القياسات والمواد - التصميم الهندسي - ثالث ثانوي

الدرس الثاني القياسات والمواد مقدمة في القياسات في التصميم الهندسي Introduction to Measurements in Engineering Design www.lem.odta تحدد القياسات في التصميم الهندسي حجم وشكل وموقع المكونات والأنظمة ، وتُجرى هذه القياسات عادة باستخدام أدوات متخصصة مثل المساطر والمسماك (Calipers) ، والمستشعرات الحرارية ( Thermocouples)، وأجهزة قياس الضغط (Pressure Gauges)، وخلايا قياس الحمل (Load Cells)، ومستشعرات عزم الدورات (Torque Sensors ) ، بالإضافة إلى ذللك يتم استخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسب (CAD) لإنشاء نماذج مفصلة ومحاكاة الأنظمة الهندسية، والتي يمكن استخدامها لتحليل الأداء وتحسينه. جدول 1.1 وحدات القياس الشائعة المستخدمة في الهندسة النظام الدولي للوحدات [ST Units النظام الأمريكي للوحدات (us Units ) متر (m) نیم (cm) میمر (mm) بوصة (١٨) قدم (1) هلوجرام (Ag) حرام (E) رطل (10) ثواني (5) ، دقائق (min) ساعات (hr) ثواني (5) دقائق (min) ساعات (hr) الطول الكتلة الوقت درجة الحرارة درخدما الضغط باسكال (Pa) القوة بوتل (N) القدرة واط (W) الطاقة خول الما درجة فهرنهايت (۴) رطل لكل بوصة مربعة (PSI) رطال قوة ( 16 ) قوة خصالة (hp) واط ساعة Whi) من المهم ملاحظة الاختلاف في استخدام الوحدات بين الدول والصناعات المختلفة حول العالم. وأن بعض الوحدات أكثر ملاءمة لتطبيق معين 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. يمكن السياق المشكلة أو التطبيق تحديد الوحدة الأمثل للاستخدام، فعلى سبيل المثال تستخدم الدرجة المئوية بشكل أكثر شيوعا لقياس درجة الحرارة في الأجهزة الإلكترونية وذلك مقارنة بالفهرنهايت. ويوضح الجدول 1.1 وحدات القياس المختلفة في النظام الدولي والنظام الأمريكي للوحدات. CE استخدام السماك الانتمني للسياسات الدشمة وزارة التعليم 223 1445

عند التعامل بوحدات القياس، لا يستخدم المهندسون وحدات القياس بصورة مستقلة بل يستخدمون مضاعفاتها الرئيسة والفرعية، فعلى سبيل المثال تستخدم وحدات المليمتر أو النانومتر القياس المسافات الصغيرة نسبيا. يوضح الجدول 1.2 المضاعفات الرئيسة والفرعية الأكثر استخداماً مع النظام الدولي للوحدات. جدول 1.2 المضاعفات الرئيسة والفرعية الأكثر استخداما في النظام الدولي للوحدات البادية الرمز معامل الضرب Pico Nano Micro Milli Genti Deci Deca Hecto Kilo Mega Giga Tera Peta Exa pnm C KMGT d da hk MGT PE -12 -9-6 1 -1 -2 -3' 2 9 6 3 12 15 18 (10) استخدام القياسات في التصميم الهندسي Using Measurements in Engineering Design يستخدم المهندسون مجموعة من الحسابات البدوية والبرامج الحاسوبية المتخصصة لإجراء القياسات والعمليات الحسابية في عملية التصميم. وعلى الرغم من أنه يمكن إجراء بعض الحسابات بدويا، إلا أن العديد منها يتسم بالتعقيد ويتطلب أدوات برمجية متخصصة لتنفيذها بكفاءة ودقة. على سبيل المثال، تستخدم برامج التصميم بمساعدة الحاسب (CAD) على نطاق واسع في الهندسة لإنشاء نماذج تفصيلية ومحاكاة الأنظمة الهندسية والتي يمكن استخدامها لتحليل أدائها وتحسينه، كما يستخدم برنامج تحليل العناصر المحدودة ) - Finite Element Analysis) على نطاق واسع لمحاكاة استجابة الهياكل والمواد لمختلف الأحمال والظروف. يمكن لأدوات البرامج هذه أتمنة العديد من العمليات الحسابية. وتوفير رسومات للأنظمة المعقدة، وإجراء عمليات محاكاة لمساعدة المهندسين على تحسين تصميم منتج أو نظام، ويعتمد المهندسون على هذه الأدوات لإجراء حسابات دقيقة وفعالة، حيث يُعد ذلك أمرًا بالغ الأهمية لعملية التصميم. تجدر الإشارة إلى أن استخدام قياسات دقيقة وثابتة ومحددة بعد جانبا مهما من جوانب التصميم الهندسي؛ لأثره الكبير على نجاح المشروع أو المنتج، ومع ذلك يجب مراعاة بعض الاعتبارات عند التعامل مع القياسات مثل: أخطاء القياس وعدم التأكد من معايرة الأدوات قبل استخدامها في القياسات، وتداخلات 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، ويوضح الجدول 1.3 مزايا واعتبارات استخدام قياسات محددة في مشروع تصميم هندسي. جدول 1.3 مزايا و اعتبارات استخدام قياسات دقيقة المرايا الاعتبارات ب اختتام وحدات التياس بعناية ومراعاة اتاقها تسمح بالتوصيف المحكم والدقيق المكونات والأنظمة. طوال عملية التصميم. تاد في تعمير هود التصميم ومتطلباته، وتحديدها. یک مراعاة ية الخطأ وسم التيقن في القياس وتقليلها. تمكن من تحليل أداء التصميم وتحسينه يج معابرة معدات وتتشات الناس وصيانتها بشكل صحیح قد يتطلب الأنظمة المعقدة أنواعا مهمة من القمامات أسهل التواصل من أعضاء فريق التصميم والتعاون سهم. والأدوات الحصصة تيح استخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسب يجب إجراء القياسات في بيئة مناسبة وتحت ظروف وزارة التعليم (CAD) وبرامج المحاكاة لتحليل التصميم وتحسينه حاصمة للرقابة 2023 1445 20

