Rekayasa

Zaman kuno

Piramida di Mesir Kuno, ziggurat di Mesopotamia, Akropolis dan Parthenon di Yunani Kuno, saluran air Romawi, Via Appia dan Colosseum, Teotihuacán, serta Kuil Brihadeeswarar di Thanjavur, dan banyak bangunan megah lainnya, menjadi bukti kejeniusannya para insinyur sipil dan militer di masa lampau. Monumen lain yang kini tak lagi berdiri, seperti Taman Gantung Babilonia dan Pharos di Aleksandria, merupakan pencapaian teknik yang luar biasa pada zamannya dan digolongkan sebagai bagian dari Tujuh Keajaiban Dunia Kuno.

Enam mesin sederhana klasik telah dikenal di Timur Dekat Kuno. Baji dan bidang miring (ramp) telah digunakan sejak zaman prasejarah.^[9] Roda beserta mekanisme roda dan poros ditemukan di Mesopotamia (kini wilayah Irak modern) pada milenium ke-5 SM.^[10] Mekanisme tuas pertama kali muncul sekitar 5.000 tahun lalu di Timur Dekat, digunakan dalam timbangan sederhana^[11] dan untuk memindahkan benda-benda besar dalam teknologi Mesir Kuno.^[12] Tuas juga digunakan dalam alat pengangkat air shadoof, yang merupakan bentuk awal dari mesin derek, pertama kali muncul di Mesopotamia sekitar ca 3000 SM,^[11] kemudian di teknologi Mesir Kuno sekitar ca 2000 SM.^[13] Bukti paling awal penggunaan katrol ditemukan di Mesopotamia pada awal milenium ke-2 SM,^[14] dan di Mesir Kuno pada masa Dinasti Kedua Belas (1991–1802 SM).^[15] Sekrup, mesin sederhana terakhir yang ditemukan,^[16] pertama kali muncul di Mesopotamia pada masa Neo-Asyur (911–609 SM).^[14] Piramida Mesir dibangun menggunakan tiga dari enam mesin sederhana—bidang miring, baji, dan tuas—untuk menciptakan struktur megah seperti Piramida Agung Giza.^[17]

Insinyur sipil paling awal yang dikenal namanya adalah Imhotep.^[6] Sebagai pejabat di bawah Firaun Djosèr, ia diyakini merancang dan mengawasi pembangunan Piramida Djoser (atau Piramida Bertingkat) di Saqqara, Mesir, sekitar tahun 2630–2611 SM.^[18] Mesin-mesin bertenaga air pertama, seperti kincir air dan penggilingan air, muncul di Kekaisaran Persia, di wilayah yang kini menjadi Irak dan Iran, pada awal abad ke-4 SM.^[19]

Kerajaan Kush mengembangkan sakia pada abad ke-4 SM, yang menggunakan tenaga hewan alih-alih tenaga manusia.^[20] Mereka juga mengembangkan hafir sebagai bentuk waduk untuk menampung air dan memperluas sistem irigasi.^[21] Para perajut jalan (sapper) digunakan untuk membangun jalan penghubung selama kampanye militer.^[22] Nenek moyang bangsa Kush membangun speos pada Zaman Perunggu antara 3700 dan 3250 SM.^[23] Tungku peleburan dan tanur tiup juga telah dikembangkan di wilayah Kush pada abad ke-7 SM.^[24][25]

Yunani Kuno mengembangkan berbagai mesin untuk keperluan sipil dan militer. Mekanisme Antikythera, sebuah komputer analog mekanis paling awal yang diketahui,^[26][27] beserta berbagai penemuan mekanis Archimedes merupakan contoh gemilang dari rekayasa mekanika Yunani. Beberapa penemuan Archimedes, seperti halnya Mekanisme Antikythera, menunjukkan pengetahuan mendalam tentang gigi diferensial dan roda gigi epiklik, dua prinsip kunci dalam teori mesin yang kelak berperan besar dalam rancangan transmisi roda gigi pada Revolusi Industri, serta diterapkan luas dalam bidang robotika dan rekayasa otomotif.^[28]

