工学 （こうがく、英 : engineering ）またはエンジニアリング 基礎科学 である数学 ・化学 ・物理学 などを工業 生産に応用する学問 。「真理 の探究 」を目指す基礎科学と「実用 」を目指す工学の違いは絶対的ではなく、例えば電子工学 や薬品生産 などがあると『日本大百科全書 』は述べている[ 注釈 1] 基礎研究 の成果が応用科学 ・研究開発 の中へと直接組み込まれている。
日本の国立8大学 の工学部 を中心とした文書、「工学における教育プログラムに関する検討委員会」（1998年）では次の通り定義されている[ 5]
『世界大百科事典 』では、工学は「エネルギー や自然 の利用を通じて便宜を得る技術 一般」とされている[ 6] 工学分野 に専門分化している。
風力発電所 (風力発電機 群)。 再生可能エネルギー を用いて電力 を供給する」という実用的な目的 の実現の為に、装置群を設計し、製造し、適切な場所に設置し、適切に運用する必要があり、そのためにはエネルギー問題 に関する知識、環境問題に関する知識 、流体に関する知識 、機械に関する知識 、材料に関する知識 、電気的な知識 、制御装置などの知識 、経済性に関する知識 、気象学 的な知識や地域・場所ごとに全く異なる風 量に関する具体的なデータ、用地確保や海洋上での設置に関わる法律 的な知識、騒音規制に関する法的知識や自治体ごとの条例 の調査、風車ブレードに衝突してくることがある鳥の習性に関する知識 等々、様々な分野の知識 を結集する必要があり、また事前にアセスメント を行い、発注者や設置地域住民等々に対してアカウンタビリティ を果たす必要があり、現代の工学問題の実例となっている。工学博士の仙石正和 は電子情報通信学会 で、国際世界の教育研究における「工学」は次の意味だと述べている。
工学は大半の分野で理学 （数学 ・物理学 ・化学 等）を基礎としているが、工学と理学の相違点は、ある現象を目の前にしたとき、理学は「自然界 （の現象）は（現状）どうなっているのか」や「なぜそのようになるのか」という、既に存在している状態の理解 を追求するのに対して、工学は「どうしたら、（望ましくて）未だ存在しない状態やモノを実現できるか」を追求する点である[ 注釈 2] 人間 ・社会 で利用されること、という合目的性 を追求する点である、とも言える。
したがって工学では安全性 、経済性 、運用 ・保守性 といった、実用 上の観点の価値判断が重要である。使用できる時間 ・人員 ・予算 等といった資源 の制約の中、工学的目的を達成するための技術的な検討とその評価を工学的妥当性 と言い、工学的な性質の分析には、環境適合性 、使いやすさ 、整備のしやすさ (Maintainability )、生涯費用（ライフサイクルコスト ）など、（質量、速度などのある意味、即物的で一意的に測定できる性質とは違った、人間がある配慮のもとに構成した） <<評価方法>> が必要なものが多い。そうした評価方法 の開発も工学の重要な分野とされる。
また公共の福祉 電気学会 、土木学会 など）では倫理 的な内容を盛り込んだ信条規定（Creed ）が定められている。
工学には、他の学問 の成果を社会 に還元 するための技術 の開発 という面もあるが、近年はそれに加えて、その技術の適用にあたっての長所 、短所 の調査 （アセスメント アカウンタビリティ
現代の我々が用いている意味での "engineering" という用法・概念は18世紀になって生まれたものであるが、その概念に合致するような営みは、実際には古代から行われていたとも考えられている。（→#歴史 ）
工学を実践する者を「エンジニア engineer」あるいは「技術者 」と呼ぶ。日本では技術者の公式な資格の一つに技術士 がある。
工学という用語や概念自体は歴史的に見れば比較的新しいものであるが、現代の「工学」という概念で照らしつつ人類の歴史を遡って眺めてみれば、それに相当するものは実際上は古代から存在していたと言うこともできる。
"engineering" という言葉・概念は比較的新しいもので、先に "engineer"（技術者）という言葉が存在していた。1325年 ごろ文献に現れたときには「軍用兵器 の製作者」を意味していた[ 7] 戦争に使われる機械仕掛け 」（例えばカタパルト ）すなわち「兵器」という意味があった。"engine" の語源 は1250年 ごろラテン語 の ingenium からできた語で、ingenium は「先天的な特性、特に知能 」を意味し、そこから派生して「賢い発明品 」を意味した[ 8] なお、"engineer" は "engine" に接尾辞 "-eer" がついた形で「機関の操作者」という意味、といったような説明がたいへんしばしば見られるが、（少なくともそれが現在の意味における「機関」（engine）ではなく）誤り（異分析 ）であり、英語版Wiktionaryのengineerの記事でも「Sometimes erroneously linked with engine + -eer. 」としている[ 9]
