القياسات والمواد | الوحدة الأولى | الدرس الثاني
القياسات والمواد هو عنوان الدرس الثاني من الوحدة الأولى التي تحمل اسم “مبادئ التصميم الهندسي” من مقرر “التصميم الهندسي”.
سنتعرف في موضوع “القياسات والمواد” على وحدات القياس الشائعة في التصميم الهندسي واستخداماتها، وتمييز الفرق بين مواد التصميم الهندسي، والاعتبارات المتخذة عند اختيار هذه المواد وتمييز خصائصها المختلفة، وغيرهم.
لذا قم بقراءة نواتج التعلُّم جيدًا، واحرص على إعادة قراءتها والتأكُّد من تحصيل محتوياتها بعد انتهائك من دراسة الموضوع.
نواتج التعلُّم
- معرفة وحدات القياس الشائعة في التصميم الهندسي، واستخداماتها.
- تمييز الفرق بين مواد التصميم الهندسي.
- تحديد الاعتبارات المتخذة عند اختيار مواد التصميم الهندسي.
- وصف خصائص المواد ووظائفها الميكانيكية، الحرارية، الكيميائية، الكهربائية، والمغناطيسية.
- تحديد المواد المُستخدَمة في التصميم الهندسي.
هيا لنبدأ!
مقدمة في القياسات في التصميم الهندسي (Introduction to Measurements in Engineering Design)
تُحدِّد القياسات في التصميم الهندسي حجم وشكل وموقع المُكوِّنات والأنظمة، ويتم إجراء هذه القياسات عادةً باستخدام أدوات متخصصة، مثل:
- المساطر.
- المسماك (Calipers).
- المُستشعرات الحرارية (Thermocouples).
- أجهزة قياس الضغط (Pressure Gauges).
- خلايا قياس الحمل (Load Cells).
- مُستشعرات عزم الدوران (Torque Sensors).
بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسب (CAD) لإنشاء نماذج مُنفصلة ومحاكاة الأنظمة الهندسية، والتي يُمكِن استخدامها لتحليل الأداء وتحسينه.
نستعرض من خلال الجدول التالي وحدات القياس شائعة الاستخدام في الهندسة، سواء في النظام الدولي أو النظام الأمريكي:
لاحظ أن
يختلف استخدام الوحدات بين الدول والصناعات المختلفة حول العالم، حيث إن بعض الوحدات أكثر ملاءمة لتطبيق مُعيَّن دون غيره، فعلي سبيل المثال، يتم اعتماد النظام الدولي للوحدات (SI Units) على نطاق واسع في العديد من المناطق في جميع أنحاء العالم – بما فيها المملكة العربية السعودية -، بينما يتم اعتماد النظام الأمريكي للوحدات (US Units) في الولايات المتحدة الأمريكية.
يُمكِن لسياق المشكلة أو التطبيق تحديد الوحدة الأمثل للاستخدام، فعلى سبيل المثال، تُستخدَم الدرجة المئوية بشكلٍ أكثر شيوعًا لقياس درجة الحرارة في الأجهزة الإلكترونية، وذلك مقارنةً بالفهرنهايت.
يُمكِنك التعرُّف على المزيد من المعلومات النظام الدولي للوحدات من خلال الرابط التالي:
نظام الوحدات الدولي – ويكيبيديا
عند التعامل بوحدات القياس، لا يستخدم المستخدمون وحدات القياس بصورة مستقلة؛ بل يستخدمون مضاعفاتها الرئيسة والفرعية، فعلى سبيل المثال، تُستخدَم وحدات المليمتر أو النانومتر لقياس المسافات الصغيرة نسبيًا.
نستعرض من خلال الجدول التالي المضاعفات الرئيسة والفرعية في النظام الدولي للوحدات:
استخدام القياسات في التصميم الهندسي (Using Measurements in Engineering Design)
يستخدم المهندسون مجموعة من الحسابات اليدوية والبرامج الحاسوبية المُتخصصة لإجراء القياسات والعمليات الحسابية في عملية التصميم، وعلى الرغم من أنه يُمكِن إجراء بعض الحسابات يدويًا؛ إلّا أن العديد منها يتَّسم بالتعقيد ويتطلب أدوات برمجية مُتخصصة لتنفيذها بكفاءة ودقّة.
على سبيل المثال، تُستخدم برامج التصميم بمساعدة الحاسب (CAD) على نطاق واسع في الهندسة؛ لإنشاء نماذج تفصيلية ومحاكاة الأنظمة الهندسية، والتي يُمكِن استخدامها لتحليل أدائها وتحسينه، كما يُستخدم برنامج تحليل العناصر المحدودة (Finite Elements Analysis – FEA) على نطاق واسع لمحاكاة استجابة الهياكل والموا لمختلَف الأحمال والظروف.
