"هذه الصناعة تسمى باليونانية: جومطرياً، وهي صناعة المساحة. وأما الهندسة، فكلمة فارسية معربة، وفي الفارسية: إندازة، أي المقاديرالهندسة التطبيقية بجميع فروعهاالآن نبدأ بالتعريف
هندسة ميكاترونيات:
المصطلح
ميكاترونس (
بالإنجليزية:
Mechatronics) يستعمل للدلالة على حقل
هندسي واسع و متشعب جدا، وهي
الهندسة التي تجمع بين
الهندسة الميكانيكية والهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب وأيضاً
هندسة الإلكترونيات، و يتطور بصورة مذهلة من يوم إلى آخر. هذا المجال من الهندسة يتضمن تصميم أي منتوج (product) عمله يعتمد على دمج أنظمة ميكانيكية و إلكترونية، يقوم بدور المنسق فيها منظومة تحكم (control system).
تاريخهاكلمة ميكاترونكس ظهرت لأول مرة في
اليابان في اواخر الستينات و استعملت بعدها في
أوروبا قبل أن تنتشر في كل انحاء العالم. و تصميم اية منظومة ميكاترونية يتطلب هندسة الميكانيك، الإلكترونيات، التحكم (control)، و هندسة الكومبيوتر بشكل أساسي. فمهندس الميكاترونكس يجب أن يكون قادرا على تصميم و استعمال الدارات الإلكترونية
التماثلي و
الرقمي ( Analog and digital circuits)، المعالج المصغر(microprocessors)، الآلات الميكانيكية، حساسات (مجسات) (sensors)، محركات (actuators)، و أنظمة التحكم كي يكون قادرا على الوصول إلى الأهداف المرجوة من تصميمه.
المنظومات الميكاترونية تدعى أحيانا بالأجهزة الذكية، لأنها يفترض ان تحاكي طريقة التفكير البشرية. اليوم، دخلت الميكاترونكس إلى كل الأجهزة تقريبا. فهي ليست مختصة بالروبوتات أو المصانع فقط. مثلا نجدها في الطيار الالي ونجد هذا واضحا في طيارة إيرباص Air Bus A380 الجديدة، إن الميكاترونيكس هي المستقبل بعينه ، وهي كما قال دافور هاروفات متخصص فني في معمل فورد للبحوث "إن ميكاترونيكس هي خليط من التكنولوجيا والأساليب ، فبهما نساعد في الحصول على منتج أفضل ". ، كما في بخاخ السيارة الالكترني (electronic fuel injection system)، و مكابح ال ABS في السيارات في الأدوات المنزلية كالغسالة الاوتوماتيكيه و حتى بعض ألعاب الأطفال.
تطبيقاتهاتطبيقات هندسة الميكاترونكس كالتالي:
- الأتمته، وهي جزء من الروبوتيات
- المحركات التي تتحرك بمقدار وزاويه معين (Servo-mechanics )
- نظم التحكم عن بعد
- السيارات والهندسة ، في تصميم النظم الفرعية مثل مكافحة قفل أنظمة الكبح
- هندسة الحاسوب ، وتصميم آليات مثل اقراص الكمبيوتر
هندسة حيوية:
الهندسة الحيوية Biological engineering (يطلق عليها أيضا اسم
هندسة الأنظمة الحيوية(
بالإنجليزية: Biosystems engineering) ) تخصص علمي جديد يتعامل مع هندسة العلميات الحيوية بشكل عام. فهو
هندسة تطبيقية واسعة الأساس يمكن ان تشمل تصميم منتجات ، تحسس و تحليل النظمة الحيوية.
بشكل عام المهندسون الحيويون يتعاملون مع الحقول الطبية أو الزراعية ( انظر
هندسة طبية حيوية و
هندسة زراعية ).
