هندسة ميكانيكية

تصميم هندسي ميكانيكي وبناء المحركات ووحدات طاقة...
...منشآت وعربات بجميع الأحجام.

الهندسة الميكانيكية Mechanical engineering، هي فرع هندسي يدرس الأنظمة الفيزيائية، ويطبق أسس القوانين الفيزيائية الأساسية لتحليلها. وإن أهم ما يميز علم الميكانيكا اعتماده على الرياضيات (بدلاً من التقدير) وعلى التجربة (بدلاً من الملاحظة)، حيث أسس كيفية صياغة التنبؤات الكمية نظرياً، وكيفية اختبار هذه الصياغات الرياضية بأدوات قياس مصممة بعناية.

وتهتم الهندسة الميكانيكية 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.

تم تحسين الميكانيكا الكلاسيكية عبر النسبية الخاصة لملاءمة الأجسام التي تتحرك بسرعة كبيرة تقارب سرعة الضوء. وهو يستعمل لوصف حركة الأجسام الكبيرة من المقذوفات إلى الأجسام المرئية إضافة إلى الأجسام الفلكية وأيضاً يتنبأ بالعديد من الخاصيات الفيزيائية عندما يتعامل مع الغازات والسوائل والمواد الصلبة لذا يعد واحداً من أكبر الموضوعات في العلم والتقنية.[3]

وقد نجم عن هذا العلم تطور عظيم في المجالات الصناعية والمعاشية للإنسانية كافة، أدى بدوره إلى تطور وسائل التعليم وأساليبه لخدمة الصناعة بفروعها المختلفة.

فهرست

التاريخ

يعد علم الميكانيكا من أول العلوم الفيزيائية، فقد عُرف منذ عهد اليونان وقد درس العرب علوم اليونانيين وطوروها. ومن العلماء المهندسين العرب كان بنو موسى الذين وثقوا أعمالهم في كتاب الحيل في القرن التاسع واعتمدوا في أعمالهم على المبادئ العلمية الآتية: (توازن الضغط وفيزياء سكون السوائل وحركة المرفق والميزان).

ومن أهم من جاء بعدهم الجزري الذي وُثِّقت أعماله في كتاب الحيل الجامع بين العلم والعمل النافع في صناعة الحيل في القرن الثاني عشر، وكان من أهم أعماله اختراع مضخة مكبسية.

ثم تلاهم تقي الدين الذي وُثِّقت أعماله في كتابه الطرق السنية في الآلات الروحانية في القرن السادس عشر ومن أهم أعماله آلات جر الأثقال وآلات رفع الماء. لكن الانطلاقة الحقيقية لعلم هندسة الميكانيكا كانت في القرن السادس عشر حيث طورت الميكانيكا الكلاسيكية من قبل براه وكوبرنيكس (1473- 1543م) وهي أحد الحقول الرئيسية للدراسة في علم الميكانيك التي تهتم بحركة الأجسام والقوى التي تحركها. وقد صاغ يوهان كبلر (1571- 1630م) قوانين تشرح بدقة الثوابت التي تحكم حركة الكواكب في النظام الشمسي، وأدخل گاليو گاليلي (1564- 1642) مفهوم القصور الذاتي وبحث في الحركة النسبية واستخدام البندول في قياس الزمن.

ثم جاء عهد إسحق نيوتن (1643-1727) الذي أحدث ثورة في هذه العلم كانت تدعى بالميكانيكا النيوتونية، وتميزت أعماله بالطرق الرياضية التي اخترعها بنفسه بالاشتراك مع لايبتز وآخرين، كما تتضمن طرقاً عامة مثل ميكانيكا لاگرانج وميكانيكا هاميلتون.

بالرغم من أن الميكانيكا الكلاسيكية منسجمة مع النظريات التقليدية الأخرى مثل نظرية التحريك الكهربائي والتحريك الحراري التقليدي فإن بعض الصعوبات واجهت الميكانيكا التقليدية (الكلاسيكية) في أواخر القرن التاسع عشر عندما اندمجت مع التحريك الحراري الكلاسيكي.

بذلت محاولات عدة لحل هذه المشكلات أدت في النهاية إلى ظهور ميكانيك الكم، وهو الحقل الآخر من الميكانيك الذي تم تطويره في القرن العشرين، عندما بدأت الاكتشافات الحاسمة بالطريقة نفسها من قبل ماكس بلانك (1852-1947) وبور، ثم ألبرت أينشتاين (1879- 1955) واضع نظرية النسبية العامة.