يُمكِن لأدوات البرامج هذه أتمتة العديد من العمليات الحسابية، وتوفير رسومات للأنظمة المعقدة، وإجراء عمليات محاكاة لمساعدة المهندسين على تحسين تصميم مُنتَج أو نظام، ويعتمد المهندسون على هذه الأدوات لإجراء حسابات دقيقة وفعَّالة، حيث يُعدُّ ذلك أمرًا بالغ الأهمية لعملية التصميم.
تجدُر الإشارة إلى أن استخدام قياسات دقيقة وثابتة ومُحدَّدة يُعدُّ جانبًا مهمًا من جوانب التصميم؛ لأثره الكبير على نجاح المشروع أو المُنتَج، ومع ذلك يجب مراعاة بعض الاعتبارات عند التعامل مع القياسات، مثل: أخطاء القياس وعدم التأكُّد من معايرة الأدوات قبل استخدامها في القياسات، وتداخُلات الظروف البيئية وتأثيرها على عمليات القياس، حيث يجب على المهندسين الانتباه إلى هذه الاعتبارات واستخدام الأدوات والتقنيات المناسبة لضمان الحصول على قياسات دقيقة وموثوقة، فعلى سبيل المثال، الميزان المنزلي ذو سعة 100 كجم ونسبة خطأ 1% قد يُعطي قراءة خاطئة للوزن بمقدار 1 كجم.
نستعرض من خلال الجدول التالي مزايا واعتبارات استخدام قياسات دقيقة:
مقدمة في مواد التصميم الهندسي (Introduction to Materials in Engineering Design)
تلعب خصائص المواد دورًا خاصًا ومهمًا في التصميم الهندسي، ويتمثل ذلك في تحديد أداء وملاءمة مادة معينة لتطبيق معين، ويُعدُّ اختيار المواد خطوة حاسمة في التصميم الهندسي؛ حيث يأخذ المهندسون في الاعتبار خصائص المواد لتحديد أفضلها للتطبيق وللتصميم المُعينَين.
نستعرض في الجدول التالي الاعتبارات الأكثر شيوعًا للمهندسين عند اختيارهم لمواد المشاريع:
أنواع خصائص المواد (Types of Material Properties)
الخصائص الميكانيكية
تُحدِّد الخصائص الميكانيكية سلوك المادة عند تعرُضها لقوى خارجية.
نستعرض في الجدول التالي الخصائص الميكانيكية الأكثر شيوعًا للمواد المُستخدَمة في التصميم الهندسي:
يجب على المهندسين معاينة هذه الخصائص واختيار المادة ذات الخصائص الميكانيكية المناسبة للتطبيق المُحدَّد.
على سبيل المثال، تُعدُّ المادة ذات المقاومة المرتفعة للشدّ والخضوع مناسبة للمُكوِّنات التي تتعرض لقوى سحب عالية، على الجانب الآخر تُعدُّ المادة عالية المتانة والليونة أكثر ملاءمة للمُكوِّنات الخاضعة لقوى ذات تأثير مرتفع، كما تُعدُّ خاصية الصلابة مهمة للمواد التي تكون عُرضةً للتآكل والتلف. يضمن اختيار الخصائص الميكانيكية الصحيحة تمتع مكوِّنات التصميم بالقوة والمتانة والاعتمادية لتعمل بشكلٍ فعّال لمدة طويلة.
يُمكنِك مراجعة الجزء السابق من موضوع “القياسات والمواد” من خلال الرابط التالي:
الخصائص الحرارية
هي مجموعة من الصفات التي تُحدِّد سلوك المادة عند تعرضها للتغيرات في درجة الحرارة، وتشمل هذه الخصائص: التوصيل الحراري، الانتشار الحراري، الحرارة النوعية، التمدد الحراري، ودرجات الانصهار والغليان، ومن المهم أخذ هذه الخصائص بالاعتبار في التصميم الهندسي، وذلك لتأثيرها الكبير على أداء وملاءمة مادة ما لتطبيق مُعيَّن.
نستعرض في الجدول التالي الخصائص الحرارية الأكثر شيوعًا للمواد المُستخدَمة في التصميم الهندسي:
تبرز أهمية هذه الخصائص عند استخدام المواد في بيئات ذات درجة حرارة عالية أو لأغراض العزل الحراري.