هندسة ميكانيكية
الهندسة الميكانيكية هي فرع من فروع
الهندسة يهتم بتصميم، وتصنيع، وتشغيل، وتطوير
الآلات أو الأجهزة المستخدمة في مختلف قطاعات النشاطات الاقتصادية
[1]. وبتعريف
الموسوعة البريطانية فإن الهندسة الميكانيكية هي فرع من فروع
الهندسة يهتم بالتصميم، وبالتصنيع، وبالتركيب، وتشغيل المحركات، والآلات، وعمليات التصنيع. وهي مهتمة بشكل خاص بالقوى والحركة
[2]. وهو علم يهتم بدراسة الطاقة بكافة صورها و تأثيرها على الأجسام. و هو تخصص واسع له علاقة بكل مجالات الحياة. فالهندسة الميكانيكية تستخدم مثلا في صناعة الفضاء، والطيران، وفي الإنتاج، وتحويل الطاقة، وميكانيكا الأبنية، وفي النقل، وفي
النمذجة والمحاكاة المعلوماتية.
//
تاريخإن
اختراع المحرك البخاري في الجزء الأخير من
القرن الثامن عشر، أعطى مفتاحًا لمصدر الطاقة
للثورة الصناعية، ودافعًا كبيرًا لتطوير
الآلة بجميع أشكالها. وبالنتيجة، تطور صنف جديد هام في الهندسة يتناول الأدوات والآلات المتطورة، وتلقت اعترافًا رسميًا بها في عام
1847 بتأسيس مؤسسة المهندسين الميكانيكيين في
برمنغهام.
نشأت الهندسة الميكانيكية نتيجة الممارسة ومبدأ المحاولة والخطأ من قبل مهندسين مختصين وبطرق علمية في البحث، والتصميم، والإنتاج. وقد كان الطلب الدائم على
الكفاءة سبب في الارتفاع المتزايد لنوعية العمل المطلوب من
المهندس الميكانيكي مما يتطلب درجة عالية من التعلم والمهارة.
التعليمشهادات الهندسة الميكانيكية تمنح من جامعات عديدة حول العالم، وعادة ما يكون نظام دراسة الهندسة الميكانيكية من أربع إلى خمس سنوات ويمنح في نهاية الدراسة بكالوريوس علوم أو بكالوريوس تكنولوجيا أو بكالوريوس هندسة أو بكالوريوس هندسة تطبيقية.
العلوم الأساسية لمهندس الميكانيكاوينبغي على مهندس الميكانيكا أن يكون مدركا وقادرا على التعامل مع القواعد الأساسية لعلوم
الكيمياء والكهرباء والفيزياء الهندسية، وتحتوي معظم دراسات الهندسة الميكانيكية على دراسة
الرياضيات والرياضيات المتقدمة وخاصة
المعادلات التفاضلية والجزئية والخطية.
الأدوات الحديثة لمهندس الميكانيكاالعديد من شركات الهندسة الميكانيكية أدرجت أنظمة هندسية مساعدة باستخدام
الحاسب الآلي لعمليات التصميم والتحليل الخاصة بها, وتشمل هذه النظم الرسم الثنائي والثلاثي الأبعاد لنماذجها، وهذه الطريقة لها العديد من المزايا منها تسهيل وتفسير تصور المنتج وإمكانية إجراء تجميع للأجزاء بسهولة وحساب السماحيات المطلوبة والتداخل الواجب توافره قبل بدء عملية التصنيع.
وظائف الهندسة الميكانيكيةهناك أربع وظائف للمهندس الميكانيكي، وهي مشتركة في جميع فروع الهندسة الميكانيكية:
- الوظيفة الأولى هي فهم وإدراك المبادئ الأساسية للعلوم المكيانيكية، وهي تشمل الديناميكا ( وهي العلاقة بين القوى والحركة، مثل الاهتزازات، والتحكم الآلي)، والديناميكا الحرارية (تتعامل مع العلاقات بين الأشكال المختلفة للحرارة، والطاقة، والقدرة، وجريان الموائع، والتشحيم والتزليق، وخواص المواد).
- الوظيفة الثانية هي سلسلة البحث والتصميم والتطوير، وهذه الوظيفة تحاول إحداث التغييرات اللازمة لتلبي احتياجات الحاضر والمستقبل، وهذا العمل يتطلب فهم واضح للعلوم الميكانيكية، والقدرة على تحليل النظم المعقدة إلى عناصر بسيطة، والابتكار في التأليف والاختراع.
- الوظيفة الثالثة هي إنتاج المنتجات، وتشمل التخطيط والتشغيل والصيانة، والهدف هو إنتاج أعظم قيمة بأصغر تكلفة، وأقل توظيف للأموال، مع المحافظة أو تعزيز ديمومة أو مكانة الشركة.
