التباين

في مجال رسومات الحاسوب ، يتغير مظهر السطح غير المتجانس أثناء دورانه حول متجهه الهندسي العمودي ، كما هو الحال مع المخمل .

الترشيح المتباين الخواص (AF) هو أسلوب لتحسين جودة صورة الأنسجة على الأسطح البعيدة التي تُرى بزاوية منخفضة. لا تأخذ التقنيات القديمة، مثل الترشيح ثنائي الخطوط وثلاثي الخطوط، في الحسبان زاوية رؤية السطح، مما قد يؤدي إلى تشويش أو ضبابية الأنسجة. يمكن تقليل هذه التأثيرات بسهولة عن طريق تقليل التفاصيل في اتجاه واحد أكثر من غيره.

المرشح الكيميائي غير المتجانس عبارة عن غشاء ذي مسافات بينية تتناقص تدريجيًا باتجاه الترشيح، بحيث تقوم المناطق القريبة بترشيح الجزيئات الأكبر حجمًا بينما تقوم المناطق البعيدة بإزالة الجزيئات الأصغر حجمًا تدريجيًا. يمنع هذا التدرج في التركيب انسداد السطح، مما يؤدي إلى زيادة التدفق وكفاءة الترشيح مقارنةً بالمرشحات ذات المسام المتجانسة.

في مطيافية التألق ، تُحسب خاصية تباين التألق من خصائص استقطاب التألق المنبعث من العينات المُثارة بضوء مستقطب مستوياً. عندما يمتص جزيء فلوري ضوءاً مستقطباً، قد يدور قبل إعادة إصدار فوتون، وتكشف قياسات التباين عن متوسط ​​الإزاحة الزاوية التي تحدث بين الامتصاص والانبعاث. هذا يجعل تباين التألق أداةً مفيدةً لتحديد شكل الجزيء الكبير أو لدراسة حركته الجزيئية الموضعية.

في مطيافية الرنين النووي المغناطيسي ، يحدد اتجاه النوى بالنسبة للمجال المغناطيسي المطبق إزاحتها الكيميائية . تنشأ الأنظمة غير المتناحية من جزيئات ذات مناطق كثافة إلكترونية غير متمركزة، مثل نظام π (باي) في البنزين ، حيث تولد إلكترونات π الدائرة تيارًا حلقيًا مغناطيسيًا معاكسًا ينتج عنه مجال مغناطيسي ثانوي. اعتمادًا على الموقع المكاني للنوى المجاورة، إما أن يعزز هذا المجال الثانوي المجال المطبق أو يعاكسه، مما يؤدي إلى تغير الإزاحة الكيميائية المرصودة، وهذا ما يُعرف بتباين الإزاحة الكيميائية. ^{[ 1 ]}

تتميز صور البيئة المرتبطة بالجاذبية أو البيئة التي صنعها الإنسان بأنها غير متجانسة بشكل خاص في مجال التوجيه، حيث توجد بنية الصورة بشكل أكبر في التوجيهات الموازية أو المتعامدة مع اتجاه الجاذبية (الرأسي والأفقي).

أعلن علماء فيزياء من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، عام 1977 عن اكتشافهم لتباين الخواص الكونية في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. وأظهرت تجربتهم انزياح دوبلر الناتج عن حركة الأرض بالنسبة لمادة الكون المبكر ، مصدر الإشعاع. ^{[ 2 ]} كما لوحظ تباين الخواص الكونية في محاذاة محاور دوران المجرات وزوايا استقطاب الكوازارات. ^{[ 3 ]}

يستخدم الفيزيائيون مصطلح التباين المغناطيسي لوصف خصائص المواد التي تعتمد على الاتجاه. فعلى سبيل المثال، قد يحدث التباين المغناطيسي في البلازما ، بحيث يكون مجالها المغناطيسي موجهاً في اتجاه معين. وقد تُظهر البلازما أيضاً ظاهرة "الخيوط" (كما هو الحال في البرق أو كرة البلازما ) التي تكون موجهة.