مقدمة في مواد التصميم الهندسي Introduction to Materials in Engineering Design تلعب خصائص المواد دورًا خاصًا ومهما في التصميم الهندسي، ويتمثل ذلك في تحديد أداء وملاءمة مادة معينة لتطبيق معين. وبعد اختيار المواد خطوة حاسمة في التصميم الهندسي ؛ حيث يأخد المهندسون بالاعتبار خصائص المواد لتحديد أفضلها للتطبيق وللتصميم المعينين. ويوضح الجدول 1.4 الاعتبارات الأكثر شيوعا للمهندسين عند اختبارهم لمواد المشاريع. جدول 1.4 اعتبارات عند اختيار المواد الاعتبار الخصائص الميكانيكية الخصائص الفيزيائية الوصف تحدد الخصائص الفيزيائية مثل القوة والصلابة، ومعامل يونغ (معامل المررسة). والليونة والمتانة قدرة المادة على تحمل الأثقال والمتطوعات. تحدد خصائص المواد مثل المكنافة ودرجة الانصهار، والتعدد الحراري والخصائص الكهربائية والمغناطيسية الأخرى مدى ملاءمة استخدام المادة في بيئات وتطبيقات محددة الخصائص الكمائية تحدد الخصائص الكيميائية الممادة مثل مقاومة التآكل، وقابلية الاشتعال، والتفاعلية والسمية، والتوافق الحيوي، مدى ملاءمتها للاستخدام المباشر مع الشر أو البيئة. التكلنة تلعب تكلمة المواد يما فيها تكلمة الشراء والمعالجة والتصنيع دورا هاما في اختيارها لأغراض مختلفة. التوافر يشير إلى توافر المواد وجاهزيتها للتطبيق المحدد بما في ذلك سلسلة التوريد ووقت التسليم. إعادة التدوير يشير إلى الأثر البني للمادة بما في ذلك سهولة إعادة التدوير أو سهولة التخلص منها ونهاية عمرها الافتراضي والتخلمس المقاييس من المهم للغاية الاستلال للمعايير واللوائح ذات العلاقة كمعايير المقاومة والاعتبارات والبيئة والعايير الصناعية الأخرى. وزارة التعليم

