الهندسة الهيدروليكية

يُعرّف كتاب أساسيات الهندسة الهيدروليكية علم السوائل الساكنة بأنه دراسة السوائل في حالة السكون. ^{[ 1 ]} في السائل الساكن، توجد قوة تُعرف بالضغط، تؤثر على محيطه. هذا الضغط، الذي يُقاس بوحدة نيوتن/م² ^، ليس ثابتًا في جميع أنحاء جسم السائل. يزداد الضغط، p، في جسم سائل معين مع ازدياد العمق. حيث تؤثر القوة الصاعدة على الجسم من قاعدته، ويمكن إيجادها بالمعادلة التالية:

${\displaystyle p=\rho gy}$

أين،

ρ = كثافة الماء

g = الكثافة النوعية

y = عمق كتلة السائل

بإعادة ترتيب هذه المعادلة، ستحصل على ضغط الماء${\displaystyle {\frac {p}{\rho g}}=y}$تتضمن الأجهزة الأساسية لقياس الضغط أربعة أجهزة هي: البيزومتر ، والمانومتر ، والمانومتر التفاضلي، ومقياس بوردون ، بالإضافة إلى المانومتر المائل. ^{[ 1 ]}

كما ذكر براسون ^{[ 1 ]} :

في الأجسام المغمورة غير المضطربة، يؤثر الضغط على جميع أسطح الجسم في السائل، مما يؤدي إلى قوى عمودية متساوية في الجسم تعمل ضد ضغط السائل. يُعرف هذا التفاعل بالاتزان. ومن التطبيقات الأكثر تقدماً للضغط، على سبيل المثال لا الحصر، تأثيره على الأسطح المستوية، والأسطح المنحنية، والسدود، والبوابات الربعية. ^{[ 1 ]}

استُخدمت الهندسة الهيدروليكية في بداياتها لري المحاصيل، ويعود تاريخها إلى الشرق الأوسط وأفريقيا . وقد استُخدم التحكم في حركة المياه وإمدادها لزراعة الغذاء لآلاف السنين. ومن أقدم الآلات الهيدروليكية، الساعة المائية، التي استُخدمت في أوائل الألفية الثانية قبل الميلاد. ^{[ 4 ]} ومن الأمثلة المبكرة الأخرى على استخدام الجاذبية لتحريك المياه نظام القنوات في بلاد فارس القديمة، ونظام توربان المائي المشابه له في الصين القديمة، بالإضافة إلى قنوات الري في بيرو. ^{[ 5 ]}

في الصين القديمة ، بلغت الهندسة الهيدروليكية مستوىً متقدماً، حيث شيّد المهندسون قنوات ضخمة مزودة بسدود وجسور لتوجيه تدفق المياه لأغراض الري، بالإضافة إلى أهوسة لتسهيل مرور السفن. يُعتبر سونشو آو أول مهندس هيدروليكي صيني. كما يُنسب إلى شيمين باو ، وهو مهندس هيدروليكي صيني بارز آخر، الفضل في بدء ممارسة الري بالقنوات على نطاق واسع خلال فترة الممالك المتحاربة (481  ق.م - 221  ق.م)، ولا يزال المهندسون الهيدروليكيون يحظون بمكانة مرموقة في الصين حتى اليوم.

في العصر القديم للفلبين ، تطورت الهندسة الهيدروليكية بشكل خاص في جزيرة لوزون . بنى شعب إيفوغاو ، سكان منطقة كورديليراس الجبلية ، أنظمة ري وسدودًا ومنشآت هيدروليكية، بالإضافة إلى مدرجات باناوي الشهيرة للأرز، كوسيلة للمساعدة في زراعة المحاصيل حوالي عام 1000 قبل الميلاد. ^{[ 6 ]} تُعد هذه المدرجات الزراعية ، التي يعود تاريخها إلى 2000 عام، منحوتة في جبال إيفوغاو بالفلبين على يد أسلاف السكان الأصليين . ويُشار إليها عادةً باسم " العجيبة الثامنة في العالم ". ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} ويُعتقد عمومًا أن هذه المدرجات بُنيت بأقل قدر من المعدات، وبشكل أساسي يدويًا. تقع المدرجات على ارتفاع 1500 متر تقريبًا (5000 قدم) فوق مستوى سطح البحر، وتُروى بنظام ري قديم من الغابات المطيرة التي تعلوها. ويُقال إنه لو وُضعت هذه المدرجات جنبًا إلى جنب، لكانت ستُحيط بنصف الكرة الأرضية. ^{[ 10 ]} 