Tentara Cina Kuno, Yunani, Romawi, dan Bangsa Hun menggunakan berbagai mesin perang seperti artileri yang dikembangkan oleh orang Yunani sekitar abad ke-4 SM,^[29] trireme, ballista, ketapel, serta trebuchet yang dikembangkan oleh bangsa Tionghoa sekitar abad ke-6 hingga ke-5 SM.^[30]

Abad Pertengahan

Mesin praktis pertama yang digerakkan oleh tenaga angin, seperti kincir angin dan pompa angin, muncul di dunia Islam pada masa Zaman Keemasan Islam, sekitar abad ke-9 Masehi, di wilayah yang kini mencakup Iran, Afghanistan, dan Pakistan.^{[31][32][33][34]} Mesin praktis pertama yang digerakkan oleh uap adalah steam jack yang ditenagai turbin uap, dideskripsikan pada tahun 1551 oleh Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf di Mesir Utsmani.^[35][36]

Gunting kapas ditemukan di India pada abad ke-6 Masehi,^[37] sementara roda pemintal ditemukan di dunia Islam pada awal abad ke-11,^[38] keduanya menjadi fondasi penting bagi perkembangan industri kapas. Roda pemintal juga merupakan pendahulu spinning jenny, sebuah inovasi kunci yang menandai awal Revolusi Industri pada abad ke-18.^[39]

Mesin terprogram paling awal juga lahir di dunia Islam. Sebuah music sequencer atau alat musik otomatis yang dapat diprogram merupakan bentuk paling awal dari mesin terprogram. Alat musik otomatis pertama ini adalah pemain seruling mekanis ciptaan tiga bersaudara Banu Musa, yang dijelaskan dalam karya mereka Book of Ingenious Devices pada abad ke-9.^[40][41] Pada tahun 1206, Al-Jazari menciptakan automata atau robot yang dapat diprogram. Ia menggambarkan empat pemusik otomatis, termasuk para penabuh genderang yang dioperasikan melalui mesin drum terprogram, yang dapat diatur untuk memainkan berbagai ritme dan pola tabuhan berbeda.^[42]

Sebelum berkembangnya disiplin rekayasa modern, ilmu matematika telah digunakan oleh para perajin dan teknisi, seperti tukang penggiling, pembuat jam, pembuat instrumen, dan juru ukur. Di luar profesi-profesi tersebut, universitas pada masa itu belum dianggap memiliki peranan praktis yang besar terhadap kemajuan teknologi.^[43]: 32

Salah satu rujukan klasik yang mendokumentasikan keadaan seni mekanika pada masa Renaisans adalah risalah teknik pertambangan De re metallica (1556), yang juga memuat bahasan mengenai geologi, pertambangan, dan kimia. Karya ini menjadi acuan utama dalam bidang kimia selama hampir 180 tahun berikutnya.^[43]

Era Modern

Ilmu mekanika klasik, yang sering disebut juga mekanika Newtonian, menjadi landasan ilmiah bagi sebagian besar bidang rekayasa modern.^[43] Seiring dengan munculnya rekayasa sebagai sebuah profesi pada abad ke-18, istilah ini mulai digunakan secara lebih sempit untuk menyebut bidang-bidang yang menerapkan matematika dan ilmu pengetahuan dalam praktik. Sejalan dengan itu, selain rekayasa sipil dan militer, bidang yang dikenal sebagai seni mekanik pun mulai tergabung dalam disiplin rekayasa.

