تعريف علم الميكانيكا
علم الميكانيكا هو فرع من العلوم الطبيعية يُعنى بدراسة حركة الأجسام وتأثير القوى المختلفة عليها، سواء كانت تلك الأجسام متحركة أو في حالة سكون. من أبرز القضايا التي يتناولها هذا العلم هي القوى التي تؤثر بها الأجسام على بعضها البعض، حيث يُمكن للفرد فهم سلوك الجسم من خلال تحليل القوى المؤثرة عليه.
يُعتبر علم الميكانيكا من أقدم العلوم تطوراً، إذ تمكن هذا العلم من دراسة حركة القمر والأرض والعديد من الكواكب الأخرى. يمكن تقسيم علم الميكانيكا إلى ثلاثة فروع رئيسية، وهي:
- علم السكون (بالإنجليزية: Statics): يختص بدراسة القوى المؤثرة على الأجسام الثابتة.
- علم الحركة المُجرّدة (بالإنجليزية: Kinematics): يدرس الحركات الممكنة للجسم أو مجموعة من الأجسام.
- علم الحركة (بالإنجليزية: Kinetics): يركز على دراسة الحركة المتوقعة في ظروف معينة.
كما يمكن تصنيف علم الميكانيكا وفقًا لنظام الأجسام الذي يُراد دراسته. من أبسط الأمثلة على الأنظمة الميكانيكية هي الجسيمات، وهي كائنات صغيرة تُعتبر غير ملحوظة في شكلها وخصائصها. يمكن دراسة حركة نظام يتألف من جسيمين أو أكثر يؤثرون على بعضهم البعض، بالإضافة إلى تأثير القوى الخارجية (الخارجة عن النظام).
عظماء ساهموا في علم الميكانيكا
الجزري
الجزري هو عالم ومخترع مسلم ظهر في عام 1206م، واشتهر بتصميمه آلات ذاتية التشغيل تعمل بواسطة الماء. كان لدى بعض هذه الآلات استخدامات للزينة، بينما كان البعض الآخر له أهمية عملية كبيرة. يُشاع أن الموسوعي الشهير ليوناردو دافنشي قد تأثر بأعمال الجزري.
إسحق نيوتن
وُلد إسحق نيوتن عام 1642م في إنجلترا، ويُعتبر واحداً من أكثر العلماء تأثيراً في القرن السابع عشر. يُنسب إليه الفضل في تأسيس علم الفيزياء الحديثة من خلال اكتشافاته الرائدة. بعد إكمال دراسته، عكف نيوتن على دراسة الرياضيات والفيزياء والبصريات وعلوم الفلك بشكل ذاتي، وذلك نتيجة إغلاق جامعته بسبب وباء مُنتشر آنذاك. في عام 1666م، أنجز نيوتن القوانين الثلاثة الكلاسيكية للحركة. كما كان له إنجازات بارزة تتعلق بقوة الجاذبية الأرضية، بالإضافة إلى اختراعه العدسات العاكسة للتلسكوب، ومساهمته الكبيرة في تأسيس علم حساب التفاضل والتكامل.
نيكولا تيسلا
وُلد نيكولا تيسلا عام 1856م في قرية سميلجان بكرواتيا، ويعتبر من أبرز المخترعين في التاريخ. أبدع تيسلا في تطوير الآلات دون حصوله على شهادة تعليمية، وعُرف بذاكرته القوية. طوّر مبادئ الحقل المغناطيسي الدوار في سن السادسة والعشرين أثناء عمله في مكتب التلغراف المركزي في بودابست، وهذه المبادئ كانت حيوية في الأجهزة الكهروميكانيكية، وأدت إلى اكتشافه لمحرك التيار المتردد. يُعتقد أن لديه ما لا يقل عن 300 اختراع مرتبط ببعضها البعض، إلى جانب العديد من الاكتشافات التي لم تُسجل كبراءات اختراع. من أبرز اكتشافاته وأكثرها شهرة هو التيار المتردد، الذي يمثل تطوراً على التيار المستمر الذي اكتشفه توماس إديسون.
الميكانيكا الكلاسيكية
الميكانيكا الكلاسيكية هي الدراسة التي تُعنى بحساب حركة الأجسام العادية والقوى المؤثرة عليها. يمكن استخدام بعض المعادلات لوصف حركة الأجسام مثل حركة كرة في الهواء أو جذب مغناطيس لجسم معين، أو حتى التنبؤ بظواهر طبيعية مثل خسوف القمر.
تُعرف الميكانيكا الكلاسيكية أيضًا بالميكانيكا النيوتنية، حيث تعتمد أساساً على اكتشافات إسحق نيوتن وقوانينه. ومن القوانين المعتمدة في الميكانيكا الكلاسيكية ما يلي:
- القانون الأول لنيوتن: ينص على أن الجسم الساكن يبقى ساكناً، والجسم المتحرك يستمر في حركته ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير هذا الوضع.
- القانون الثاني لنيوتن: مجموع القوى المؤثرة على جسم ما يساوي كتلة هذا الجسم مضروبة في تسارعه.
- القانون الثالث لنيوتن: لكل فعل يوجد رد فعل متساوي ومضاد في الاتجاه.
- قانون الجاذبية العام لنيوتن: القوة الجاذبية بين جسمين تتناسب طردياً مع كتلتهما وعكسياً مع مربع المسافة بين مركزي كتلتيهما.
- قانون حفظ الطاقة: الطاقة لا تفنى ولا تستحدث، بل تتحول من شكل لآخر، مثل تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية.
- قانون حفظ الزخم: في غياب القوى الخارجية مثل الاحتكاك، تكون مجموع الزخم قبل التصادم مساوية لمجموع الزخم بعده.
- مبدأ بيرنولي: عند جريان مائع، يتغير ضغطه بناءً على سرعته وارتفاعه؛ إذ كلما زادت سرعة المائع، انخفض ضغطه، والعكس صحيح.
تاريخ علم الميكانيكا
قدمت الحضارات القديمة في مصر اكتشافات لفهم حركة الشمس والقمر والنجوم، حيث تمكنوا في القرن الثامن عشر قبل الميلاد من التنبؤ بظواهر الخسوف، لكن اكتشافاتهم كانت مبنية على خرافات. كان الإغريق القدماء أول من توصل إلى اكتشافات مستندة على الحقائق الطبيعية، حيث رفض علماء مثل طاليس أي تفسير بعيد عن المنطق العلمي. إلا أن العديد من الاكتشافات كانت مبنية على أسس خاطئة وخصوصًا تلك المتعلقة بمبادئ الحركة، إذ استندت إلى تصورات الفيلسوف أرسطو الخاطئة لأكثر من ألفي عام.
الهندسة الميكانيكية
تركز الهندسة الميكانيكية على دراسة تصميم وتصنيع الأشياء التي تتراوح بين القطع الصغيرة والأجهزة البسيطة إلى الأنظمة الكبيرة والمعقدة. يقوم مهندس الميكانيكا بتحويل الأفكار إلى تطبيقات عملية في السوق، ويتوجب عليه امتلاك مهارات معينة، بما في ذلك فهم القوى والبيئة الحرارية التي سيتعرض لها المنتج.