كان يوبالينوس الميغاري مهندسًا يونانيًا قديمًا بنى نفق يوبالينوس في ساموس في القرن السادس قبل الميلاد، وهو إنجاز هام في الهندسة المدنية والهيدروليكية. تمثلت الجوانب الهندسية المدنية لهذا النفق في حفره من كلا الطرفين ، مما استلزم من الحفارين الحفاظ على مسار دقيق لضمان التقاء النفقين، وأن يحافظ النفق بأكمله على ميل كافٍ يسمح بتدفق المياه.

حظيت الهندسة الهيدروليكية بأهمية بالغة في إمبراطورية الإنكا، إذ امتلكوا القدرة على التحكم في المياه. ففي تيبون، وبفضل إنشاء المدرجات الزراعية، تمكنت المياه من الوصول إلى مختلف المناطق، بما في ذلك مساكن النخبة، واستمر توزيعها في المستويات الأدنى باتجاه الزراعة، مما ساهم في إعالة مجتمع بأكمله من خلال هذه المدرجات. ^{[ 11 ]}

شهدت الهندسة الهيدروليكية تطوراً كبيراً في أوروبا تحت رعاية الإمبراطورية الرومانية ، حيث طُبقت بشكل خاص في بناء وصيانة قنوات المياه لتزويد المدن بالمياه والتخلص من مياه الصرف الصحي. ^{[ 3 ]} وإلى جانب تلبية احتياجات مواطنيهم، استخدموا أساليب التعدين الهيدروليكي للتنقيب عن رواسب الذهب الغرينية واستخراجها بتقنية تُعرف باسم "الضخ" ، وطبقوا هذه الأساليب على خامات أخرى مثل القصدير والرصاص .

في القرن الخامس عشر، كانت إمبراطورية أجوران الصومالية الإمبراطورية المائية الوحيدة في أفريقيا. وبصفتها إمبراطورية مائية، احتكرت دولة أجوران موارد المياه في نهري جوبا وشبيلي . ومن خلال الهندسة المائية، شيدت العديد من الآبار والخزانات الجيرية في الدولة ، والتي لا تزال تعمل وتُستخدم حتى اليوم. وقد طور الحكام أنظمة جديدة للزراعة والضرائب ، استمر استخدامها في أجزاء من القرن الأفريقي حتى القرن التاسع عشر. ^{[ 12 ]}

شهد العالم الإسلامي مزيدًا من التطورات في الهندسة الهيدروليكية بين القرنين الثامن والسادس عشر، خلال ما يُعرف بالعصر الذهبي الإسلامي . وكان من أهم هذه التطورات " المجمع التكنولوجي لإدارة المياه "، الذي شكّل محور الثورة الخضراء الإسلامية . ^{[ 13 ]} طُوّرت مكونات هذا "المجمع" في مناطق مختلفة من القارة الأفروآسيوية ، داخل العالم الإسلامي وخارجه. إلا أنه في الأراضي الإسلامية في العصور الوسطى، جُمع هذا المجمع التكنولوجي ووُحّد، ثم انتشر لاحقًا إلى بقية العالم القديم. ^{[ 14 ]} في ظل حكم الخلافة الإسلامية الموحدة ، جُمعت تقنيات هيدروليكية إقليمية مختلفة في "مجمع تكنولوجي متكامل لإدارة المياه ، كان له أثر عالمي". وشملت مكونات هذا المجمع القنوات والسدود ونظام القنوات المائية الفارسي ، وأجهزة رفع المياه الإقليمية مثل النورية والشادوف والمضخة اللولبية المصرية ، وطاحونة الهواء الأفغانية . ^{[ 14 ]} ومن بين التطورات الإسلامية الأصلية الأخرى، الساقية ذات تأثير دولاب الموازنة من الأندلس الإسلامية، ^{[ 15 ]} ومضخة الشفط الترددية ، ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} وآلية عمود المرفق وقضيب التوصيل من العراق ، [ ^{19 ] [ 20 ] ونظام} إمداد المياه المسنن والمُزوَّد بالطاقة الكهرومائية من سوريا . ^{[ 21 ]}