يتميز السائل غير المتجانس بسيولة السائل العادي، ولكنه يتمتع بترتيب بنيوي متوسط ​​بالنسبة لبعضه البعض على طول المحور الجزيئي، على عكس الماء أو الكلوروفورم اللذين لا يحتويان على أي ترتيب بنيوي للجزيئات. وتُعد البلورات السائلة أمثلة على السوائل غير المتجانسة.

تتميز بعض المواد بتوصيل حراري متجانس، أي أنه لا يتأثر بالاتجاه المكاني حول مصدر الحرارة. أما التوصيل الحراري فهو في الغالب غير متجانس، مما يستلزم نمذجة هندسية دقيقة لمختلف المواد التي تخضع لإدارة حرارية. وغالبًا ما تكون المواد المستخدمة لنقل الحرارة وتشتيتها من مصدر الحرارة في الإلكترونيات غير متجانسة. ^{[ 4 ]}

تتميز العديد من البلورات بخاصية التباين البصري ( عدم تجانس الخواص الضوئية)، وتُظهر خصائص مثل الانكسار المزدوج . يصف علم البصريات البلورية انتشار الضوء في هذه الأوساط. يُعرَّف "محور التباين" بأنه المحور الذي ينكسر عنده التماثل (أو محور التناظر، مثل العمودي على الطبقات البلورية). قد تحتوي بعض المواد على محاور بصرية متعددة .

التباين الزلزالي هو تغير سرعة الموجات الزلزالية بتغير الاتجاه. ويُعد مؤشرًا على وجود ترتيب طويل المدى في المادة، حيث تتجه العناصر الأصغر من الطول الموجي الزلزالي (مثل البلورات، والشقوق، والمسام، والطبقات، والشوائب) في اتجاه محدد. ويؤدي هذا الاتجاه إلى تغير اتجاهي في سرعة موجات المرونة . ويمكن أن يوفر قياس تأثيرات التباين في البيانات الزلزالية معلومات مهمة حول العمليات والمعادن في باطن الأرض؛ وقد تم رصد تباين زلزالي كبير في قشرة الأرض ، ووشاحها ، ونواتها الداخلية .

يمكن أن تُظهر التكوينات الجيولوجية ذات الطبقات المتميزة من المواد الرسوبية تباينًا كهربائيًا؛ حيث تختلف الموصلية الكهربائية في اتجاه معين (مثلًا، موازٍ للطبقة) عن تلك في اتجاه آخر (مثلًا ، عمودي على الطبقة). تُستخدم هذه الخاصية في صناعة استكشاف الغاز والنفط لتحديد الرمال الحاملة للهيدروكربونات في تتابعات الرمل والطفل . تتميز الرمال الحاملة للهيدروكربونات بمقاومة عالية (موصلية منخفضة)، بينما يتميز الطفل بمقاومة أقل. تقيس أجهزة تقييم التكوينات هذه الموصلية أو المقاومة، وتُستخدم النتائج للمساعدة في العثور على النفط والغاز في الآبار. يمكن أن يتغير التباين الميكانيكي المقاس لبعض الصخور الرسوبية، مثل الفحم والطفل، مع تغيرات مماثلة في خصائص سطحها، مثل الامتصاص، عند إنتاج الغازات من مكامن الفحم والطفل. ^{[ 5 ]}

غالباً ما تكون الموصلية الهيدروليكية للخزانات الجوفية غير متجانسة لنفس السبب. عند حساب تدفق المياه الجوفية إلى المصارف ^{[ 6 ]} أو إلى الآبار ^{[ 7 ]} ، يجب مراعاة الفرق بين النفاذية الأفقية والرأسية؛ وإلا فقد تكون النتائج عرضة للخطأ.

معظم المعادن المكونة للصخور شائعة التباين في الخواص، بما في ذلك الكوارتز والفلسبار . ويُلاحظ التباين في الخواص المعدنية بشكلٍ واضح في خصائصها البصرية . تُشكل هذه الخصائص البصرية أساس أساليب تحديد المعادن الحديثة، بما في ذلك تلك القائمة على تقنيات الذكاء الاصطناعي ^{[ 8 ]} . ومن الأمثلة على المعادن المتجانسة الخواص العقيق .

