در این مقاله به معرفی زبانهای برنامه نویسی (programming languages) متداول در مهندسی مکانیک و پاسخ به این سوال متداول که کدام زبان برنامه نویسی مناسب مهندسی مکانیک است، پرداخته شده است.
برنامه نویسی بدون شک یکی از اجزای جدانشدنی و بسیار کاربردی در برخی از علوم مانند علوم مهندسی است. در مهندسی مکانیک هم از برنامه نویسی به زبانهای مختلف مانند متلب (Matlab)، سی (C)، سی پلاس پلاس (++C)، فرترن (Fortran) و پایتون (Python) برای انجام پروژه‌های گوناگون و نوشتن روتین و سابروتین استفاده می‌شود. اگر قصد دارید در حوزه مهندسی مکانیک به فردی حرفه‌ای تبدیل شوید، تسلط به مهارت برنامه‌نویسی لازم و ضروری است. این مهارت به شما کمک می‌کند تا محاسبات را به ساده‌ترین شکل ممکن انجام داده و مدل‌های پیچیده را به‌راحتی پیاده‌سازی کنید. زبانهای مختلفی مثل پایتون (Python)، متلب (MATLAB)، سی پلاس پلاس (++C)، فرترن (Fortran) و سی (C) وجود دارد که یک مهندس مکانیک با استفاده از آن‌ها می‌تواند فرایند انجام کارها را ساده‌سازی کند؛ به همین دلیل در این مقاله تصمیم گرفتیم اطلاعاتی را در مورد زبانهای برنامه‌نویسی (programming languages) و ویژگی‌های کلیدی هر یک از این زبانهای برنامه نویسی در حوزهٔ مهندسی مکانیک به خصوص روش‌های شبیه‌سازی عددی مسائل مانند FEM و CFD را با شما به اشتراک بگذاریم.
برنامه نویسی چیست؟
اگر بخواهیم این مفهوم را به زبان ساده تعریف کنیم می‌توان گفت برنامه‌نویسی (programming) علمی است که به شما اجازه می‌دهد با کمک سیستم‌های کامپیوتری، فرایندهای پیچیده را شبیه‌سازی کنید؛ یعنی شما باید برنامه کامپیوتری را طراحی کنید که اطلاعات و داده‌های ورودی را دریافت کرده و با پردازش آن‌ها خروجی خاصی را به شما تحویل دهد. فرایند انجام این کار شامل طراحی، کدنویسی، تست و توسعه کدهای نوشته شده است. با تسلط بر این مهارت شما می‌توانید در رشته مهندسی مکانیک از رقبای خود پیشی بگیرید.
برای ساخت و توسعه یک برنامه از زبانهای برنامه نویسی مختلفی استفاده می‌شود که هرکدام ویژگی‌های خاص خود را دارند. پس بهتر است قبل از یادگیری، نیاز خود را به‌خوبی بررسی کرده و زبان مناسب را انتخاب کنید. به‌عنوان‌مثال اگر به هوش مصنوعی علاقه‌مند هستید، Python می‌تواند یک انتخاب مناسب باشد. کتابخانه‌های پایتون، کارایی و انعطاف‌پذیری بسیار بالایی دارند؛ به همین دلیل کار شما را بسیار آسان می‌کنند.
برای اینکه این مهارت را به‌خوبی یاد بگیرید باید به تفکر الگوریتمی، مفاهیم ریاضی و منطقی، توانایی حل مسئله و … مسلط باشید تا برنامه‌های تولیدشده توسط شما، کارایی لازم را داشته باشند.
کدام زبان بهتر است؟
زبان‌هایی که در این مقاله به شما معرفی می‌کنیم، جزو بهترین و کاربردی‌ترین زبانهای برنامه‌نویسی در رشتهٔ مکانیک هستند؛ اما انتخاب بر عهدهٔ کاربر قرار می‌گیرد. شما باید بدانید دقیقاً چه نوع مسئله‌ای را می‌خواهید حل کنید، بر این اساس زبان موردنیاز خود را از بین گزینه‌های نامبرده انتخاب کنید و آموزش ببینید.