على سبيل المثال، عند تصميم المُشتت الحراري (Heat Sink) لمعالج الحاسب يُعدُّ كلٌّ من التوصيل الحراري والحرارة النوعية والتمدد الحراري من الخصائص المهمة التي يجب مراعاتها لأهميتها، كما تُعدُّ درجتا الانصهار والغليان مهمتين أيضًا؛ لأن المُشتت الحراري يجب أن يتحمل درجات حرارة عالية دون أن يفقد كفاءته.
الخصائص الكيميائية
تُحدِّد الخصائص الكيميائية سلوك المادة عند تعرُّضها لمواد كيميائية أو بيئات مختلفة.
نستعرض في الجدول التالي الخصائص الكيميائية الأكثر شيوعًا للمواد المستخدمة في التصميم الهندسي:
يكون اختيار المواد أمرًا بالغ الأهمية في التطبيقات التي تُستخدَم فيها مواد تكون على تلامس مع الإنسان أو البيئة المحيطة به، كما أن خصائص هذه المواد مهمة أيضًا في تصنيع المواد والتخلُّص منها أو إعادة تدويرها.
الخصائص الكهربائية
تُحدِّد الخصائص الكهربائية سلوك المادة عند تعرضها لمجال كهربائي.
نستعرض في الجدول التالي الخصائص الكهربائية الأكثر شيوعًا للمواد المُستخدَمة في التصميم الهندسي:
تُعدُّ خصائص الموصلية الكهربائية والمقاومة وثابت العزل الكهربائي مهمة في تحديد الأداء الكهربائي للمادة، كما تُعدُّ مقاومة العزل الكهربائي مهمة في تحديد ملاءمة المادة لتطبيقات الجهد العالي للكهرباء، كما يلعب مقدار معامل تبديد الطاقة دورًا هامًا في تحديد ملاءمة المادة لتطبيقات الاتصالات اللاسلكية.
الخصائص المغناطيسية
تُحدِّد الخصائص المغناطيسية سلوك المادة عند تعرضها لمجال مغناطيسي.
نستعرض في الجدول التالي الخصائص المغناطيسية الأكثر شيوعًا للمواد المُستخدَمة في التصميم الهندسي:
يتم أخذ هذه الخصائص في الاعتبار في التطبيقات التي يتم فيها استخدام المواد في المجالات المغناطيسية أو الأجهزة الكهرومغناطيسية كالمحركات والمولدات والمحولات، كما تُعدُّ خصائص المغنطة، القابلية المغناطيسية، النفاذية المغناطيسية، والتوصيل الكهربائي جميعها مهمة في تحديد الأداء المغناطيسي للمادة، كذلك تُعدُّ درجة حرارة كوري مهمة في تحديد مدى ملاءمة المادة لتطبيقات درجات الحرارة العالية.
المواد المُستخدَمة في التصميم الهندسي (Materials Used in Engineering Design)
يُمكِن تصنيف المواد على نطاق واسع إلى عدة تصنيفات، هي: المعادن، البوليمرات، السيراميك، المواد المركّبة، والمواد الطبيعية.
يوجد لكل فئة مجموعة فريدة من الخصائص والمزايا والقيود التي يجب مراعاتها عند اختيار مادة ما لتطبيق مُعيَّن.
على سبيل المثال، تُعرف المعادن بقوتها العالية ومتانتها، بينما تُعرف البوليمرات بمرونتها وسهولة تشكيلها، على جانب آخر يُعرف السيراميك بصلابته العالية ومقاومته الحرارية، بينما تُعرف المواد الطبيعية بمظهرها وملمسها الطبيعي.
يُعدُّ اختيار مادة ما لتطبيق مُعيَّن خطوة حاسمة في التصميم الهندسي؛ مما يتطلب فهمًا شاملًا لخصائص المواد المختلفة وسلوكها، ويجب على المهندسين مراعاة متطلبات البيئة والسلامة والأداء للمُنتَج أو الهيكل، كذلك تكلفة المواد وتوافرها لاتّخاذ قرار صحيح.
نستعرض في الجدول التالي تصنيفات المواد المُستخدَمة في التصميم الهندسي:
يُمكِنك مراجعة محتوى موضوع “القياسات والمواد” بالكامل من خلال الرابط التالي:
اختبر تحصيلك لمحتوى الموضوع من خلال الرابط التالي:
الواجب الإلكتروني
إلى هنا يكون قد انتهى موضوع “القياسات والمواد“، لا تنسوا مراجعة نواتج التعلُّم أعلى المقال، وانتظرونا في الموضوع القادم!