後に民間の橋や建築物の建設技法が工学分野として円熟してくると、"civil engineering"[ 10] 土木工学 ）と呼ばれるようになった。これは "engine" が元々「兵器」を意味していたことから、軍事とは無関係の分野であることを示すために "civil"（市民）とつけたものである。
つまり、古くは "engineering" という語は military engineering 軍事技術 だけを意味していたことがある[ 6] 18世紀 以降は "civil engineering"（＝軍事以外の技術）が発展し、それ以来 "engineering" という言葉は、エネルギーや資源を利用しつつ便宜を得る技術一般[ 6]
近代的な「工学」と概念は上記のような経緯で形成されたわけであるが、そうした近代的な「工学」に合致するものを人類の歴史 を遡ってあらためて探してみると、すでに古代 にもそれは見つかる。古代の人々が滑車 や梃子 や車輪 といった基本的機構を発明したころから存在していたことになる。基本的な機械的（物理的）原理を利用して便利な道具やモノを作るという意味で、これらの発明も工学の現代的定義に合致しているのである。
アレクサンドリアの大灯台 、エジプト のピラミッド 、バビロンの空中庭園 、ギリシャ のアクロポリス とパルテノン神殿 、古代ローマ のローマ水道 やローマ街道 やコロッセオ 、マヤ文明 ・インカ帝国 ・アステカ のテオティワカン などの都市やピラミッド、万里の長城 などは、古代の工学の精巧さと技能を示している。
最古の名の知られている土木技術者としてイムホテプ がいる[ 10] ファラオ であるジェセル 王に仕え、紀元前2630年から2611年 ごろサッカラ でジェセル王のピラミッド （階段ピラミッド ）の設計と建設の監督をしたと見られている[ 11]
古代ギリシア では、民間用と軍事用の両方の分野で機械が開発された。アンティキティラ島の機械 は、既知の世界最古のアナログコンピュータ といわれており[ 12] [ 13] アルキメデス の発明した機械は初期の機械工学 の一例である。それらの機械には差動装置 または遊星歯車機構 の知識を必要とし、その2つの機械理論の重要な原理が産業革命 でのギアトレーン 設計を助け、今でもロボット工学 や自動車工学 といった様々な分野で広く使われている[ 14]
紀元前4世紀ごろのギリシアで投石機 が開発され[ 15] 三段櫂船 、バリスタ 、カタパルト といった複雑な機械式兵器が使われていた。中世にはトレビュシェット が開発されている。
レオナルド・ダ・ヴィンチ （1452 - 1519）の自画像。ルネサンス 期の人物。芸術家兼工学者の典型[ 16] 兵器 製造に関する技術や（国王の偉大さを示すための）彫像 の制作技術を身につけていることを売り込みつつ、彼らの庇護を得て、様々な活動を行った。建築物 の設計、（当時の "写真" とも言える）絵画 技法の探求、人体解剖 を行い、ヘリコプター の構想まで行った。ウィリアム・ギルバート は、1600年に De Magnete 電気 ）という言葉も史上初めて使ったということで電気工学 の祖とされている[ 17]
機械工学 の分野では、トーマス・セイヴァリ が1698年 に世界初の蒸気機関 を作った[ 18] 産業革命 をもたらし、大量生産 の時代が始まった。
18世紀には工学を専門とする専門職 が確立し、工学は数学や科学を応用する分野のみを指すようになっていった。同時にそれまで軍事と民間の工学とされていた分野に、それまで単なる技能とみなされていた機械製作も工学分野の一つとされるようになった。
産業革命 で大きな役目を果たしたワット の蒸気機関 は工学の重要性を示す歴史上の例である。電気工学 の発端は1800年代 のアレッサンドロ・ボルタ の実験であり、その後マイケル・ファラデー やゲオルク・オーム といった先駆者の実験を経て1872年 に電動機 が発明された。19世紀後半にはジェームズ・クラーク・マクスウェル とハインリヒ・ヘルツ の成果によって電子工学 の分野が始まった。その後の真空管 やトランジスタ の発明によって電子工学の発展が加速され、今では工学の中でも特に技術者の多い領域となっている[ 10]
トーマス・セイヴァリ とジェームズ・ワット の発明によって機械工学 の発展が促された。産業革命期に各種機械やその修理や保守のための道具が発達し、イギリスからさらに海外へと広まっていった[ 10]
化学工学 も産業革命 期の19世紀に機械工学と共に発展した[ 10] [ 10] [ 10]