تتبع معظم الجامعات في تعليمها للهندسة منهجية متشابهة، إذ يركز معظمها على إعطاء الطالب عدداً من المقررات في العلوم الأساسية (الرياضيات والفيزياء والكيمياء) التكوينية، وعدداً من المقررات في العلوم الهندسية الأساسية مثل:

علم التحريك (الديناميكا) وعلم الحركة (الكينماتيكا) وعلم السكون وميكانيكا الموائع وميكانيكا المواد المتصلة والترموديناميكا وعلم المواد وعلم التحكم وعلوم تشغيل المواد والتصنيع.


التعليم

شهادات الهندسة الميكانيكية تمنح من جامعات عديدة حول العالم. وعادة يكون نظام دراسة الهندسة الميكانيكية من 4 إلى 5 سنوات ويمنح فى نهاية الدراسة بكالوريوس علوم، بكالوريوس تكنولوجيا، بكالوريوس هندسة أو بكالوريوس هندسة تطبيقية.

ينبغي لمهندس 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.


العلوم الأساسية لمهندس الميكانيكا


الترخيص

الرواتب واحصائيات سوق العمل

الأدوات الحديثة

An oblique view of a four-cylinder inline crankshaft with pistons

العديد من شركات الهندسة الميكانيكية أدرجت أنظمة هندسية مساعدة باستخدام الحاسب الآلي لعمليات التصميم والتحليل الخاصة بها، وتشمل هذه النظم الرسم الثنائى والثلاثى الأبعاد لنماذجها. وهذه الطريقة لها العديد من المزايا تسهيل وتفسير تصور المنتج وامكانية إجراء تجميع للأجزاء بسهولة وحساب السماحيات المطلوبة والتداخل الواجب توافره قبل بدء عملية التصميم.

التخصصات الفرعية

يتفرع عن الهندسة الميكانيكية طيف عريض من التخصصات بهدف تغطية المتطلبات الصناعية ومتطلبات النقل والخدمات والأبنية والتجهيزات الطبية والبيئية وغيرها، ومن هذه الفروع مايأتي:

هندسة ميكانيكا القدرة

Mohr's circle, a common tool to study stresses in a mechanical element
المقالة الرئيسية: ميكانيكا

يهتم هذا الاختصاص بتأهيل مهندسين للعمل على تصميم وتنفيذ محركات توليد القدرة والمحركات التوربينية الغازية والبخارية والمراجل والمفاعلات والتجهيزات الهيدروليكية والسياقة الهيدروليكية والتحكم الهوائي والهيدروليكي.

كما يدرس الطلاب الخوارزميات الخاصة بالمحاكاة والأنظمة الآلية، وميكانيزمات المخدمات الآلية.

هندسة التصميم والإنتاج

ويهتم بتأهيل المهندسين للعمل على تصميم آلات التشغيل بالقطع وآلات التحكم الرقمي (مخارط، فارزات، آلات تجليخ) وتصنيعها، وكذلك تصميم أدوات القطع المختلفة وتنفيذها وتحليل المعدات الصناعية وتصميمها ونظم نقل المواد وفي مجالات تكنولوجيا تشغيل المواد العالية الكفاءة بالسكب والتطريق والتشكيل. إضافة إلى عمليات الاختبار والقياس والفحص وضبط الجودة وتحليل الانهيارات وتشخيص الأعطال وتجهيز خطوط الإنتاج.

هندسة السيارات

وهو الفرع الذي يهتم بتأهيل المهندسين في مجال تصميم هيكل السيارة و«الشاسية» ومحرك الاحتراق الداخلي وآليات نقل الحركة وغيرها. وهناك أبحاث تتم في مثل هذه الفروع تهم الشركات المنتجة للسيارات للقيام بأعمال تطويرية في مجالات كهرباء السيارات - التحكم الإلكتروني وبشكل السيارة وبالسيارات الخاصة بالنقل وبسيارات العمل في الصحراء. وفي عوامل أمان السيارة والحفاظ على الطاقة وتخفيف الاهتزازات والضجيج داخل السيارة.

الهندسة الصناعية

ويؤهل المهندسين للقيام بتطبيق أساليب التحليل الهندسي لإنتاج البضائع والخدمات وتقدير أكثر الطرق اقتصاداً وكفاءة للمنشأة فيما يخص استخدام العاملين وتشغيل الآلات والمواد. وقد يشارك المهندس الصناعي بتحديد موقع المنشـأة الصناعية والمكاتب، ويقدر احتياجات الموظفين ويختار المعدات والآلات، ويخطط ساحات العمل، ومراحل عمليات الإنتاج وتركيب الآلات بما يتناسب مع مراحل الإنتاج. كذلك يطور المهندسون الصناعيون برامج التأهيل والتدريب وتقويم الأداء وتطويره، ويشارك أيضاً في تحديد الأجور والمكافآت الإنتاجية للعاملين. ويعمل على حل مشكلات ارتفاع تكاليف الإنتاج، وانخفاض الإنتاج، وتدني السوية الفنية للمنتجات.

