichen. Des Weiteren spielen finanzielle Hürden bei der Aufnahme eines Studiums eine viel größere Rolle bei Arbeiterkindern. Die lange stagnierenden Bafög-Fördersätze hatten damit einen direkten Zusammenhang mit dem Rückgang der Studentenzahlen in den Ingenieurwissenschaften. Der letzte Faktor war die Personalpolitik der Unternehmen in den 1990ern und die schlechte Lage auf dem Arbeitsmarkt in dieser Zeit. ⓘ
An den bis Anfang der 1970er Jahre üblichen Ingenieurschulen gab es den Ing. (grad.), den graduierten Ingenieur, als staatlichen Abschluss. ⓘ
Im Jahr 2012 gab es in Deutschland 77.775 Absolventen in der Fächergruppe Ingenieurwissenschaften an Hochschulen in Deutschland, davon schlossen 41.296 Absolventen ihr Studium mit einem Bachelor- und 13.606 mit einem Masterabschluss ab. ⓘ