صفحة ١٩
انظر إلى بداية الدرس الثاني. القياس في التصميم الهندسي ليس مجرد رقم، بل هو أساس لتحديد حجم وشكل وموقع المكونات. لنفترض أنك تصمم جهازا ميكانيكيا؛ حينها تحتاج إلى أدوات دقيقة مثل المسطرة أو المقياس المعروف بالورنية، أو مستشعرات الحرارة التي تقيس التغير الحراري، أو خلايا الجمل التي تقيس الوزن، أو مستشعرات عزم الدوران. هذه الأدوات تُستخدم مع برامج التصميم بمساعدة الحاسوب لإنشاء نماذج دقيقة. الجدول هنا يقارن بين نظامين للوحدات: النظام الدولي الذي نستخدمه والمستعمل عالمياً، والنظام الأمريكي. انظر مثلاً إلى الطول: في النظام الدولي نقيس بالمتر والسنتيمتر والمليمتر، بينما في النظام الأمريكي بالبوصة والقدم. تظهر هذه الاختلافات أيضاً في الكتلة، حيث نستخدم الكيلوجرام والجرام مقابل الرطل. هذا الاختلاف بين الدول يفرض أحياناً استخدام نظام بعينه حسب طبيعة المشروع، فنجد النظام الدولي شائعاً في السعودية، بينما يُعتمد النظام الأمريكي في مجالات أخرى. انظر أسفل الصفحة، تجد صورة لأداة رقمية تستخدم لقياس الأبعاد بدقة بالغة.
صفحة ٢٠
المهندسون لا يتعاملون مع وحدات القياس بصورة مطلقة، بل يستخدمون مضاعفاتها ومجزئاتها. انظر إلى جدول المضاعفات والفرعيات: عندما تحتاج لقياس مسافات صغيرة جداً، فأنت لا تستخدم المتر بل المليمتر الذي يمثل عشرة أس سالب ثلاثة، أو النانومتر الذي يمثل عشرة أس سالب تسعة من المتر. أما في الجانب العملي، فالمهندسون يستعينون بالحواسيب والبرامج المتخصصة لإجراء الحسابات المعقدة. انظر إلى استخدام برامج تحليل العناصر المحدودة، فهي تتيح لك محاكاة استجابة الهياكل والمواد لمختلف الأحمال والظروف قبل تصنيعها فعلياً، مما يوفر الوقت ويضمن دقة الحسابات. لكن انتبه، استخدام الأدوات يتطلب حذراً، فعدم معايرة الميزان مثلاً قد يسبب خطأ قدره كيلوجرام واحد في سعة مئة كيلوجرام، وهو ما يمثل نسبة خطأ واحد بالمئة. جدول المزايا والاعتبارات يوضح لك أن استخدام قياسات دقيقة يضمن التوصيل المحكم للمكونات، لكنه يحتاج بالمقابل إلى اختيار وحدات دقيقة وتقييم نسبة الخطأ ومعايرة المعدات باستمرار.
صفحة ٢١
انظر إلى موضوع اختيار المواد في التصميم الهندسي. المواد ليست متساوية في خصائصها، واختيار المادة المناسبة هو الخطوة الأهم لتحديد أداء أي تطبيق. الجدول يوضح الاعتبارات الأساسية التي يضعها المهندس نصب عينيه. أولاً، الخصائص الميكانيكية مثل القوة والصلابة ومعامل المرونة وليونة المادة وقدرتها على تحمل الأثقال. ثانياً، الخصائص الفيزيائية مثل الكثافة ودرجة الانصهار والتمدد الحراري والخصائص الكهربائية والمغناطيسية التي تحدد ملاءمة المادة للبيئة المحيطة. ثالثاً، الخصائص الكيميائية مثل مقاومة التآكل وقابلية الاشتعال والتفاعل والسمية والتوافق الحيوي للاستخدام المباشر مع البشر. رابعاً، التكلفة المالية للشراء والمعالجة. خامساً، التوافر وسلسلة التوريد ووقت التسليم. سادساً، إعادة التدوير والأثر البيئي في نهاية عمر المادة الافتراضي. وأخيراً، الامتثال للمعايير واللوائح الخاصة بالسلامة والبيئة. كل اعتبار من هذه الاعتبارات يملك أيقونة توضيحية تعبر عنه بجلاء.