هندسة النسيج

ويهتم بتأهيل مهندسين في مجال تصميم آلات غزل الخيوط ونسج الأقمشة وتصنيعها لإنتاج الغزول والأقمشة الطبيعية والاصطناعية ويعمل هذا الفرع على تطوير منسوجات جديدة، وتطوير تجهيزات حياكة الألبسة التقليدية وغير التقليدية، وكذلك تصميم وإنتاج التجهيزات الخاصة باختبار الخيوط والمنسوجات والفحص الميكروسكوبي والتجهيزات الخاصة بالصباغة. كما يسهم مهندس النسيج بتنظيم معامل الغزل والنسيج وتطويرها وصيانة تجهيزاتها.

الهندسة البحرية

يهتم هذا الفرع بتأهيل مهندسين للقيام بأعمال تصميم السفن والغواصات وإنشائها وإصلاحها وكذلك تصميم وتطوير تجهيزات تحميل السفن في الموانئ وتفريغها وتخديمها.

هندسة الطيران

هو الفرع الذي يعمل على تأهيل المهندس للقيام بتصميم طائرة تستطيع الطيران ضمن نطاق الغلاف الجوي. ولهذا العلم أربعة موضوعات رئيسية لابد لمهندس الطيران الإلمام بها:

ـ علم قوى الهواء أو الديناميكا الهوائية:

هو علم يعنى بدراسة التصميم الخارجي للطائرة كلها وكذلك أجزائها الذيل والجناح، ولدراسة قوى الهواء هناك حاجة إلى دراسة التيارات الهوائية اللزجة وهي التي تكون كثافة الهواء فيها متغيرة.

ـ علم الاستقرار والتحكم:

هو علم يدرس كيفية التحكم بالطائرة والحفاظ عليها مستقرة تحت تأثير قوى الهواء الخارجية.

ـ علم أنظمة الدفع:

هو يدرس تصميم المحرك وإنتاجه، وهو يعتمد على دراسة الديناميكا الحرارية وديناميكا الغازات وخواص الوقود.

ـ علم الإنشاءات والهيكل:

هو علم يعنى بتصميم وإنتاج هياكل الطائرة وإنشاءاتها، ويركز على المواد ذات المتانة الكافية والوزن الخفيف والإنشاءات رقيقة الجدران والشبكية الشكل.

هندسة الفضاء

وهو علم يعنى بدراسة المركبات التي تطير خارج الغلاف الجوي وتصميمها وتصنيعها، ومن تطبيقاتها الصواريخ الناقلة للمواد والتجهيزات للفضاء الخارجي والمحطات الفضائية والأقمار الصناعية.

9- الميكانيكا الدقيقة:

هو الفرع الذي يهتم بتصميم الأدوات المعقدة والآلات والأنظمة والمشروعات الدقيقة وتصنيعها، ويتم ذلك باستخدام آلات تقليدية وبرامج خاصة للتحكم بالآلات والعدد.

إن بعض مراحل تشغيل الميكانيك الدقيق مُسيطَر عليها ومحدد النتائج بوساطة طرق قياس حديثة وباستخدام أدوات تفتيش تحقق إنجاز قطع وتجهيزات ذات سوية عالية الجودة، ومما يساعد على تحقيق ذلك استخدام آلات تشغيل مزودة بأجهزة تحكم حاسوبية، وباستخدام التصميم والتشغيل، والتفتيش والقياس بمساعدة الحاسوب، وهذا كله يمكّن من الوصول إلى إنتاج قطع صغيرة يمكن ضبطها في مجال دقة يصل إلى ميكرون واحد.

هندسة الميكاترونيكس

هي الهندسة التي تجمع بين هندسة الميكانيك وهندسة الكهرباء وهندسة الحاسوب وهندسة الإلكترونيات، وهو علم يعتمد على دمج أنظمة ميكانيكية وإلكترونية يقوم بدور المنسق فيها منظومة التحكم، وقد ظهر هذا الاختصاص أول مرة في اليابان في أواخر الستينيات من القرن الماضي وانتشر بعدها في أوربا ثم في العالم.