22 أنواع خصائص المواد Types of Material Properties الخصائص الميكانيكية تحدد الخصائص الميكانيكية سلوك المادة عند تعرضها لقوى خارجية. ويوضح الجدول 1.5 الخصائص الميكانيكية الأكثر شيوعا للمواد المستخدمة في التصميم الهندسي. جدول 1.5: الخصائص الميكانيكية للمواد الخاصية معامل يونغ (Young's Modulus) أو معامل المرونة (Elastic Modulus ) مقاومة الله (Tensile Strength) مقاومة الخضوع للعادة (Yield Strength) الوصف مقياس مقاومة المادة للتشوه المرن عند التعرض للقوة. مقياس مقاومة المادة للإنكار عند التعرض لقوة الشد. الإجهاد الذي تبدأ عنده المادة في التشوه بصورة دائمة. مقاومة الإجهاد (Fatigue Strength) قياس قدرة المادة على تحمل دورات الأحمال المتكررة. مقاومة القص (Shear Strength) مقاومة الانضغاط (Compressive Strength) المتانة Toughness الليونة (Ductility) الصلابة (Hardness) منياس مقاومة المادة الإجهاد القص مشيا مقاومة المادة لاحياد الصمطة مقياس قدرة المادة على استصادي الطاقة قبل الانكسار مقياس قدرة المادة على الشكل لليونة دور الافكار. مقياس مقاومة المادة الخدش أو التسنين يجب على المهندسين معاينة هذه الخصائص واختيار المادة ذات الخصائص الميكانيكية المناسبة للتطبيق المحدد. على سبيل المثال. تعد المادة ذات المقاومة المرتفعة للشد والخضوع مناسبة المكونات التي تتعرض لقوى سحب عالية، وفي المقابل تعد المادة عالية المتانة والليونة أكثر ملاءمة للمكونات الخاضعة لقوى ذات تأثير مرتفع، كما تُعد خاصية الصلابة مهمة للمواد التي تكون عرضةً للتآكل والتلف، يضمن اختيار الخصائص الميكانيكية الصحيحة تمنع مكونات التصميم بالقوة والمتانة والاعتمادية لتعمل بشكل فعال لمدة طويلة. وزارة التعليم

الخصائص الحرارية الخصائص الحرارية هي مجموعة من الصفات التي تحدد سلوك المادة عند تعرضها للتغيرات في درجة الحرارة، وتشمل هذه الخصائص التوصيل الحراري. والانتشار الحراري والحرارة النوعية، والتمدد الحراري، ودرجات الانصهار والغليان، ومن المهم أخذ هذه الخصائص بالاعتبار في التصميم الهندسي وذلك لتأثيرها الكبير على أداء وملاءمة مادة ما لتطبيق معين، ويوضح الجدول 1.6 الخصائص الحرارية الأكثر شيوعا للمواد المستخدمة في التصميم الهندسي. جدول 1.6 الخصائص الحرارية للمواد الخاصية التوصيل الحراري (Thermal Conductivity) الإنتصار الحراري الحرارة النوعية (Thermal Diffusivity) الوضعيا قابلية المادة التوصيل الحرارة. قالية انتقال الحرارة خلال عادة ما. (Specific Heat) التمدد الحراري (Thermal expansion) كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة وحدة واحدة من كتلة المادة بمقدار درجة واحدة. القير في طول المادة أو مساحتها أو حجمها تتميز درجة حرارتها درجة الانصهار (Melting paint) درجة الحرارة التي تتحول عندها المادة من الحالة الحلية الى الحالة السائلة. درجة الغليان (Boiling point) درجة الحرارة التي تحول عمدها المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية. تبرز أهمية هذه الخصائص عند استخدام المواد في بيئات ذات درجة حرارة عالية أو لأغراض العزل الحراري. على سبيل المثال. عند تصميم المشتت الحراري ( Heatsink) لمعالج الحاسب يعد كل من التوصيل الحراري والحرارة النوعية والتمدد الحراري من الخصائص المهمة التي يجب مراعاتها لأهميتها. كما تعد درجنا الانصهار والغليان مهمتين أيضًا لأن المشتت الحراري يجب أن يتحمل درجات حرارة عالية دون أن يفقد كفاءته. الخصائص الكيميائية تحدد الخصائص الكيميائية سلوك المادة عند تعرضها لمواد كيميائية أو بيئات مختلفة، ويوضح الجدول 1.7 الخصائص الكيميائية الأكثر شيوعا للمواد المستخدمة في التصميم الهندسي. جدول 1.7 الخصائص الكيميائية للمواد الخاصية مقاومة التآكل (Corrosion Resistance) الوصف قدرة المادة على مقاومة التأكل أو التلف عند تعرضها لبينات مختلفة مثل الهواء أو الماء أو المواد الكيساتية. قابلية الاستعمال (Flammability) قبرة المادة على الاحتراق أو الاشتعال التفاعلية (Reactivity) السمية (Toxicity) التوافق الحيوي (Biocompatibility) قدرة مادة ما على التفاعل مع مواد أخرى مثل المواد الكيميائية أو الغازات لتكوين مركبات حديدة. قدرة مادة ما على السب في صر واصابة الكائناية الاتصال المباشر أوس خلال اطلاق مواد سامة قدرة المادة على التوافق مع الأنجة الحية دون اللـ في اثار الله العليم سلبية. its 1445