اهمیت برنامه نویسی در مهندسی مکانیک
همان‌طور که گفتیم برنامه‌نویسی (programming) یکی از مهارت‌های مهم و کلیدی برای افرادی است که در رشته مهندسی مکانیک فعالیت می‌کنند. تسلط به این مقوله باعث ساده‌سازی کارها و افزایش کیفیت خروجی نهایی می‌شود. به طور مثال شما با استفاده از سیمولینک در نرم‌افزار متلب می‌توانید سیستم‌ها را به‌صورت گرافیکی مدل کنید. در ادامه به برخی از دلایل اهمیت این موضوع اشاره می‌کنیم.
مدل‌سازی و تحلیل عددی
یکی از امکاناتی که این مهارت در اختیار افراد قرار می‌دهد، ایجاد مدل‌های عددی پیچیده با استفاده از متلب، پایتون و فرترن است. از جمله این مدل‌های عددی می‌توان به روش FEM یا همان المان محدود اشاره کرد که با کمک آن می‌توانید مسائل پیچیده مکانیک، داینامیک، استاتیک، انتقال حرارت و جریان سیال را پیاده‌سازی کنید.
طراحی و بهینه‌سازی
با برنامه نویسی می‌توان سیستم‌ها و الگوریتم‌های استفاده شده را بهینه کرد و کارایی محصول نهایی را به میزان قابل‌توجهی افزایش داد. به طور مثال مهندسان می‌توانند با استفاده از این روش، طراحی پارامتریک و بهینه‌سازی عددی را به‌خوبی انجام دهند. درحالی‌که انجام این کار به‌صورت دستی بسیار سخت و طاقت‌فرسا است.
تحلیل داده‌ها
یکی از اصلی‌ترین مشکلات مهندسان، پیچیدگی داده‌ها و بزرگ‌بودن آن‌هاست. با کمک زبانهای مختلف شما می‌توانید داده‌ها را به‌صورت مؤثر و بهینه تحلیل کرده و اطلاعات مفید و موردنیاز خود را استخراج کنید. کتابخانه‌های پایتون به دلیل قابلیت‌های متعددی که دارند، می‌توانند این زبان را به یکی از بهترین گزینه‌ها برای تحلیل داده تبدیل کنند.
زبانهای برنامه نویسی ضروری و پرکاربرد در مهندسی مکانیک
پس از اینکه با اهمیت برنامه‌نویسی (programming) در مهندسی مکانیک آشنا شدید، قصد داریم پرکاربردترین آن‌ها را به شما معرفی کرده و ویژگی‌های مربوط به هرکدام را بررسی کنیم.
متلب (MATLAB)
متلب MATLAB در‌واقع یک زبان برنامه‌نویسی رایانه‌ای نسل چهارم محسوب می‌شود که از محاسبات و الگوریتم‌های خاصی برای تجزیه‌و‌تحلیل مقادیر زیادی از داده‌ها و ارائه آن در قالب‌های بصری جذاب استفاده می‌کند. متلب از دو واژه ماتریس MATrix و آزمایشگاه LABoratory ترکیب یافته است که نشان می‌دهد کارکرد این برنامه، بر محور ماتریس بنا شده است. یکی از پرطرفدارترین زبانهای برنامه‌نویسی (programming) در مهندسی مکانیک، متلب (MATLAB) است، زیرا ویژگی‌های خاص و منحصربه‌فرد خود را دارد. این زبان سختی پرگرمینگ در زبانهای دیگر مانند سی و سی پلاس پلاس را ندارد و بسیاری از فرمول‌ها و تابع‌ها از قبل در آن تعریف شده‌است. مهندسین مکانیک با استفاده از این زبان، دیگر نیازی به یادگیری زبانهای پروگرمینگ از اساس را ندارند و تنها با یادگیری استفاده از کدها و توابع آمادهٔ این نرم‌افزار، می‌توانند نیازهای خود را مرتفع سازند. شبیه‌سازی‌های سیستم‌های مهندسی تحت عنوان سیمولینک (Simulink) به‌راحتی در این زبان قابل‌اجرا هستند و یکی از دلایل محبوب شدن این زبان نیز همین سیمولینک است.