- الوظيفة الرابعة وهي وظيفة مهمة لمهندس الميكانيكا وتشمل الإدارة، وفي بعض الأحيان التسويق.
هناك نزعة دائمة في هذه الوظائف لاستخدام الطرق العلمية بدلا من الطرق التقليدية أو الحدسية، وتعتبر
بحوث العمليات،
وهندسة القيمة (Value engineering)، وتحليل المسائل بالأسلوب المنطقي (PABLA Problem analysis by logical approach) عناوين أساسية لهذه الأساليب.
وتعتبر الهندسة الميكانيكية من أهم مجالات الهندسة في العالم أجمع وذلك لاعتماد الصناعة عليها بصورة كلية.
علم الحركة أو الكينماتيكا
Kinematics (بالإغريقية
κινειν,
kinein, أي يتحرك أو حركة) هو أحد فروع
علم الميكانيك الذي يصف
مفهوم الحركة الفيزيائي للأجسام بدون أي اعتبار
للكتل أو
القوى التي تسبب الحركة. بالتالي هو عكس
علم التحريك أو الديناميكا dynamics الذي يهتم بالقوى و
التآثرات التي تنتج أو تؤثر على الحركة.
يدرس علم الحركة كيف يتغير موقع الجسم مع الزمن . يتم قياس الموقع بالنسبة لمجموعة
إحداثيات coordinate. أما
السرعة فهي معدل تغير الموقع (بالنسبة للزمن طبعا).
التسارع هو معدل تغير السرعة. تعتبر السرعة و التسارع الكميتين الرئيسيتين اللتين يصفان كيفية تغير الموقع مع الزمن
.
علم السكون (الإستاتيكا) هو فرع من
الميكانيكا يهتم بدراسة وتحليل الأحمال (مثل
القوى،
وعزوم الفتل والدوران) في الأنظمة الفيزيائية في حالة
التوازن السكوني، وهي الحالة التي لا تتغير فيها أماكن أجزاء النظام بمرور الوقت، أو أن عناصر النظام ذات سرعة ثابتة. ففي حالة التوازن السكوني، يكون النظام إما ساكنا أو يكون مركز ثقله متحركا بسرعة ثابتة. ودراسة الأجسام المتحركة تسمى
بالديناميكا. يستخدم علم السكون بصورة أساسية في
الهندسة الإنشائية وفي علوم و تطبيقات
الهندسة الميكانيكية.
وبحسب
القانون الأول لنيوتن، فإن هذا الوضع يفرض أن القوة الصافية والعزم الصافي (يسمى أيضا بعزم القوة) على أي جسم في النظام مساوية للصفر. ووفق هذا القانون يمكن إهمال بعض القوى مثل
الإجهادات الداخلية
والضغط. إذن، مجموع القوى الصافية مساوية للصفر يسمى
الشرط الأول للتوازن، ومجموع العزوم الصافية مساوي للصفر يسمى
الشرط الثاني للتوازن.
الاتزانالقوانين التي تحكم الحركة والسكون هي القوانين المعروفة باسم
نيوتن والقانونان الأول و الثالث لهما التحكم المطلق في دراسة الإستاتيكا. و بما أن المبدأ الأساسي لعلم الإستاتيكا هو الإتزان، وحسب القانون الأول لنيوتن فإنه إذا تلاشت محصلة القوى المؤثرة على جسم فإنه يسير بسرعة منتظمة أي أن تسارعه يساوي الصفر. وعلى هذا يجوز لنا أن نقول أن الجسم متزن. و ينطبق القول أيضا على الجسم الذي تساوي سرعته صفراً. فنجد أن خاصية الإتزان لها وجهان : الأول تلاشي محصلة القوى
المؤثرة على الجسم والثاني أن تكون السرعة منتظمة أو تساوي صفراً.
في
الفيزياء عامة وفي
ميكانيكا كلاسيكية خاصة يقوم
علم التحريك أو
التحريكيات[1] أو
الحركيات[1] أو
الديناميكا (
بالإنكليزية: Dynamics) بدراسة العلاقة بين العوامل الخارجية المؤثرة على
جملة مثل أنواع
القوى المختلفة و حركة هذه الجملة. يشكل
الديناميك فرعا واسعا من علم الميكانيك له العديد من التطبيقات
.