24 يكون اختيار المواد أمراً بالغ الأهمية في التطبيقات التي تُستخدم فيها مواد تكون على تلامس مع الإنسان أو البيئة المحيطة به، كما أن خصائص هذه المواد مهمة أيضًا في تصنيع المواد والتخلص منها أو إعادة تدويرها. الخصائص الكهربائية تحدد الخصائص الكهربائية سلوك المادة عند تعرضها لمجال كهربائي، ويوضح الجدول 1.8 الخصائص الكهربائية الأكثر شيوعا للمواد المستخدمة في التصميم الهندسي. جدول 1.8: الخصائص الكهربائية للمواد الخاصية الموصلية الكهربائية (Electric Conductivity) المقاومة الكهربائية ( Electric Resistivity) الوصف قدرة المادة على توصيل الكهرباء. قبرة الملكة على مقاومة التيار الكهربائي ثابت العزل الكهربائي (Dielectric Constant) مقاومة العزل الكيربائي (Dielectric strength) معامل تبديد الطاقة (Loss Tangent) قدرة مادة ما على تحزين الطاقة الكهربائية في مجال كهربائي وهو ما يُعرف أيضا بالسعة. المحال الكهربائي الأقصى التي يمكن المادة أو الحملة دور تلف. نسبة الطاقة المعقودة إلى الطاقة المحزنة في مادة ما عند مرور تيار متردد. تعد خصائص الموصلية الكهربائية والمقاومة وثايت العزل الكهربائي مهمة في تحديد الأداء الكهربائي للمادة كـ كما تعد مقاومة العزل الكهربائي مهمة في تحديد ملاءمة المادة لتطبيقات الجهد العالي للكهرباء، كما يلعب مقدار معامل تبديد الطاقة دورا هاما في تحديد ملاءمة المادة التطبيقات الاتصالات اللاسلكية الخواص المغناطيسية تحدد الخصائص المغناطيسية سلوك المادة عند تعرضها المجال مغناطيسي، ويوضح الجدول 1.9 الخصائص المغناطيسية الأكثر شيوعًا للمواد المستخدمة في التصميم الهندسي. جدول 1.9 الخصائص المغناطيسية للمواد الخاصية الوصف المغنطة ( Magnetization) قدرة المادة على أن تصبح ممغنطة : عند تعرضها لمجال مغناطيسي القابلية المغناطيسية النفاذية المغناطيسية (Magnetic Susceptibility) (Magnetic Permeability) درجة حرارة كوري (Curle Temperature) نسية مغلطة مادة ما إلى شدة المحال المغناطيسي. النسبة حدة المجال المغناطيسي داخل المادة إلى شدة المجال المغليطي درجة الحرارة التي تعقد عدها المادة خفائها المغناطية الدانة. وزارة التعليم

يتم أخذ هذه الخصائص في الاعتبار في التطبيقات التي يتم فيها استخدام المواد في المجالات المغناطيسية أو الأجهزة الكهرومغناطيسية كالمحركات والمولدات والمحولات وتعد خصائص المغنطة، والقابلية المغناطيسية والنفاذية المغناطيسية، والتوصيل الكهربائي جميعها مهمة في تحديد الأداء المغناطيسي للمادة. كما تعد درجة حرارة كوري مهمة أيضًا في تحديد مدى ملاءمة المادة لتطبيقات درجات الحرارة العالية. المواد المستخدمة في التصميم الهندسي Materials Used in Engineering Design يمكن تصنيف المواد على نطاق واسع إلى عدة تصنيفات: المعادن والبوليمرات والسيراميك والمواد المركبة والمواد الطبيعية، يوجد لكل فئة مجموعة فريدة من الخصائص والمزايا والقيود التي يجب مراعاتها عند اختيار مادة ما لتطبيق معين، على سبيل المثال، تعرف المعادن بقوتها العالية ومتانتها، بينما تعرف البوليمرات بمرونتها وسهولة تشكيلها ، وبعرف السيراميك بصلابته العالية ومقاومته الحرارية، بينما تعرف المواد الطبيعية بمظهرها وملمسها الطبيعي. بعد اختيار مادة ما لتطبيق معين خطوة حاسمة في التصميم الهندسي، مما يتطلب فهما شاملًا لخصائص المواد المختلفة وسلوكها، ويجب على المهندسين مراعاة متطلبات البيئة والسلامة والأداء للمنتج أو الهيكل، وكذلك تكلفة المواد وتوافرها لاتخاذ قرار صحيح، ويوضح الجدول 1.10 تصنيفات المواد المستخدمة في التصميم الهندسي ، ويوضح الشكل 1.9 أمثلة على تصنيفات المواد. المعادي التوترات السيراميك المواد التركية غال في تصنيفات الحال جدول 1.10 المواد في التصميم الهندسي الوصف أمثلة المواد أمثلة التطبيقات المعادي البناء والسيارات وتقنيات العصاء فية من المواد تتميز بترابطها المعدني الحديد والفولاد، والألمنيوم والالات والمعدات والأجهزة الطبية وتوصيلها الحراري والكهربائي الرفيع والنحاس والتيتانيوم. وقدرتها على الششكل. والأجهرة التعويضية وزارة التعليم 31445