امروزه از این نرم‌افزار برای انجام پروژه متلب (MATLAB) در حوزه‌های مختلف صنعت، مخابرات، پزشکی، فضانوردی، مکانیک، الکترومکانیک و رباتیک و… استفاده می‌شود و با پیشرفت‌هایی که از گذشته تاکنون پیدا‌کرده، به‌عنوان یک زبان سطح بالا شناخته می‌شود و به لحاظ آن‌که یادگیری آن ساده است، متخصصان و مهندسان بسیاری در دنیا از این نرم‌افزار استفاده می‌کنند، زیرا اجرای هر ایده‌ای با کمک متلب امکان‌پذیر است. به‌جرئت می‌توان گفت متلب (MATLAB) یکی از مهم‌ترین نرم‌افزارهایی است که هر مهندس مکانیکی باید کار با آن را فرابگیرد. این نرم‌افزار یک محیط توسعه محاسباتی است که کاربر با استفاده از آن می‌تواند مسائل عددی را حل کرده و مدل ریاضی ایجاد کند. جالب است بدانید متلب، امکان برنامه نویسی و توسعه بر اساس نیاز کاربر را فراهم کرده است. در ادامه به برخی از ویژگی‌های آن اشاره می‌کنیم:
پایتون (Python)
می‌توان گفت یکی از قوی‌ترین و بهترین زبانهای پروگرمینگ که در دنیا وجود دارد، پایتون (Python) است و امروزه طرفداران بسیار زیادی نیز پیدا کرده‌است. در این زبان کتابخانه‌های پایتون که در اختیار افراد قرارگرفته‌اند، بسیار وسیع‌اند و در مقابل کلمات کلیدی نیز به حداقل رسیده است. در برخی از زبانهای پروگرمینگ، بلاک‌های کد درون آکولادها قرار می‌گیرند به‌ویژه زبان‌هایی مانند سی پلاس پلاس و سی و دیگر زبان‌هایی که از آن‌ها پیروی می‌کنند. اما در زبان پایتون تنها از فاصله و جلو بردن متن جهت مشخص کردن بلاک‌ها استفاده می‌شود. یعنی به تعداد یکسانی نویسه فاصله در ابتدای سطرهای هر یک از بلاک‌ها قرار می‌گیرد. این ویژگی‌ها دیگر مهندسان مکانیک را درگیر خود برنامه نویسی و نحوهٔ نوشتن دستورات نمی‌کند، بلکه امکان حل مسائل را با آرامش بیشتر به آن‌ها می‌دهد.
زبان برنامه نویسی پرکاربرد و قدرتمندی که در سال 1990 توسط Guido van Rossum توسعه داده‌شده و به دلیل سادگی و قابل‌فهم بودن، بسیاری از برنامه‌نویسان برای انجام کارهای مختلف از آن استفاده می‌کنند. برخی از ویژگی‌های پایتون عبارت هستند از:
سادگی و خوانایی
امکان استفاده از روتین و سابروتین
قابلیت همکاری با سایر زبان‌ها
کتابخانه قدرتمند
قابلیت اجرا روی سیستم‌های مختلف
سی (C)
زبان سی پلاس پلاس از زبان سی الگو گرفته‌است و یکی از ساده‌ترین گزینه‌ها برای انتخاب مهندسین مکانیک است. می‌توان گفت سی پلاس پلاس آپدیت‌شدهٔ زبان سی است و امکان حل مسائل پیچیده و فرمول‌های سخت این رشته را برای افراد فراهم کرده‌است. زبانهای نامبرده یک‌سری دستورات خاص و کتابخانه‌های خاص دارند که افراد می‌توانند با دیدن آموزش‌های مرتبط، به‌راحتی نسبت‌به انجام برنامه نویسی اقدام کنند.