الميكانيك الهاميلتوني Hamiltonian mechanics هو إعادة صياغة
للميكانيك الكلاسيكي تم إيجاده من قبل
ويليام روان هاميلتون عام
1833. نشأ ميكانيك هاميلتون من
ميكانيك لاغرانج ، وهو صياغة أخرى للميكانيك الكلاسيكي أوجده
جوزيف لويس لاغرانج Joseph Louis Lagrange عام
1788. لكن بجميع الحوال يمكن استقاق ميكانيك هاملتون دون الرجوع لميكانيك لاغرانج باستخدام
الفضاءات السمبلكتية symplectic spaces.
[عدل] إعادة صياغة ميكانيك لاغرانجاعتمادا على
ميكانيك لاغرانج ، تكون
معادلات الحركة المستندة على
الإحداثيات المعممة والتي تطابق السرعات :
يمكن لنا كتابة
اللاغرانجي يهدف ميكانيك الهاميلتوني إلى استبدال متغيرات السرعة المعممة بمتغيرات العزم المعممة أو ما يدعى بالعزم المقترن أو المقابل (conjugate) :
من أجل كل سرعة معممة هناك ما يقابلها من العزم المقترن الذي يكتب كما يلي :
في جملة
إحداثيات ديكارتية, العزم المعمم هو بالضبط العزم الفيزيائي الخطي . أما في جملة إحداثيات قطبية فإن العزم المعمم المقابل للسرعة الزاوية يصبح العزم الزاوي ، في جملة احداثية افتراضية توجد صياغات أخرى لإيجاد العزم المعمم .
الهاميلتوني هو عبارة :
إذا كانت معادلات التحويل المعرفة للإحداثيات المعممة مستقلة عن الزمن
t ، فيمكن أن نقول ان الهاميلتوني
H مساو للطاقة الكلية
E =
T +
V.
كل طرف من تعريف الهاميلتوني of
H ينتج تفاضلا :
باستبدال التعريف السابق للعزم المقترن ضمن المعادلة ومطابقة معاملات المعدلة ، نستخرج قوانين الحركة في الميكانيك الهاميلتوني
معادلات هاميلتون تشكل
معادلات تفاضلية من المرتبة الأولى ، لذا هي أسهل حلا من معادلات لاغرانج التي تعطي معادلات تفاضلية من المرتبة الثانية. لكن العمليات التي تقود إلى معادلات الحركة أكثر صعوبة فبداية علينا البدء من الإحداثيات المعممة وميكانيك لاغرانج لنقوم بتشكيل الهاميلتوني ، ثم علينا تحويل كل قيمة لسرعة معممة إلى عزم مقترن ، لنقوم بعد ذلك باستبدال السرع المعممة في الهاميلتوني بقيم العزم المقترن.
ميكانيك لاغرانج Lagrangian mechanics عبارة عن إعادة صياغة
للمكيانيك الكلاسيكي قدمه
جوزيف لويس لاغرانج عام
1788. في ميكانيك لاغرانج ، مسار الجسم يشتق بإيجاد المسلك الذي يقلل
الفعل action ، وهو مقدار يعتبر
تكامل لكمية ندعوها
لاغرانجي Lagrangian على الزمن . اللاغرانجي بالنسبة للميكانيك الكلاسيكي يعتبر الفرق بين
الطاقة الحركية والطاقة الكامنة .
هذا الموضوع يبسط بصورة كبيرة الكثير من المسائل الفيزيائية . مثلا كرة صغيرة في حلقة . إذا قمنا بالحساب على أساس
الميكانيك النيوتني ، سيحصل المرء على مجموعة معقدة من المعادلات التي ستأخذ بعين الاعتبار القوى التي تؤثر بها الدوامة على الكرية في كل لحظة .
نفس هذه المسألة تصبح أسها باستخدام ميكانيك لاغرانج . حيث ينظر المرء إلى جميع الحركات الممكنة التي تقوم بها الكرية على الدوامة ويجد رياضيا الحركة التي تقلل الفعل إلى أدنى حد . بالتالي يكون لدينا عدد أقل من المعادلات لأنها لا تمثل حسابا مباشرا لتأثير الدوامة على الكرية عند كل لحظة .