الهندسة الطبية

الميكنة الإلكترونية والروبوتية

Training FMS with learning robot SCORBOT-ER 4u, workbench CNC Mill and CNC Lathe
المقالة الرئيسية: ميكنة إلكترونيةو روبوت


تحليل إنشائي

المقالة الرئيسية: تحليل إنشائيو Failure analysis


الديناميكا الحرارية والعلوم الحرارية

المقالة الرئيسية: ديناميكا حرارية


التصميم والصياغة

A CAD model of a mechanical double seal
المقالة الرئيسية: رسم هندسيو CNC


حدود البحث

الأنظمة الميكانيكية-الإلكترونية الدقيقة (MEMS)

Friction stir welding (FSW)

المقالة الرئيسية: Friction stir welding


التركيبات

Composite cloth consisting of woven carbon fiber.
المقالة الرئيسية: مادة تركيب


ميكاترونيك

المقالة الرئيسية: ميكاترونيك


تكنولوجيا النانو

المقالة الرئيسية: تكنولوجيا النانو

تحليل العنصر المحدود

المقالة الرئيسية: تحليل العنصر المحدود


ميكانيكا حيوية

المقالة الرئيسية: ميكانيكا حيوية


مجالات العمل وتطبيقات الهندسة الميكانيكية

أدت الهندسة الميكانيكية دوراً أساسياً في الابتكارات العلمية، فمنذ اختراع العجلة التي استُخدمت منذ القدم في عربات النقل والتي اكتشف نموذج منها عام 2008 في موقع ماري الأثري في سورية والتي قدّر أنها تعود إلى الألف الثالث قبل الميلاد، مروراً باختراع أول محرك بخاري استخدم في الصناعات الحربية وقاطرات السكك الحديدية والعربات وآلات تشغيل المعادن وقطعها وصولاً إلى الابتكارات الحديثة المتعلقة بغزو الفضاء مثل المسبار فونيكس Phoenix الذي صممته وأنتجته ناسا الأمريكية وأطلقته ليصل إلى المريخ أواخر أيار/مايو 2008 ليكون محطة بحثية ثابتة على سطح المريخ ، فعلى سبيل المثال لا الحصر يمكن تحديد بعض المجالات التي أسهمت وتسهم الهندسة الميكانيكية في إنجازها وتطويرها. ونذكر منها ما يأتي:

مجال الصناعة

تؤدي الهندسة الميكانيكية الدور الأساسي في تأسيس المنشآت الصناعية وتطويرها وتصميم المعدات والآلات والمنتجات الصناعية وتطويرها وإنتاجها.

في مجال الإنشاءات والمباني الصناعية والسكنية

إن تراكم الخبرات في مجال الأسس التقنية أسهم في إقامة المنشآت الصناعية والمعامل بالاستناد إلى مبادئ الهندسة الميكانيكية التي تسهم بدراسة شبكات التدفئة والتكييف والعزل وتنفيذها للمصانع والمنازل، ودراسة شبكات الهواء الصناعي المضغوط وتنفيذها، وتوزيع المياه والصرف الصحي، وتجهيزات معالجة مياه الصرف الصحي، ودراسة معدات الرفع والنقل في المصانع وتجهيزات المصاعد في المنازل والمنشآت المختلفة وتنفيذها.

مجال توليد الطاقة

يشارك المختصون بالهندسة الميكانيكية في الأعمال الدراسية والتصميمية والتطويرية والإنتاجية لما يأتي:

ـ محطات توليد الطاقة الحرارية وخاصة العنفات الغازية لتلك المحطات.

ـ محطات توليد الطاقة المائية وخاصة العنفات المائية.

ـ توليد الطاقة النووية ونقلها وتوزيعها.

ـ عنفات الطاقة الريحية ومحطات الطاقة الشمسية (الطاقات البديلة).

مجال الصناعات الحربية

تطورت صناعة الأسلحة من الرماح ذات النصلات الحجرية إلى الرماح والسيوف المعدنية بأشكالها المختلفة مروراً بتصنيع المدافع بالسكب وصولاً إلى أسلحة الدقة العالية.

وقد تطورت صناعة المعدات الحربية والذخائر بمساهمة كبيرة لعلماء الهندسة الميكانيكية فوصلت لتصميم وتطوير وإنتاج ما يأتي:

ـ الدبابات والمدافع الصاروخية وعربات حمل الجنود والأسلحة الفردية الخفيفة والمتوسطة.