صفحة ٢٢
تعمق أكثر في الخصائص الميكانيكية للمواد من خلال الجدول الظاهر أمامك. انظر إلى معامل يونغ أو معامل المرونة، فهو مقياس يقاوم به الجسم التشوه المرن عند تعرضه للقوة. أما مقاومة الشد فهي تقيس مدى مقاومة المادة للانكسار حين تتعرض لقوة سحب، بينما تقاوم مقاومة الخضوع المادة عندما يبدأ فيها التشوه بصورة دائمة. إذا تعرضت المادة لدورات أحمال متكررة، فالعبرة هنا تكون بمقاومة الإجهاد. ولدينا أيضاً مقاومة القص ومقاومة الانضغاط لقياس التحمل تحت تأثير القوى المختلفة. أما المتانة فهي تقيس قدرة المادة على امتصاص الطاقة قبل أن تنكسر بالكامل، بينما الليونة تقيس قدرتها على التشكل بلا انكسار. وأخيراً الصلاكة التي تقيس مقاومة المادة للخدش. انظر إلى القاعدة الهندسية في الأسفل: إذا صممت مكوناً يتعرض لقوى سحب عالية، فالمادة ذات المقاومة المرتفعة هي الخيار الصحيح، بينما تحتاج المكونات الخاضعة لقوى ذات تأثير مرتفع إلى مواد عالية المتانة والليونة معاً.
صفحة ٢٣
ننتقل الآن إلى الخصائص الحرارية والمحتوى الكيميائي للمواد. الخصائص الحرارية تحدد كيف تتصرف المادة عند تعرضها لتغيرات درجات الحرارة. التوصيل الحراري يقيس قابلية المادة لنقل الحرارة، بينما الانتشار الحراري يقيس سرعة تغير درجات الحرارة داخلها. الحرارة النوعية هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة وحدة واحدة من كتلة المادة بمقدار درجة واحدة. والتمدد الحراري يعبر عن التغير في طول المادة أو حجمها بتغير حرارتها، إضافة إلى درجتي الانصهار والغليان. انظر إلى تطبيق المشتت الحراري في معالجات الحواسيب: المشتت يجب أن يتحمل درجات حرارة عالية دون أن يفقد كفاءته، لذا تُراعى لديه الخصائص الحرارية بدقة. أما الخصائص الكيميائية فتحدد سلوك المادة عند تعرضها لمواد أو بيئات مختلفة. مقاومة التآكل تعني قدرة المادة على مقاومة التلف عند تعرضها للهواء أو الماء، وقابلية الاشتعال تقيس قدرتها على الاحتراق، بينما التوافق الحيوي يحدد قدرتها على التفاعل مع الأنسجة الحية بلا ردود فعل سلبية.
صفحة ٢٤
تؤثر الخصائص الكهربائية والمغناطيسية للمواد بشكل مباشر على تطبيقاتها الهندسية. في الخصائص الكهربائية، الموصلية الكهربائية تقيس قدرة المادة على توصيل التيار، بينما المقاومة الكهربائية تعبر عن العكس تماماً. لدينا أيضاً ثابت العزل الكهربائي الذي يعبر عن مدى تأثير المادة العازلة في المجال الكهربائي، ومقاومة العزل الكهربائي التي تمثل أقصى مجال يمكن أن تتحمله المادة دون تلف، ومعامل تبديد الطاقة الذي يقيس نسبة الطاقة المفقودة في مادة عند مرور تيار متردد. هذه الخصائص حاسمة في تطبيقات الجهد العالي والاتصالات اللاسلكية. أما الخصائص المغناطيسية فتشمل المغنطة التي تقيس قدرة المادة على أن تصبح ممغنطة عند تعرضها لمجال، والقابلية المغناطيسية، والنفاذية المغناطيسية التي تعبر عن مدى استجابة المادة للمجال وسهولة مرور الفيض من خلالها، وأخيراً درجة حرارة كوري التي تفقد عندها المادة خصائصها المغناطيسية الدائمة بشكل نهائي.
صفحة ٢٥
انظر إلى تصنيف المواد المستخدمة في التصميم الهندسي. المواد ليست نوعاً واحداً، بل تنقسم إلى عدة فئات رئيسية تشمل المعادن، والبوليمرات، والسيراميك، والمواد المركبة. كل فئة تتميز بخصائص فريدة؛ فالمعادن تعرف بقوتها العالية ومتانتها، بينما تتميز البوليمرات بمرونتها وسهولة تشكيلها، ويعرف السيراميك بصلابته العالية ومقاومته للحرارة، وتُعرف المواد الطبيعية بمظهرها وملمسها. اختيار المادة المناسبة يتطلب فهماً شاملاً لخصائصها مع مراعاة متطلبات البيئة والسلامة والأداء والتكلفة. انظر إلى الصور التوضيحية الثلاث التي تمثل تصنيفات المواد ابتداءً من المعادن وصولاً للمواد المركبة. الجدول في الأسفل يفصل فئة المعادن، ويذكر أمثلة عليها كالحديد والفولاذ والألمنيوم والنحاس والتيتانيوم، ويبين تطبيقاتها في البناء والسيارات وتقنيات الفضاء والآلات والمعدات والأجهزة الطبية والأجهزة التعويضية.