[عدل] معادلات لاغرانجلنعتبر جسيما مفردا ذو
كتلة m وشعاع موضع
r . تطبق عليه قوة
F ، يمكن عندئذ أن نعبر عن هذه القوة على أنها
تدرج تابع
الطاقة الكامنة القياسي (
V(
r,
t:
مثل هذه القوة تكون مستقلة عن المشتق الثالث أو المشتقات الأعلى رتبة لشعاع الموضع
r ، لذا فإن هذه قانون نيوتن الثاني يشكل مجموعة من ثلاث
معادلات تفاضلية نظامية من الرتبة الثانية .
لذا فإن حركة هذا الجسيم يمكن وصفها بدلالة متغيرات مستقلة أو ما يدعى " درجات حرية " . درجات الحرية هذه هي مجموعمة من ستة متغيرات :
{
rj,
r′
j |
j = 1, 2, 3},
المركبات الديكارتية لشعاع الموضع
r ومشتقاته الزمنية ( مشتقاته بالنسبة للزمن ), في لحظة زمنية معينة أي أن الموضع (x,y,z) والسرعة بمكوناتها الديكارتية الثلاثة :
((
vx,
vy,
vz ) ).
بشكل أعم ، يمكننا العمل ضمن جملة إحداثيات معممة
,
qj, مع مشتقاتها الزمنية ، أو ما يدعى بالسرع معممة ،
q′
j.
يرتبط شعاع الموضع
r مع
الإحداثيات المعممة عن طريق جملة
معادلات تحويلخطأ رياضيات (خطأ في الصيغة): \mathbf{r} = \mathbf{r}(q_i ، q_j ، q_k, t). فمثلا من أجل نواس بسيط ذو طول
l ، يكون الخيار المنطقي للإحداثيات المعممة هو زاوية النواس التي يصنعها مع خطه الشاقولي ( العمودي ) ، θ,
وتكون معادلات التحويل :
.
مصطلح
إحداثيات معممة أحد بقايا فترة استخدام الإحداثيات الديكارتية كنظام إحداثيات افتراضي .
لنعتبر الإزاحة الإعتبارية للجسم δ
r فيكون العمل المنجز من قبل القوة
F هو :
δW =
F · δ
r.
باستخدام قانون نيوتن الثاني يمكننا أن نكتب :
بما أن العمل كمية فيزيائية قياسية ( كمية وليست شعاعية ) يمكننا إعادة كتابة هذه المعادلات بدلالة الإحداثيات المعممة والسرع على الجانب الأيسر .
عملية تنسيق الجانب الأيمن أكثر صعوبة لكن بعد الترتيب والتبديل :
حيث هي الطاقة الحركية للجسيم
T = 1/2
m r′
2 . ومعادلة العمل المنجز ستصبح بالشكل :
على أي حال ، فإن هذا يجب أن يكون صحيحا بالنسبة لأي مجموعة من الإزاحات المعممة δ
qi, لذا يكون لدينا :
من أجل أي من الإحداثيات المعممة δ
qi.
يمكننا أن نبسط هذه المعادلة بملاحظة
V أن هو تابع ل
r و
t, وشعاع الموضع
r تابع أيضا للإحداثيات المعممة والزمن
t لذا فإن الطاقة الكامنة
V تكون مستقلة عن السرع المعممة
بإدخال هذا في المعادلة السابقة واستبدال
L =
T -
V نحصل على معادلات لاغرانج :
هناك دوما معادلة لاغرانج وحيدة لكل إحداثي معمم q
i. وعندما يكون q
i = r
i (أي أن الإحداثيات المعممة هي ببساطة إحداثيات ديكارتية ), عندئذ نستطيع بسهولة اختزال معادلة لاغرانج إلى قانون نيوتن الثاني.
الاشتقاق أعلاه يمكن تعميمه على نظام (جملة) مؤلفة من
N جسيم. عندئذ يكون هناك 6
N إحداثي معمم يرتبطان بإحداثيات الموضع عن طريق معادلات التحويل الثلاثية 3
N . في معادلات لاغرانج 3
N يكون دوما
T هو الطاقة الحركية الكلية للجملة ، و
V الطاقة الكامنة الكلية .
عمليا من الأسهل حل المسألة ياستخدام
معادلة اويلر-لاغرانج بدلا من قوانين نيوتن . ذلك لأن الإحداثيات المعممة
qi يمكن اختيارها لتلائم تناظرات النظام .