في كثير من النواحي، لم تتغير أساسيات الهندسة الهيدروليكية منذ العصور القديمة. لا تزال السوائل تُنقل في الغالب بفعل الجاذبية عبر شبكات القنوات المائية، مع أن خزانات الإمداد تُملأ الآن باستخدام المضخات. وقد ازدادت الحاجة إلى الماء باطراد منذ القدم، ويُعدّ دور المهندس الهيدروليكي بالغ الأهمية في توفيره. فعلى سبيل المثال، لولا جهود أشخاص مثل ويليام مولهولاند، لما استطاعت منطقة لوس أنجلوس أن تنمو بهذا الشكل، لأنها ببساطة لا تملك ما يكفي من المياه المحلية لإعالة سكانها. وينطبق الأمر نفسه على العديد من أكبر مدن العالم. وبالمثل، لم يكن وادي كاليفورنيا الأوسط ليصبح منطقة زراعية بهذه الأهمية لولا الإدارة الفعّالة للمياه وتوزيعها لأغراض الري. وبشكل مشابه لما حدث في كاليفورنيا، جلب إنشاء هيئة وادي تينيسي (TVA) فرص عمل وازدهارًا إلى الجنوب من خلال بناء السدود لتوليد الكهرباء الرخيصة والسيطرة على الفيضانات في المنطقة، مما جعل الأنهار صالحة للملاحة، وساهم عمومًا في تحديث الحياة في المنطقة.

أجرى ليوناردو دافنشي (1452-1519) تجاربَ وبحثَ وتأمّلَ في الأمواج والنفاثات والدوامات والانسيابية. ومهّد إسحاق نيوتن (1642-1727)، بصياغته لقوانين الحركة وقانون اللزوجة، بالإضافة إلى تطويره لحساب التفاضل والتكامل، الطريقَ أمام العديد من التطورات العظيمة في ميكانيكا الموائع. وباستخدام قوانين نيوتن للحركة، حلّ العديد من علماء الرياضيات في القرن الثامن عشر العديد من مسائل التدفق عديم الاحتكاك (اللزوجة الصفرية). ومع ذلك، فإن معظم التدفقات تهيمن عليها التأثيرات اللزجة، لذلك وجد مهندسو القرنين السابع عشر والثامن عشر أن حلول التدفق غير اللزج غير مناسبة، ومن خلال التجريب طوّروا معادلات تجريبية، وبذلك أسسوا علم الهيدروليكا. ^{[ 3 ]}

في أواخر القرن التاسع عشر، أُدركت أهمية الأرقام اللابعدية وعلاقتها بالاضطراب، ومن هنا نشأ التحليل البُعدي. في عام ١٩٠٤، نشر لودفيج براندتل بحثًا هامًا، اقترح فيه تقسيم حقول تدفق السوائل منخفضة اللزوجة إلى منطقتين: طبقة حدية رقيقة تهيمن عليها اللزوجة بالقرب من الأسطح الصلبة، ومنطقة خارجية عديمة اللزوجة تقريبًا بعيدًا عن الحدود. فسّر هذا المفهوم العديد من المفارقات السابقة، ومكّن المهندسين اللاحقين من تحليل تدفقات أكثر تعقيدًا. مع ذلك، لا نزال نفتقر إلى نظرية كاملة لطبيعة الاضطراب، ولذا لا تزال ميكانيكا الموائع الحديثة مزيجًا من النتائج التجريبية والنظرية. ^{[ ٢٢ ]}

يستخدم مهندس الهيدروليكا الحديث نفس أنواع أدوات التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) التي تستخدمها العديد من التخصصات الهندسية الأخرى، مع الاستفادة أيضًا من تقنيات مثل ديناميكيات الموائع الحسابية لإجراء الحسابات اللازمة للتنبؤ بدقة بخصائص التدفق، ورسم الخرائط باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للمساعدة في تحديد أفضل المسارات لتركيب النظام، وأدوات المسح القائمة على الليزر للمساعدة في البناء الفعلي للنظام.