تُظهر الصخور النارية مثل الجرانيت أيضًا تباين الخواص بسبب اتجاه المعادن أثناء عملية التصلب. ^{[ 9 ]}

يُعدّ التباين الاتجاهي خاصية معروفة في التصوير بالموجات فوق الصوتية الطبية ، إذ يصف اختلاف صدى الأنسجة الرخوة، كالأوتار ، عند تغيير زاوية المحوّل . تظهر ألياف الوتر شديدة الصدى (ساطعة) عندما يكون المحوّل عموديًا على الوتر، ولكنها قد تظهر منخفضة الصدى (داكنة) عندما يكون المحوّل مائلًا. وقد يُشكّل هذا مصدرًا لخطأ في التفسير لدى الممارسين غير المتمرسين. ^{[ 10 ]}

في علم المواد ، يُعرف التباين الاتجاهي بأنه اعتماد خاصية فيزيائية معينة للمادة على اتجاهها . ويُعد هذا عاملاً حاسماً في اختيار المواد في التطبيقات الهندسية. تُسمى المادة التي تتميز بخصائص فيزيائية متناظرة حول محور عمودي على مستوى التناظر مادة متناحية عرضياً . ويمكن استخدام وصف الموترات لخصائص المادة لتحديد اعتماد تلك الخاصية على اتجاهها. بالنسبة للمواد أحادية البلورة ، يرتبط التباين الاتجاهي بتناظر البلورة، بمعنى أن البلورات الأكثر تناظراً تحتوي على عدد أقل من المعاملات المستقلة في وصف الموترات لخاصية معينة. ^{[ 11 ] [ 12 ]} أما في حالة المواد متعددة البلورات ، فغالباً ما يرتبط اعتماد الخصائص على اتجاهها بتقنيات المعالجة التي خضعت لها. فالمادة ذات الحبيبات ذات التوجه العشوائي تكون متناحية، بينما المواد ذات النسيج غالباً ما تكون متباينة. وتنتج المواد ذات النسيج عادةً عن تقنيات معالجة مثل الدرفلة على البارد ، وسحب الأسلاك ، والمعالجة الحرارية .

تعتمد الخواص الميكانيكية للمواد، مثل معامل يونغ ، والمطيلية ، وقوة الخضوع ، ومعدل الزحف عند درجات الحرارة العالية ، غالبًا على اتجاه القياس. ^{[ 13 ]} وتُعدّ خواص الموتر من الرتبة الرابعة ، كالثوابت المرنة، غير متجانسة، حتى بالنسبة للمواد ذات التناظر المكعب. يربط معامل يونغ بين الإجهاد والانفعال عند تشوه مادة متجانسة الخواص تشوهًا مرنًا؛ أما لوصف المرونة في مادة غير متجانسة الخواص، فتُستخدم موترات الصلابة (أو الامتثال) بدلًا من ذلك.

في المعادن، يظهر سلوك المرونة المتباينة في جميع البلورات الأحادية، حيث توجد ثلاثة معاملات مستقلة للبلورات المكعبة، على سبيل المثال. بالنسبة للمواد المكعبة ذات المراكز الوجهية مثل النيكل والنحاس، تكون الصلابة أعلى ما يمكن على طول الاتجاه <111>، العمودي على المستويات المتراصة، وأدنى ما يمكن بالتوازي مع الاتجاه <100>. أما التنجستن، فهو متجانس الخواص تقريبًا عند درجة حرارة الغرفة، لدرجة أنه يمكن اعتباره ذا معاملَي صلابة فقط؛ والألومنيوم معدن آخر متجانس الخواص تقريبًا.