سی یکی از زبانهای سطح بالا و منطقی است که در دهه 1970 توسط Dennis Ritchie توسعه داده شده است. این زبان به دلیل قابلیت‌ها و ویژگی‌های پرشماری که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم، به‌عنوان یکی از پراستفاده‌ترین و قدرتمندترین زبانهای تاریخ شناخته می‌شود.
سی پلاس پلاس (++C)
زبان سی پلاس پلاس از زبان سی الگو گرفته‌است و یکی از ساده‌ترین گزینه‌ها برای انتخاب مهندسین مکانیک است. می‌توان گفت سی پلاس پلاس آپدیت‌شدهٔ زبان سی است و امکان حل مسائل پیچیده و فرمول‌های سخت این رشته را برای افراد فراهم کرده‌است. زبانهای نامبرده یک‌سری دستورات خاص و کتابخانه‌های خاص دارند که افراد می‌توانند با دیدن آموزش‌های مرتبط، به‌راحتی نسبت‌به انجام برنامه نویسی اقدام کنند.
در واقع می‌توان گفت سی پلاس پلاس توسعه‌یافته زبان سی است که امکانات بیشتری را در اختیار کاربر قرار می‌دهد. این زبان در سال 1983 توسط Bjaren stroustrup توسعه داده‌شده و در حال حاضر برای توسعه نرم‌افزارهای سیستمی، برنامه‌های کامپیوتری و … از آن استفاده می‌شود. برخی از ویژگی‌های آن عبارت هستند از:
فرترن (Fortran)
مورد بعدی زبان پروگرمینگ فرترن است که می‌توان گفت اولین زبان برنامه نویسی در سطح بالاست و هدف آن حل مسائل ریاضی پیچیده و ارتقا آن‌هاست. فرترن جزو قدرتمندترین زبان‌ها در حوزهٔ محاسبات عددی و شاخه‌های مهندسی مانند مکانیک، المان محدود، فیزیک، ریاضیات کاربردی، دینامیک سیالات و غیره است. یادگیری این زبان جدا از کاربردی بودن آن، برای رشتهٔ مهندسی مکانیک بسیار ضروری است، زیرا این رشته دارای محاسبات بسیار پیچیده است و برای انجام پروژه‌های عملی و تحقیقات می‌توان از این ربان پروگرمینگ بهترین استفاده را کرد.
فرترن یکی از قدیمی‌ترین زبانهای programming دنیاست که در سال 1950 توسط کمپانی IBM توسعه داده‌شده و برای محاسبات علمی و عددی از آن استفاده می‌شود. برخی از ویژگی‌های آن به شرح زیر است:
کارایی بالا
ساختار آرایه‌ای
قابلیت انجام محاسبات پیچیده ریاضی
تحلیل جریان سیالات با روش CFD
امکان نصب و اجرا روی سیستم‌های مختلف
پشتیبانی از برنامه نویسی ساختارمند
کتابخانه قدرتمند
سابروتین نویسی در نرم افزارهای شبیه‌سازی مانند آباکوس
سابروتین نویسی در نرم افزارهای CAE می‌توان آن‌ها را ارتقا داد و توانایی‌های پیش‌فرض آن را بهبود بخشید. به‌عنوان مثال، سابروتین DISP می‌تواند شرایط مرزی تحلیل را به‌صورت تابعی دربیاورد که از زمان و مکان پیروی می‌کند یا مثلاً سابروتین DLOAD امکان بارگذاری گسترده پیچیده را می‌دهد که آن‌هم به‌صورت تابعی از زمان و مکان است و قابل‌تفکیک به‌صورت حال ضرب نیست.
