الهندسة البحرية

في هندسة السفن البحرية، يهتم التصميم البحري بالتصميم العام للسفينة ونظام دفعها في الماء، بينما يضمن الهندسة البحرية عمل أنظمة السفينة وفقًا للتصميم. ^{[ 3 ]} على الرغم من اختلاف تخصصاتهما، غالبًا ما يعمل المصممون البحريون والمهندسون البحريون جنبًا إلى جنب.

يهتم هندسة المحيطات بالهياكل والأنظمة الأخرى الموجودة في المحيط أو المجاورة له، بما في ذلك المنصات البحرية ، والمنشآت الساحلية كالأرصفة والموانئ ، وأنظمة المحيطات الأخرى مثل تحويل طاقة أمواج المحيط وأنظمة دعم الحياة تحت الماء . ^{[ 4 ]} وهذا في الواقع ما يجعل هندسة المحيطات مجالًا متميزًا عن الهندسة البحرية، التي تُعنى بتصميم وتطبيق الأنظمة الموجودة على متن السفن تحديدًا. ^{[ 5 ]} ومع ذلك، ونظرًا لتشابه المصطلحات وتداخل العديد من التخصصات الأساسية (مثل الديناميكا المائية ، والميكانيكا المائية ، وعلوم المواد )، يُستخدم مصطلح "هندسة المحيطات" أحيانًا تحت مظلة مصطلح "الهندسة البحرية"، لا سيما في الصناعة والأوساط الأكاديمية خارج الولايات المتحدة. وقد تم تطبيق هذا التصنيف نفسه على بقية هذا المقال.

علم المحيطات هو مجال علمي يهتم بجمع وتحليل البيانات لتوصيف المحيط. وعلى الرغم من كونهما تخصصين منفصلين، إلا أن هندسة البحار وعلم المحيطات مترابطان ترابطاً وثيقاً: فغالباً ما يستخدم مهندسو البحار البيانات التي يجمعها علماء المحيطات لتوجيه تصميماتهم وأبحاثهم، ويستخدم علماء المحيطات الأدوات التي صممها مهندسو البحار (وتحديداً مهندسو المحيطات) لتعزيز فهمهم واستكشافهم للمحيط. ^{[ 6 ]}

يشمل الهندسة البحرية العديد من جوانب الهندسة الميكانيكية. ويتجلى هذا الترابط في تصميم أنظمة الدفع على متن السفن. يتولى مهندسو الميكانيكا تصميم محطة الدفع الرئيسية ، وأنظمة الطاقة والتشغيل الآلي لوظائف السفينة، مثل التوجيه، والإرساء ، ومناولة البضائع ، والتدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء، والاتصالات الداخلية والخارجية، وغيرها من المتطلبات ذات الصلة. أما أنظمة توليد وتوزيع الطاقة الكهربائية ، فيتولى موردوها تصميمها عادةً؛ وتقتصر مسؤولية الهندسة البحرية على التركيب فقط.

علاوة على ذلك، يُعدّ فهم مواضيع الهندسة الميكانيكية، مثل ديناميكا الموائع ، وميكانيكا الموائع ، ونظرية الموجات الخطية ، ومقاومة المواد ، وميكانيكا الإنشاءات ، وديناميكا الإنشاءات ، أمرًا أساسيًا لمجموعة مهارات مهندس السفن. وتُشكّل هذه المواضيع، إلى جانب غيرها من مواضيع الهندسة الميكانيكية، جزءًا لا يتجزأ من مناهج هندسة السفن. ^{[ 7 ]}

تلعب مفاهيم الهندسة المدنية دورًا مهمًا في العديد من مشاريع الهندسة البحرية مثل تصميم وبناء الهياكل البحرية والجسور والأنفاق البحرية وتصميم الموانئ .

غالباً ما تتعامل الهندسة البحرية مع مجالات الهندسة الكهربائية والروبوتات ، وخاصة في التطبيقات المتعلقة باستخدام كابلات أعماق البحار والمركبات تحت الماء غير المأهولة .

تُثبت معرفة الهندسة البحرية فائدتها في مجال هندسة البترول، حيث تعتبر الديناميكا المائية وتكامل قاع البحر عناصر أساسية في تصميم وصيانة منصات النفط البحرية .

الإنشاءات البحرية هي عملية بناء المنشآت في المسطحات المائية الكبيرة أو بالقرب منها، وعادةً ما تكون البحار. تُبنى هذه المنشآت لأغراض متنوعة، تشمل النقل وإنتاج الطاقة والترفيه. وتتضمن الإنشاءات البحرية استخدام مواد بناء متنوعة، أبرزها الفولاذ والخرسانة . ومن أمثلة المنشآت البحرية: السفن، والمنصات البحرية، ومراسي السفن، وخطوط الأنابيب، والكابلات، والأرصفة، والجسور، والأنفاق، وحواجز الأمواج، والأحواض.

بنفس الطريقة التي يصمم بها مهندسو الإنشاءات المدنية المباني والجسور لتحمل أحمال الرياح، يصمم مهندسو الإنشاءات البحرية السفن والغواصات لتحمل تعرضها لملايين الأمواج على مدار عمرها التشغيلي. وتوجد ظروف التحميل هذه أيضًا في الإنشاءات البحرية والهندسة الساحلية.