ـ القذائف الصاروخية الموجهة وغير الموجهة بأمدية مختلفة وبرؤوس متفجرة متنوعة تتناسب مع الأهداف المطلوب ضربها.

ـ القذائف الصاروخية جو - جو، أرض - جو، جو - أرض والقذائف الصاروخية المضادة للدبابات والعربات العسكرية الأخرى المتنوعة.

ـ الذخائر الحربية المتنوعة.

ـ أنواع أجهزة الاتصال والتشويش السلبي والإيجابي في الأرض والجو.

ـ الطائرات المقاتلة بأنواعها المختلفة (مقاتلات - قاذفات - حوامات - ناقلات مظليين - طائرات مسيرة من دون طيار للتجسس ولضرب مواقع محددة مع تجهيزات الخدمات الأرضية لهذه الطائرات).

ـ «روبوتات» لأعمال خاصة كان آخرها «روبوت» على شكل كلب يحمل ما وزنه 42كغ من العتاد الحربي، ويستجيب لآلية تحكم عن بعد.

مجال تجهيزات النقل

أسهمت الهندسة الميكانيكية في تطوير متطلبات النقل ابتداءً من القوارب الشراعية ثم البخارية وصولاً إلى السفن والغواصات التي تسير بالطاقة النووية. وكذلك الحال للقطارات التي تطورت من قاطرات بخارية إلى قاطرات الديزل ثم القاطرات الكهربائية.

وأسهمت في تطوير الطائرات النفاثة وتصنيعها لنقل الركاب ونقل البضائع. وكذلك تطوير تجهيزات الخدمة الأرضية المختلفة وتصنيعها. وتصنيع الصواريخ العابرة للقارات وصواريخ غزو الفضاء الناقلة للأقمار الصناعية وللسفن الفضائية والبضائع للمحطة الفضائية الدولية المتوضعة في الفضاء على مدار حول الأرض.

مجال الصناعات الطبية والدوائية

أسهمت الهندسة الميكانيكية منذ القدم في تطوير وتصنيع المعدات المستخدمة في صناعة الدواء وتعليبه واختباره والمستلزمات الطبية للعمليات الجراحية بدءاً من المشارط وأدوات الجراحة الأخرى منذ عهد الرومان الأول. وصولاً إلى تجهيزات متطورة لإجراء عمليات الجراحة بالتنظير (الإيكو) وبـ «الروبوتات» والفحص بـ«أشعة X» والطبقي المحوري ومقاييس الضغط وتخطيط القلب والإيكو غراف، وكذلك التجهيزات الخاصة بغرف العمليات ومتطلبات المشافي من شبكات تدفئة وتكييف وتوزيع غاز الأكسجين وغيرها من المتطلبات الكثيرة.

وأهم تطور في هذا المجال هو صنع أطراف صناعية تستجيب في حركتها للنبضات الكهربائية الدقيقة التي تنشأ عن عضلات الجسم البشري.

إن نشاط البحث العلمي في مجال الهندسة الميكانيكية مرتبط ارتباطاً وثيقاً مع أهداف التنمية ومسارها، وإن إنشاء قاعدة علمية وطنية لا يمكن أن يحدث إلا في إطار جهود جادة نحو تنمية ذاتية متواصلة. كما أن الأنشطة العلمية والتقنية مترابطة بعضها ببعض، وهي متعلقة بالبيئة الاجتماعية ومرتبطة ارتباطاً وثيقاً باحتياجات التقدم، في مختلف قطاعات الإنتاج في المجتمع.

يعد استمرار التطور في تطبيقات الهندسة الميكانيكية والتقنية الرافعة الحقيقية لتقدم المعارف العلمية والهندسية الأخرى وهي قدمت وستقدم المزيد من الاختراعات لزيادة الإنتاج، ولزيادة سرعة التنقل، وللمساعدة على الشفاء من المرض، ولضمان المزيد من الرفاهية للبشرية.

حقول متعلقة

أحيانا ما يتم ضح هندسة التصنيع وهندسة الطيران للهندسة الميكانيكية. عند الحصول على درجة البكالوريوس يوجد ثلاث تخصصات بينهم اختلافات طفيفة.

انظر أيضا

نقابات


المصادر

قراءات إضافية

  • Burstall, Aubrey F. (1965). A History of Mechanical Engineering. The MIT Press. ISBN 0-262-52001-X. 

وصلات خارجية

هناك كتاب ، Thermodynamics، في معرفة الكتب.


هناك كتاب ، Solid Mechanics، في معرفة الكتب.



hak:Kî-hài Kûng-chhàng