مهندسی: پلها، ساختمانها و ماشینها چگونه ساخته میشوند؟
مهندسی یعنی چه؟ نگاهی به کار مهندسان
تصور کنید میخواهید یک پل چوبی برای عروسکهایتان بسازید. اگر چوبها را بدون حساب کنار هم بگذارید، پل شما ممکن است فرو بریزد. اما اگر بدانید هر چوب چقدر وزن میتواند تحمل کند و چگونه آنها را به هم وصل کنید، پل شما محکم میشود. مهندسان دقیقاً همین کار را برای پلهای واقعی، ساختمانهای بلند و ماشینهای سریع انجام میدهند. آنها از علم (مثل شنیدنها در مورد گرانش و حرکت) و ریاضی (مثل جمع و تفریق و اندازهگیری) استفاده میکنند تا چیزهای مفید طراحی و بسازند1.
به عنوان مثال، وقتی یک مهندس میخواهد یک ماشین مسابقه طراحی کند، باید سرعت، وزن و ایمنی را با هم هماهنگ کند. او از فرمول ریاضی $F = m \times a$ استفاده میکند؛ یعنی نیرو برابر است با جرم ضرب در شتاب. اگر ماشین خیلی سنگین باشد ($m$ بزرگ باشد)، برای حرکت دادن آن به نیروی بیشتری نیاز است. مهندسان با چنین محاسبههایی تصمیم میگیرند از چه موتوری استفاده کنند.
نقش ریاضی در مهندسی: اندازهگیری، اشکال و فرمولها
ریاضی به مهندسان کمک میکند تا همه چیز را دقیق طراحی کنند. تصور کنید میخواهید یک میز تحریر بسازید. اگر طول پایهها را اشتباه اندازه بگیرید، میز شما کج میشود. مهندسان ساختمان نیز همینطور: آنها باید ارتفاع هر طبقه، عرض درها و ضخامت دیوارها را با خطای بسیار کم محاسبه کنند. یکی از ابزارهای مهم مهندسان، هندسه است. شکلهایی مثل مثلث، مربع و دایره در سازهها نقش کلیدی دارند. برای مثال، پلهای بزرگ از شکل مثلث در خرپاها2 استفاده میکنند چون مثلث، محکمترین شکل هندسی است. اگر به یک قاب چهارگوش فشار بیاورید، کج میشود اما یک قاب مثلثی تغییر شکل نمیدهد.
| شکل هندسی | محکمی در سازه | یک کاربرد در مهندسی |
|---|---|---|
| مثلث | بسیار زیاد | پلهای خرپایی، سقف خانهها |
| مربع | متوسط (بدون مهاربند کج میشود) | قاب پنجرهها، آجرها |
| دایره | یکنواخت در همه جهتها | چرخ ماشین، تونلها، لولهها |
چگونه مهندسان با علم نیروها و حرکت آشنا میشوند؟
وقتی یک دوچرخه سوار میشوید، از نیروی پاهایتان برای چرخاندن پدال استفاده میکنید. مهندسان وسایل نقلیه نیز باید بدانند که نیروی موتور چگونه به چرخها منتقل میشود. یکی از قوانین مهم، قانون سوم حرکت نیوتن است: هر عملی، عکس العملی برابر و در جهت مخالف دارد. موتور هواپیما هوا را به عقب میراند و در عوض، هواپیما را به جلو میبرد. مهندسان برای طراحی پل نیز باید نیروهای کشش و فشار را حساب کنند. نیروی کشش (مانند کشیدن طناب) و نیروی فشار (مانند فشردن فنر) در مواد مختلف مثل بتن و فولاد متفاوت است. بتن در برابر فشار بسیار قوی است اما اگر آن را بکشید، زود میشکند. به همین دلیل در پلها از میلگردهای فولادی (که کشش را تحمل میکنند) درون بتن استفاده میشود. این ترکیب را بتن آرمه3 مینامند.
چالشهای مفهومی در مهندسی برای دانشآموزان
پاسخ: پلهای قوسی از شکل منحنی استفاده میکنند تا وزن وسایل نقلیه را به طرفین و به سمت پایههای پل منتقل کنند. در یک پل قوسی، نیروی وزن به صورت اریب به دو طرف پل فشار میآورد. سنگها یا آجرهایی که پل از آنها ساخته شده در برابر این فشار بسیار مقاوم هستند. به همین دلیل پلهای سنگی قدیمی که هزاران سال پیش ساخته شدهاند، هنوز پابرجا هستند.
پاسخ: ترمز از نیروی اصطکاک استفاده میکند. وقتی پدال ترمز را میزنید، لنت ترمز به صفحه چرخ فشار میآورد و اصطکاک ایجاد میکند. اصطکاک، انرژی حرکت ماشین را به گرما تبدیل میکند و ماشین کند میشود. مهندسان مادهای برای لنت ترمز انتخاب میکنند که اصطکاک بالایی داشته باشد و در برابر گرما ذوب نشود. بدون اصطکاک، ماشین هرگز نمیایستاد.
پاسخ: آنها از علم ایستایی4 استفاده میکنند. ساختمان را مثل یک جعبهٔ سنگین تصور کنید که باد به آن فشار میآورد. مهندسان پایههای ساختمان را بسیار عمیق در زمین (تا چند ده متر) فرو میبرند و از بتن مسلح استفاده میکنند. همچنین در ساختمانهای خیلی بلند، یک وزنهٔ سنگین در طبقات بالایی تعبیه میکنند که به نام میراگر جرمی تنظیم شونده شناخته میشود. این وزنه برخلاف جهت باد حرکت میکند و لرزش ساختمان را خنثی میکند.
پاورقیها
1مهندسی (Engineering): کاربرد علم و ریاضی برای طراحی، ساخت و نگهداری ماشینها، سازهها، دستگاهها و فرایندها.
2خرپا (Truss): یک سازهٔ مثلثی شکل که از میلههای مستقیم ساخته شده و برای تحمل بار در پلها و سقفها استفاده میشود.
3بتن آرمه (Reinforced Concrete): ترکیب بتن و میلگردهای فولادی که هم فشار و هم کشش را به خوبی تحمل میکند و در ساختمانسازی کاربرد دارد.
4ایستایی (Statics): شاخهای از علم مکانیک که به بررسی تعادل اجسام تحت اثر نیروها و گشتاورها میپردازد و مهندسان برای جلوگیری از واژگونی سازهها از آن استفاده میکنند.