航空工学 は航空機 の設計を扱う分野で、航空宇宙工学 はそれを宇宙船 の設計にまで広げた比較的新しい学問分野である[ 19] ジョージ・ケイリー の業績が起源とされている。初期の航空機は他の工学分野の概念や技法を取り入れつつ、大部分は経験主義的に発展していった[ 20]
ライト兄弟 が初飛行に成功してわずか10年後には航空工学が大いに発展し、第一次世界大戦 には軍用航空機が開発されるまでになった。一方で、理論物理学 と実験を結合することで科学的な基礎付けをする研究が行われていった。
工学の博士号 を最初に取得した人物は、イェール大学 のウィラード・ギブズ で、1863年 のことである。これは自然科学分野でもアメリカ合衆国で2人目の博士号である[ 21]
スペースシャトル の大気圏再突入の際の高速な空気の流れのコンピュータ・シミュレーション コンピュータ が工学に果たす役割は大きくなっている。工学についてコンピュータが支援を行う各種ソフトウェアが存在する。数理モデル の構築や、それに基づいた数値解析 もコンピュータを使用してなされている。
例えばCAD ソフトウェアは3次元モデルや2次元の設計図の作成を容易にする。CADを応用したデジタルモックアップ (DMU) や有限要素法 などを使ったCAE ソフトウェアを使えば、時間とコストのかかる物理的なプロトタイプ を作らなくともモデルを作成して解析を行うことができる。
コンピュータを利用することで、製品や部品の欠点を調べたり、部品同士のかみ合わせを調べたり、人間工学 的な面を研究したり、圧力・温度・電磁波・電流と電圧・デジタル論理レベル・流体の流れ・動きなどシステムの静的および動的特性を解析できる。これらの情報を総合的に関するソフトウェアとして製品情報管理 がある[ 22]
特定の工学分野のためのソフトウェアもある。例えば、CAM ソフトウェアはCNC 機械に与える命令列を生成する。生産工程を管理するソフトウェアとして工程管理システム (MPM) がある。EDA は半導体集積回路 やプリント基板 や電子回路の設計を支援する。間接材調達を管理するMRO (Maintenance, Repair and Operations) ソフトウェアなどもある。
近年では、製品開発に関わるソフトウェアの集合体として製品ライフサイクル管理 (PLM) ソフトウェアが使われている[ 23]
工学は本質的に社会や人間の行動に左右される。現代の製品や建設は必ず工学設計の影響を受けている。工学設計は環境・社会・経済に変化を及ぼす強力なツールであり、その応用には大きな責任が伴う。多くの工学系の学会は行動規約や倫理 規約を制定し、会員や社会にそれを周知させようとしている。
工学プロジェクトの中には論争となっているものもある。例えば、核兵器 開発、三峡ダム 建設、SUVの設計と使用、重油 抽出などである。これに対して、企業の社会的責任 について厳しい方針を設定している工学企業もある。
工学は人間開発の重要な駆動力の1つである[ 24] ミレニアム開発目標 の多くを達成するには、インフラストラクチャの開発と持続可能な技術的開発ができるだけの十分な工学的キャパシティを必要とする[ 25]
海外での開発や災害救助を行うNGO は技術者を多数抱えている。次のようないくつかの慈善団体が人類のために工学を役立てることを目指している。
科学者はあるがままの世界を
研究 し、技術者は見たこともない世界を
創造 する。
現代のタービン 。タービンが自然界にそのままあったわけではない。自然界に存在しなかったものを創造したわけである。また、その創造のために、様々な自然科学的な理論 を大いに活用するが、実際に用いるのはそうした純理論だけではない。経験則 も用いたおかげで、こうしたタービンも実現しているのである。 Fung らは古典的な工学教科書 Foundations of Solid Mechanics の改訂版の中で、次のように書いている。
工学は科学と全く異なる。科学者は自然 を理解 しようとする。技術者は自然界に存在しないものを作ろうとする。技術者は発明 を強調する。発明を具現化するには、アイデア を具体化し、人々が使える形で設計しなければならない。それは装置、道具、材質、技法、コンピュータプログラム、革新的な実験、問題の新たな解決策、既存の何かの改良である。設計は具体的でなければならず、形や寸法や数値が設定されていなければならない。新しい設計にとりかかると、技術者は必要な情報 が全て揃っているわけではないことに気づく。多くの場合、科学知識の不足によって情報が制限される。そこで技術者は数学や物理学や化学や生物学や力学を勉強する。そうして工学における必要性から関連する科学に知識を追加することも多い。こうしてengineering sciences(理工学 ) が生まれた。[ 26]