بالنسبة للمواد المتجانسة،$${\displaystyle G=E/[2(1+\nu )],}$$أين${\displaystyle G}$هو معامل القص ،${\displaystyle E}$هو معامل يونغ ، و${\displaystyle \nu }$هي نسبة بواسون للمادة . لذلك، بالنسبة للمواد المكعبة، يمكننا التفكير في التباين.${\displaystyle a_{r}}$، كنسبة بين معامل القص المحدد تجريبياً للمادة المكعبة ومكافئها (المتجانس): $${\displaystyle a_{r}={\frac {G}{E/[2(1+\nu )]}}={\frac {2(1+\nu )G}{E}}\equiv {\frac {2C_{44}}{C_{11}-C_{12}}}.}$$

يُعرف التعبير الأخير بنسبة زينر ،${\displaystyle a_{r}}$، أين${\displaystyle C_{ij}}$يشير ذلك إلى الثوابت المرنة في تدوين فويغت (المتجه-المصفوفة) . بالنسبة للمادة المتجانسة، تكون النسبة واحدًا.

يتم تجاوز قيد نسبة زينر على المواد المكعبة في مؤشر التباين الموتري A ^{T [ 14 ]} الذي يأخذ في الاعتبار جميع المكونات الـ 27 لموتر الصلابة المتباين الخواص بالكامل. ويتكون من جزأين رئيسيين.${\displaystyle A^{I}}$و${\displaystyle A^{A}}$يشير الأول إلى المكونات الموجودة في الموتر التكعيبي، بينما يشير الثاني إلى المكونات الموجودة في الموتر غير المتناحي، بحيث${\displaystyle A^{T}=A^{I}+A^{A}.}$يتضمن هذا المكون الأول نسبة زينر المعدلة، ويأخذ في الاعتبار أيضًا الاختلافات الاتجاهية في المادة، الموجودة في المواد المتعامدة الخواص، على سبيل المثال. أما المكون الثاني من هذا المؤشر فيتضمن نسبة زينر المعدلة، بالإضافة إلى مراعاة الاختلافات الاتجاهية في المادة، الموجودة في المواد المتعامدة الخواص، على سبيل المثال.${\displaystyle A^{A}}$يغطي تأثير معاملات الصلابة التي لا تساوي الصفر إلا بالنسبة للمواد غير المكعبة وتبقى صفرًا فيما عدا ذلك.

تُظهر المواد المركبة المدعمة بالألياف أو متعددة الطبقات خصائص ميكانيكية متباينة الخواص، وذلك تبعًا لاتجاه مادة التقوية. في العديد من المواد المركبة المدعمة بالألياف، مثل المواد المركبة المصنوعة من ألياف الكربون أو الألياف الزجاجية، يُمكن أن يُحدد نسيج المادة (مثل النسيج أحادي الاتجاه أو النسيج العادي) مدى تباين الخواص في المادة الأساسية. ^{[ 15 ]} تتيح إمكانية ضبط اتجاه الألياف تصميمات للمواد المركبة بناءً على التطبيقات، وذلك تبعًا لاتجاه الإجهادات المُطبقة على المادة.

تتميز المواد غير المتبلورة، كالزجاج والبوليمرات، بخواصها المتجانسة. ونظرًا للتوزيع العشوائي للجزيئات الكبيرة في المواد البوليمرية، تُوصف البوليمرات عمومًا بأنها متجانسة الخواص. مع ذلك، يمكن هندسة البوليمرات ذات التدرج الميكانيكي لتتمتع بخواص تعتمد على الاتجاه من خلال تقنيات المعالجة أو إدخال عناصر مُحفزة للتباين. وقد قام الباحثون ببناء مواد مركبة ذات ألياف مُرتبة وفراغات لتوليد هيدروجيلات متباينة الخواص ، وذلك لمحاكاة المواد البيولوجية اللينة ذات الترتيب الهرمي. ^{[ 16 ]} ويمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد، وخاصةً نمذجة الترسيب المنصهر، إدخال خاصية التباين في الأجزاء المطبوعة. ويعود ذلك إلى أن تقنية نمذجة الترسيب المنصهر مصممة لبثق وطباعة طبقات من المواد البلاستيكية الحرارية. ^{[ 17 ]} وينتج عن ذلك مواد قوية عند تطبيق إجهاد شد موازٍ للطبقات وضعيفة عند تطبيق إجهاد شد عمودي عليها.