روش المان محدود یا روش اجزای محدود به‌اختصار روش FEM نامیده می‌شود و می‌توان گفت یکی از رایج‌ترین روش‌های عددی برای حل مسائل مهندسی است. همچنین در حل معادلات دیفرانسیل معمولی یا با مشتقات جزئی نیز کاربرد دارد. می‌توان گفت رایج‌ترین کاربرد آن شامل انتقال حرارت، تحلیل سازه، دینامیک سازه، انتقال پتانسیل و جرم الکترومغناطیسی است. این روش را می‌توانید در زبان پروگرمینگ Matlab به‌راحتی پیاده‌سازی کرده و مسائل پیچیده را توسط آن حل کنید. البته در بقیهٔ زبان‌ها مانند پایتون نیز می‌توانید آن را پیاده‌سازی کنید؛ اما یکی از آسان‌ترین روش‌ها، استفاده از متلب است. امکان سیمولینک در متلب سبب شده‌است همه روش‌ها ازجمله روش FEM و روش CFP به‌راحتی شبیه‌سازی شوند.
روش CFD در متلب
یکی از بهترین راه‌های انجام پروژه‌ها به روش CFD استفاده از نرم‌افزار متلب است و بسیاری از معادلات را توسط آن می‌توان حل کرد. انجام روش CFD بسیار سخت و پیچیده است؛ اما Matlab این امکان را به مهندسین می‌دهد که به‌جای گذاشتن تمرکز روی حل مسائل، روی کیفیت پروژه‌ها کار کنند. در این صورت امکان بروز خطا نیز به کمترین حالت خود می‌رسد، زیرا همان‌طور که می‌دانید، بروز خطا می‌تواند خرابی‌های جبران‌ناپذیری را ایجاد کند و در برخی موارد تا ثریا دیوار کج برود.
جمع‌بندی
امروزه با وجود پیشرفت‌هایی که در عصر حاضر می‌بینیم، دیگر حل مسائل پیچیده به عهدهٔ مغز انسان نیست و تمام مراحل را کامپیوتر انجام می‌دهد. در این صورت است که امکان بروز خطا کاهش می‌یابد و می‌توان بسیاری از موارد را از قبل شبیه‌سازی کرد. با انجام سیمولینک می‌توان پیش از اجرا نتیجه‌گیری‌های مثبتی انجام داد و امکان بروز خطا را بسیار کاهش داد. هریک از مهندسین مکانیک باید یکی از زبانهای نامبرده را به‌دقت آموزش ببینند تا بتوانند در حیطهٔ کاری خود موفق باشند. کتابخانه‌های زیادی وجود دارند که مانند کتابخانه‌های پایتون می‌توانند در پروگرمینگ به کمک مهندسان بیایند. پس اصلاً نگرانی در خصوص یادگیری زبان‌ها نداشته باشید.
در عصر تکنولوژی امروزی با پیشرفت روزافزون هوش مصنوعی، دیگر تنها علاقهٔ شخصی در یادگیری زبان برنامه نویسی دخیل نیست. همچنین دیگر یادگیری مختص دانشجویان و دانش‌آموختگان رشته‌های کامپیوتر نیز نیست. کامپیوتر پیشرفت‌های زیادی در سدهٔ اخیر داشته که سبب شده‌است بسیاری از محاسبات پیچیده ازجمله در رشته‌های مهندسی مکانیک را به‌راحتی مرتفع کند. محاسبات بسیار پیچیده امروزه توسط زبانهای پروگرمینگ تبدیل به یک‌سری کد شده و دیگر نیازی به حل مسائل پیچیده نیست. رشتهٔ مهندسی مکانیک یکی از پیچیده‌ترین و سخت‌ترین رشته‌های دنیاست و محاسبات آن نیز بسیار حساس است. افرادی که در این رشته تحصیل می‌کنند، باید بهترین زبانهای پروگرمینگ را آموزش ببینند تا بتوانند در این حوزه پیشرفت قابل‌توجهی داشته باشند. از انواع این زبان‌ها می‌توان به سی، سی پلاس پلاس، متلب، پایتون و فرترن اشاره کرد.