صفحة ٢٦
نتابع تفاصيل تصنيفات المواد في الجداول العلوية. فئة البوليمرات تتميز بجزيئاتها طويلة السلسلة وقدرتها العالية على النمذجة، وتضم أمثلة كالبولي إيثيلين والبولي بروبيلين وكلوريد البولي فينيل المعروف بالبي في سي، وتُستخدم في التعبئة والتغليف والسيارات والأجهزة الطبية والإلكترونيات. أما السيراميك فيتميز بصلابته العالية ومقاومته للكهرباء والحرارة، ومن أمثلته أكسيد الألمنيوم وكربيد السيليكون ونيتريد السيليكون، ويُستخدم في أدوات القطع وقطع غيار السيارات والسراميك الحديث. بينما تتكون المواد المركبة من مادتين أو أكثر لإنشاء مادة جديدة بخصائص محسنة، مثل الألاف الزجاجية والألياف الكربونية وألياف كيفلار، وتُستخدم في تقنيات الفضاء وصناعة السيارات والأجهزة الرياضية ومواد البناء وشفرات تورينات الرياح. انظر في الأسفل إلى صورة برج الساعة في مكة المكرمة كمثال واقعي يجمع بين الحجر الجيري الطبيعي والزجاج الشفاف الذي يسمح بدخول الضوء الطبيعي.
صفحة ٢٧
هذه صفحة تمرينات. المطلوب في التمارين الأولى هو تحديد الجمل الصحيحة والجمل الخاطئة فيما يخص وحدات القياس وخصائص المواد. اقرأ كل جملة بعناية، وفكر في المعلومات التي درستها حول وحدات القوة كالقدرة الحصانية، ومعاملات الشد والضغط، وخصائص السيراميك والمواد المركبة، ثم ضع إشارتك في خانة صحيحة أو خاطئة. في التمرين الثاني، يطلب منك ذكر وحدتي قياس لكل نوع من الوحدات الأساسية التي تمر معنا في جداول القياس كالطول والكتلة والوقت، فاسترجع ما تعلمته عن النظام الدولي والنظام الأمريكي وضع إجابتك على الأسطر المخصصة لذلك.
صفحة ٢٨
نتابع حل التمرينات في هذه الصفحة. السؤال الثالث يطلب منك توضيح سبب عدم استخدام المشاريع الهندسية المختلفة لوحدة القياس نفسها، وفكر هنا في اختلاف طبيعة التطبيقات والدول ومعايير النظام الدولي والنظام الأمريكي وأهمية ملاءمة الوحدة لسياق المشكلة. أما السؤال الرابع فيطلب منك ذكر ثلاث مزايا وثلاث اعتبارات يجب أخذها بالاعتبار عند استخدام قياسات دقيقة في مشاريع التصميم الهندسي، وتذكر هنا ما درسناه حول ضمان التوصيل المحكم للمكونات وتقييم نسبة الخطأ ومعايرة المعدات وتجنب الأخطاء التي قد تؤثر على نجاح المشروع.
صفحة ٢٩
هنا مزيد من التمرينات الهندسية. السؤال الخامس يطلب منك تصنيف الاعتبارات الأكثر شيوعاً عند اختيار المواد لمشروع التصميم الهندسي، فاستحضر قائمة الاعتبارات التي تشمل الخصائص الميكانيكية والفيزيائية والكيميائية والتكلفة والتوافر والأثر البيئي والمعايير. أما السؤال السادس فيطلب منك تحديد الفرق بين متانة المادة وليونتها، فتذكر أن المتانة تعبير عن قدرة المادة على امتصاص الطاقة قبل الانكسار، بينما الليونة تعبير عن قدرتها على التشكل بلا انكسار، واكتب هذا الفرق بوضوح على الأسطر المخططة.
صفحة ٣٠
الصفحة الأخيرة من التمرينات تضم ثلاثة أسئلة ختامية. السؤال السابع يطلب منك التمييز بين سمية المادة والتوافق الحيوي مع شرح سبب أهميتهما، فتذكر أن السمية تتعلق بتسبب المادة في ضرر أو إصابة للكائنات الحية بينما التوافق الحيوي يتعلق بالتوافق مع الأنسجة الحية بلا ردود فعل سلبية. السؤال الثامن يسأل عن متى يتم أخذ مقاومة العزل الكهربائي ومعامل تبديد الطاقة في الاعتبار عند اختيار المادة، وفكر هنا في التطبيقات التي تتعامل مع الجهود العالية والاتصالات اللاسلكية. وأخيراً، السؤال التاسع يطلب منك كتابة ثلاثة تصنيفات من المواد، مع تقديم وصف لكل منها وذكر بعض الأمثلة والتطبيقات، فاسترجع تصنيفات المعادن والبوليمرات والسيراميك والمواد المركبة لتدون إجابتك بصورة شاملة.