تُستخدم تقنيات الحفر غير المتناحي (مثل الحفر الأيوني التفاعلي العميق ) في عمليات التصنيع الدقيق لإنشاء هياكل مجهرية محددة بدقة ذات نسبة أبعاد عالية . تُستخدم هذه الهياكل بشكل شائع في الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ( MEMS ) والأجهزة الميكروفلويدية ، حيث يُعدّ تباين الخواص في هذه الهياكل ضروريًا لإضفاء الخصائص البصرية أو الكهربائية أو الفيزيائية المطلوبة على الجهاز. كما يُمكن أن يُشير مصطلح الحفر غير المتناحي إلى بعض المواد الكيميائية المستخدمة في حفر مادة معينة بشكل تفضيلي على مستويات بلورية محددة (على سبيل المثال، ينتج عن حفر السيليكون [ 100] باستخدام هيدروكسيد البوتاسيوم هياكل هرمية الشكل).

التصوير بالرنين المغناطيسي الموزون بالانتشار هو تقنية تصوير بالرنين المغناطيسي تعتمد على قياس التباين الجزئي للحركة العشوائية ( الحركة البراونية ) لجزيئات الماء في الدماغ. تميل جزيئات الماء الموجودة في المسارات الليفية إلى الحركة بشكل غير متجانس، نظرًا لتقييد حركتها (حيث تتحرك بشكل أكبر في البعد الموازي للمسار الليفي مقارنةً بالبعدين المتعامدين عليه)، بينما تتمتع جزيئات الماء المنتشرة في باقي أنحاء الدماغ بحركة أقل تقييدًا، وبالتالي تُظهر تجانسًا أكبر. يُستغل هذا الاختلاف في التباين الجزئي لإنشاء خريطة للمسارات الليفية في أدمغة الأفراد.

غالبًا ما تكون حقول الإشعاع (انظر دالة توزيع الانعكاس ثنائي الاتجاه (BRDF)) الصادرة من سطح عاكس غير متجانسة الخواص. وهذا ما يجعل حساب إجمالي الطاقة المنعكسة من أي مشهد أمرًا صعبًا. في تطبيقات الاستشعار عن بُعد ، يمكن اشتقاق دوال التباين لمشاهد محددة، مما يُبسط بشكل كبير حساب صافي الانعكاس أو (وبالتالي) صافي الإشعاع للمشهد. على سبيل المثال، لنفترض أن دالة توزيع الانعكاس ثنائي الاتجاه هي${\displaystyle \gamma (\Omega _{i},\Omega _{v})}$حيث يرمز الحرف 'i' إلى اتجاه السقوط، ويرمز الحرف 'v' إلى اتجاه الرؤية (كما لو كان من قمر صناعي أو جهاز آخر). ولنفترض أن P هي البياض المستوي، الذي يمثل الانعكاس الكلي من المشهد. $${\displaystyle P(\Omega _{i})=\int _{\Omega _{v}}\gamma (\Omega _{i},\Omega _{v}){\hat {n}}\cdot d{\hat {\Omega }}_{v}}$$$${\displaystyle A(\Omega _{i},\Omega _{v})={\frac {\gamma (\Omega _{i},\Omega _{v})}{P(\Omega _{i})}}}$$

يُعد هذا الأمر ذا أهمية لأنه، بمعرفة دالة التباين كما هي مُعرّفة، يُمكن قياس دالة توزيع الانعكاس ثنائي الاتجاه ( BRDF) من اتجاه رؤية واحد (على سبيل المثال،${\displaystyle \Omega _{v}}$ينتج عن ذلك مقياس لانعكاس المشهد الكلي ( البياض المستوي ) لتلك الهندسة الساقطة المحددة (على سبيل المثال،${\displaystyle \Omega _{i}}$).