科学的手法 と工学的手法にはオーバーラップする部分がある。工学的手法は、科学的手法と、科学的に厳密には解明されていないが過去の同様の事例から確からしいと思われる経験則 を組み合わせたものである。しかし、いずれの手法もその基本は現象などの正確な観察である。観察結果を分析 し伝達するため、どちらも数学 や分類基準を使う。
Walter Vincenti は著書 What Engineers Know and How They Know It [ 27] 物理学 や化学 が基本的によく理解している分野を扱うが、問題自体は正確な方法で解くには複雑すぎる 。例えば、航空機における空気力学的流れをナビエ-ストークス方程式 の数値近似 で表したり、材料の疲労 損傷の計算にマイナー則 を使ったりする。また、工学では半ば経験則 的な手法もよく採用している。科学では考えられない特徴であり、例えばパラメータ変化法 がある。
「歴史的に見ると工学は理学 と相互に影響しながら発達してきたと言える。例えば、蒸気 機関の効率についての研究から熱 についての認識が深まっていった。熱についての理学的な研究が進められることによって冷却も可能になったと言える。 [要出典 」とも言う[誰? [いつ? 。
目的や方向性は異なるが、医学 と工学の一部の分野の共通部分として人体 の研究がある。医学 においては、必要ならテクノロジー を使ってでも人体 の機能を維持・強化し、場合によっては人体の一部を代替することも目指すことがある。
現代医学は既に一部の臓器の機能を人工のものと置換することを可能にしており、心臓ペースメーカー などがよく使われている[ 28] [ 29] 医用生体工学 は生体への人工物の埋め込みを専門とする領域である。
逆に人体を生物学的機械として研究対象とする工学分野もあり、テクノロジーによってその機能をエミュレート することを専門とする。それは例えば、人工知能 、ニューラルネットワーク 、ファジィ論理 、ロボット などである。工学と医学の学際的な領域もある[ 30] [ 31]
医学も工学も実世界における問題解決を目的としている。そのためには、現象をより厳密かつ科学的に理解する必要があり、実験や経験 的知識が必須となっている。
医学はその一部として人体の機能も研究する。人体を生体機械と捉えた場合 、工学的手法でモデル化 できる多数の機能を持っている[ 32]
例えば心臓 はポンプ によく似た機能を有し[ 33] 骨格 はてこ を繋げたような構造をしている[ 34] 脳 は電気信号 を発している[ 35] 医用生体工学 が生まれた。
システム生物学 のような新たな科学の分野は、システムのモデリングやコンピュータを利用した解析など工学で使われてきた解析手法を採用して、生命 を理解しようとするものである[ 32]
蒸気機関車 の設計図。工学をデザイン に適用することで、機能が強調され、数学と科学がデザインに生かされる。工学と芸術 の間にも関連がある[ 36] 建築 、造園 、インダストリアルデザイン といった分野はまさに工学と芸術の直接交わる部分である（大学では工学系の学部にも芸術系の学部にも関連する学科が存在する）。他にも間接的に関連する分野がある[ 36] [ 37] [ 38] [ 39]
シカゴ美術館 は、NASA の航空宇宙関連のデザインについての展覧会を開催したことがある[ 40] ロベール・マイヤール の設計した橋は芸術的と評されている[ 41] 南フロリダ大学 ではアメリカ国立科学財団 の支援を受けて、工学部に芸術と工学を組み合わせた学科を開設した[ 37] [ 42]
レオナルド・ダ・ヴィンチ はルネサンス 期の芸術家兼技術者として有名である[ 16]
政治学 に「工学」という言葉を導入した社会工学 や政治工学 は、工学の方法論や政治学の知識を利用し、政治構造や社会構造の形成を研究する。
工学の一覧 を参照
^
「
基礎科学…実用上の目的から独立し、真理の探究そのものが目的とされる。…しかし現実には基礎科学と応用科学の区別は絶対的なものではない。たとえば電子工学や薬の生産などでは、基礎研究の成果が密接に開発研究と結び付いている。そうした科学に直接基礎を置くいくつかの技術においては、基礎科学の成果は直接、応用科学の体系に組み込まれる。
」
^ Fung らの Foundations of Solid Mechanics の改訂版（古典的な工学教科書）に沿った解説。詳細は#科学 にて説明。
^ a b 「8大学工学部を中心とした 工学における教育プログラムに関する検討 」（PDFファイル ） 工学における教育プログラムに関する検討委員会、1998年5月8日。
^ a b c 平凡社『世界大百科事典』第2版【工学】
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