26 البوليمرات الوصف املة المواد امثلة التطبيقات فئة من المواد تتصير بينيتها الجزيئية البولي ايثيلين البولى بروبيلين التعبئة والتغليف، والسلع الاستهلاكية طويلة السلسلة وقدرتها على كلوريد البولي الفينيل (PVC) والسيارات والأجهرة الطبية والأكولات - النمذجة أو التشكيل السيراميك النايلون المطاط الكهربائية والإلكترونية تتميز هذه السنة صلابتها العالية أكسيد الألمنيوم، كريد السليكون. وقوتها ومقاومتها الحرارية مترت السليكون الزركونيا. المواد المركبة ضة من المواد تتكون من مادتين مختلفتين أو أكثر. يتم مرحها لإنشاء مادة حديدة بعصائض محتلة. سال أدوات القطع وقطع غيار السيارات والراميك الحديث والمكونات الكهربائية والإلكترونية. الألياف الرجاجية الألياف الكربولية ألياف كيماار الصناعية تقنيات الفضاء. وضاعة السيارات. والأجهرة الرياضية ومواد البناء وشفرات توبيلات الرياح. يمثل برج ساعة مكة معلما معماريا ورمزا للثقافة والتراث الإسلامي فقد تمت كسوة واجهة البرج بالحجر الجيري الطبيعي الذي يضفي على البرج مظهرا أنيقا ومميزا. كما صنعت نوافذ البرج وقيته من الزجاج الشفاف الذي يسمح بدخول الضوء الطبيعي إليه. وزارة التعليم

1 تمرينات حلم الجملة الصحيحة والجملة الخاطئة فيما يلي 1. القوة الحصانية (hp) هي وحدة القياس القوة. 2. تحتاج الأنظمة المعقدة أنواعاً متعددة من القياسات والأجهزة المتخصصة. 3. تناسب المواد منخفضة مقاومة الشد والخضوع المكونات التي تتعرض أقوى سحب عالية. 4 يعتبر التمدد الحراري مهما عند اختيار المواد في ظل ظروف قاسية 5 بعد التوافق الحيوي أحد الخصائص الكيميائية للمواد. 6. نقطة الانصهار للمادة هي درجة الحرارة التي تتحول عندها المادة إلى غاز 7 ترمز درجة حرارة كوري إلى الدرجة التي تكتسب عندها المادة خصائص معناطيسية. يُعد السيراميك من المواد اللينة و تقتصر أهمية اختيار المواد على الجدوى الاقتصادية للمنتج 10. يتم تصنيع المواد المركبة لإنشاء مواد ذات خصائص جديدة. اذكر وحدتي قياس لكل نوع من الوحدات سججة عاطلة ara الله ليه

ما سبب عدم استخدام المشاريع الهندسية المختلفة الوحدة القياس نفسها؟ اذكر ثلاث مرايا واعتبارات يجب أحدها بالاعتبار عند استخدام قياسات دقيقة في مشاريع التصميم الهنبي. وزارة التعليم

5 صنف الاعتبارات الأكثر شيوعا عند اختيار المواد المشروع التصميم الهندسي. 5 حدد الفرق بين ماته المادة ولونها وزارة التعليم

2 مير بين سمية المادة والتوافق الحيوي واذكر سيبا ب أحيتهما؟ 9 ن متى يتم أحد مقاومة العزل الكهربائى ومعامل تبديد الطاقة في الاعتبار عند اختيار المادة؟ اكتب ثلاثة تصنيفات من المواد وقدم وصفا لكل منها، ثم اذكر بعض الأمثلة والتطبيقات. وزارة التعليم