Pembangunan kanal merupakan salah satu proyek rekayasa penting pada masa-masa awal Revolusi Industri.^[44]

John Smeaton adalah orang pertama yang menyebut dirinya sebagai insinyur sipil dan sering dianggap sebagai “bapak” rekayasa sipil. Ia adalah seorang insinyur Inggris yang merancang jembatan, kanal, pelabuhan, dan mercusuar. Selain itu, Smeaton juga dikenal sebagai insinyur mekanik ulung dan fisikawan terkemuka. Dengan menggunakan model kincir air, ia melakukan eksperimen selama tujuh tahun untuk menemukan cara meningkatkan efisiensi energi.^[45]: 127 Smeaton memperkenalkan poros dan roda gigi besi pada kincir air,^[43]: 69 serta melakukan perbaikan mekanik pada mesin uap Newcomen. Ia juga merancang Mercusuar Eddystone ketiga (1755–59), di mana ia memelopori penggunaan ‘kapur hidrolik’ (sejenis mortar yang dapat mengeras di bawah air) dan mengembangkan teknik penyusunan balok granit dengan sistem sambungan “ekor burung”. Kontribusinya sangat penting dalam penemuan kembali dan pengembangan semen modern, sebab ia berhasil mengidentifikasi komposisi yang diperlukan untuk menghasilkan sifat “hidrolik” pada kapur—temuan yang pada akhirnya mengarah pada penemuan semen Portland.

Perkembangan ilmu terapan membawa pada lahirnya mesin uap. Rangkaian peristiwa ini dimulai dengan penemuan barometer dan pengukuran tekanan atmosfer oleh Evangelista Torricelli pada tahun 1643, disusul oleh demonstrasi kekuatan tekanan udara oleh Otto von Guericke dengan belahan Magdeburg pada 1656. Eksperimen laboratorium yang dilakukan oleh Denis Papin, yang membangun model awal mesin uap dan memperkenalkan penggunaan piston, dipublikasikan pada 1707. Edward Somerset, 2nd Marquess of Worcester menerbitkan sebuah buku berisi 100 penemuan, termasuk metode menaikkan air yang mirip dengan penyeduh kopi. Samuel Morland, seorang matematikawan dan penemu yang bekerja pada pompa, meninggalkan catatan tentang rancangan pompa uap di kantor senjata Vauxhall, yang kemudian dibaca oleh Thomas Savery. Pada 1698 Savery membangun pompa uap bernama “The Miner’s Friend” yang memanfaatkan sistem tekanan dan vakum.^[46] Thomas Newcomen, seorang pedagang besi yang membangun mesin uap piston komersial pertama pada 1712, diketahui tidak memiliki pelatihan ilmiah formal.^[45]: 32

Penggunaan silinder tiup besi tuang bertenaga uap untuk memasok udara bertekanan pada tungku tiup menghasilkan peningkatan besar dalam produksi besi pada akhir abad ke-18. Suhu tungku yang lebih tinggi memungkinkan penggunaan lebih banyak kapur dalam proses peleburan, yang pada gilirannya memungkinkan peralihan dari arang ke kokas.^[47] Inovasi-inovasi ini menurunkan biaya produksi besi, membuat pembangunan jalur kereta kuda dan jembatan besi menjadi lebih terjangkau. Proses puddling yang dipatenkan oleh Henry Cort pada 1784 memungkinkan produksi massal besi tempa, sementara teknologi hot blast yang dipatenkan oleh James Beaumont Neilson pada 1828 secara drastis mengurangi kebutuhan bahan bakar dalam peleburan besi. Perkembangan mesin uap bertekanan tinggi kemudian memungkinkan terciptanya kapal uap dan lokomotif yang lebih efisien.^[48] Proses pembuatan baja baru, seperti proses Bessemer dan tungku open hearth, membuka era rekayasa berat pada akhir abad ke-19.

Salah satu insinyur paling terkenal di pertengahan abad ke-19 adalah Isambard Kingdom Brunel, yang membangun jaringan kereta api, galangan kapal, dan kapal uap.

Revolusi Industri menciptakan kebutuhan besar akan mesin dengan komponen logam, yang mendorong pengembangan berbagai perkakas mesin. Pengeboran silinder besi tuang dengan presisi tinggi baru dimungkinkan setelah John Wilkinson menemukan mesin bor—yang dianggap sebagai perkakas mesin pertama.^[49] Alat-alat lain seperti bubut pemotong ulir, mesin frais, turret lathe, dan planer logam pun menyusul ditemukan. Teknik pemesinan presisi berkembang pada paruh pertama abad ke-19, termasuk penggunaan jig sebagai pemandu alat pemotong dan fixture untuk menahan benda kerja agar tetap pada posisi yang benar. Perkakas mesin dan teknik pemesinan yang mampu menghasilkan komponen yang dapat dipertukarkan membuka jalan bagi produksi massal di pabrik-pabrik besar pada akhir abad ke-19.^[50]

Sensus Amerika Serikat tahun 1850 mencatat istilah “insinyur” untuk pertama kalinya dengan jumlah 2.000 orang.^[51] Sebelum 1865, hanya ada kurang dari 50 lulusan teknik di Amerika Serikat. Gelar PhD pertama dalam bidang rekayasa (secara resmi “ilmu terapan dan teknik”) diberikan kepada Josiah Willard Gibbs di Universitas Yale pada 1863, yang juga merupakan gelar PhD kedua dalam bidang sains di negara tersebut.^[52] Pada 1870 hanya ada sekitar selusin lulusan teknik mesin per tahun di Amerika Serikat, meningkat menjadi 43 pada 1875. Menjelang 1890, terdapat 6.000 insinyur yang bergerak di bidang sipil, pertambangan, mesin, dan listrik.^[48] Kursi akademik untuk mekanika terapan baru dibuka di Cambridge pada 1875, dan kursi pertama untuk rekayasa di Oxford baru muncul pada 1907. Jerman, sebaliknya, telah lebih dahulu mendirikan universitas teknis.^[53]

Dasar-dasar rekayasa listrik pada abad ke-19 mencakup eksperimen oleh Alessandro Volta, Michael Faraday, Georg Ohm, serta penemuan telegraf listrik pada 1816 dan motor listrik pada 1872. Karya teoretis James Maxwell (lihat: Persamaan Maxwell) dan Heinrich Hertz pada akhir abad ke-19 melahirkan bidang elektronika. Penemuan tabung hampa dan transistor kemudian mempercepat perkembangan elektronika sedemikian rupa hingga kini jumlah insinyur listrik dan elektronika melampaui cabang rekayasa lainnya.^[6] Bidang rekayasa kimia muncul pada akhir abad ke-19.^[6] Produksi industri berskala besar menuntut bahan dan proses baru, dan sekitar tahun 1880 kebutuhan akan produksi kimia massal melahirkan industri baru yang berfokus pada perancangan pabrik serta proses kimia berskala besar.^[6] Peran insinyur kimia adalah merancang pabrik dan proses tersebut.^[6] Bidang ilmu material sendiri berasal dari pembuatan keramik dan metalurgi, menjadikannya salah satu bentuk rekayasa tertua.^[54] Ilmu material modern berkembang langsung dari metalurgi, yang berakar pada penggunaan api. Unsur-unsur penting dalam ilmu material modern banyak dihasilkan melalui perlombaan antariksa, seperti rekayasa paduan logam, silika, dan karbon untuk membangun kendaraan luar angkasa. Ilmu material menjadi penggerak, sekaligus terdorong oleh, perkembangan teknologi revolusioner seperti karet, plastik, semikonduktor, dan biomaterial.

Rekayasa aeronautika berfokus pada proses perancangan pesawat, sedangkan rekayasa dirgantara merupakan istilah yang lebih modern yang mencakup juga perancangan wahana antariksa. Akar keilmuannya dapat ditelusuri hingga para pelopor penerbangan pada awal abad ke-20, meski karya Sir George Cayley kini diketahui telah muncul sejak akhir abad ke-18. Pengetahuan awal dalam bidang aeronautika masih bersifat empiris, dengan banyak konsep dan keterampilan yang diadaptasi dari cabang rekayasa lain.^[55] Hanya satu dekade setelah keberhasilan penerbangan Wright bersaudara, rekayasa aeronautika berkembang pesat melalui pengembangan pesawat militer yang digunakan dalam Perang Dunia I. Sementara itu, penelitian ilmiah untuk memperkuat dasar teoretis bidang ini terus berlanjut dengan memadukan fisika teoretis dan eksperimen.