تحتاج أي سفينة بحرية باستمرار إلى الاستقرار الهيدروستاتيكي. يهتم مهندس تصميم السفن ، كحال مصمم الطائرات، بالاستقرار . ما يميز عمل مهندس تصميم السفن هو أن السفينة تعمل في سائلين في آن واحد: الماء والهواء. حتى بعد تصميم السفينة وإطلاقها في البحر، يواجه مهندسو السفن تحدي موازنة الحمولة، حيث أن تكديس الحاويات عموديًا يزيد من كتلة السفينة ويرفع مركز ثقلها. كما يمثل وزن الوقود مشكلة، إذ قد يتسبب ميل السفينة في تحرك السائل، مما يؤدي إلى اختلال التوازن. في بعض السفن، يُعالج هذا الاختلال بتخزين الماء في خزانات صابورة أكبر . مهندسو السفن مسؤولون عن موازنة وتتبع الوقود ومياه الصابورة في السفينة. وتواجه المنشآت البحرية العائمة قيودًا مماثلة.

إن البيئة البحرية المالحة التي تواجهها السفن تجعلها عرضة للتآكل بشكل كبير. وفي كل مشروع، يهتم مهندسو السفن بحماية الأسطح ومنع التآكل الجلفاني . ويمكن تثبيط التآكل من خلال الحماية الكاثودية عن طريق إدخال قطع معدنية (مثل الزنك ) لتكون بمثابة "قطب تضحية" في تفاعل التآكل. وهذا يؤدي إلى تآكل المعدن بدلاً من هيكل السفينة. وهناك طريقة أخرى لمنع التآكل وهي تمرير كمية مضبوطة من تيار مستمر منخفض عبر هيكل السفينة، مما يغير الشحنة الكهربائية للهيكل ويؤخر بدء التآكل الكهروكيميائي. وتُواجَه مشاكل مماثلة في المنشآت الساحلية والبحرية.

مكافحة التلوث البيولوجي هي عملية إزالة الكائنات الحية التي تعيق عمل المكونات الأساسية لأنظمة مياه البحر. وتختلف هذه العملية باختلاف طبيعة وموقع نمو الكائنات البحرية، وتُنفذ بعدة طرق مختلفة:

• قد تنمو الكائنات البحرية وتلتصق بأسطح فتحات سحب المياه الخارجية المستخدمة للحصول على المياه لأنظمة التبريد. تتضمن عملية الكلورة الكهربائية تمرير تيار كهربائي عالي عبر مياه البحر، مما يُغير تركيبها الكيميائي لإنتاج هيبوكلوريت الصوديوم ، وبالتالي إزالة أي مواد حيوية.
• تعتمد إحدى طرق المعالجة الكهروكيميائية لمكافحة التلوث على تمرير تيار كهربائي عبر قطبين سالبين (سكاردينو، 2009). ^{[ 8 ]} يتكون هذان القطبان عادةً من النحاس والألومنيوم (أو الحديد كبديل ). يُطلق القطب النحاسي أيوناته في الماء، مما يخلق بيئة سامة للغاية بالنسبة للمواد الحيوية. أما القطب الألومنيومي، فيُغطي السطح الداخلي للأنابيب لمنع التآكل.
• قد تلتصق أنواع أخرى من الكائنات البحرية، مثل بلح البحر والطحالب، بقاع هيكل السفينة. يؤثر هذا النمو على نعومة وتجانس هيكل السفينة، مما يُفقدها انسيابيتها ويجعلها أبطأ وأقل كفاءة في استهلاك الوقود. ^{[ 9 ]} يمكن معالجة نمو الكائنات البحرية على الهيكل باستخدام طلاء خاص يمنع نمو هذه الكائنات.

التجويف هو عملية تكوّن فقاعة هواء في سائل نتيجة تبخره بفعل منطقة ضغط منخفض. تُخفّض هذه المنطقة درجة غليان السائل، مما يسمح له بالتبخر إلى غاز. قد يحدث التجويف في المضخات، مما قد يُلحق الضرر بالمروحة التي تُحرّك السوائل عبر النظام. كما يُلاحظ التجويف في أنظمة الدفع، حيث تتشكّل جيوب ضغط منخفض على سطح شفرات المروحة مع ازدياد عدد دوراتها في الدقيقة. ^{[ 12 ]} يُسبّب التجويف على المروحة انفجارًا داخليًا صغيرًا ولكنه عنيف، مما قد يُشوّه شفرة المروحة. ولحلّ هذه المشكلة، يُمكن استخدام عدد أكبر من الشفرات للحصول على نفس قوة الدفع ولكن بمعدل دوران أقل. يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية للغواصات، حيث يجب أن تُحافظ المروحة على هدوء الغواصة نسبيًا للبقاء مُختبئة. مع وجود عدد أكبر من شفرات المروحة، تستطيع الغواصة تحقيق نفس قوة الدفع عند عدد دورات أقل للمحور.

يُعدّ التحميل الموجي في أغلب الأحيان تطبيق حمل نبضي أو موجي على مادة أو جسم. ويُستخدم هذا النوع من التحميل بشكل شائع في تحليل الأنابيب والسفن والمباني التي تتعرض لاضطرابات الرياح أو المياه أو الزلازل .

عند تصميم الأنظمة العاملة في القطب الشمالي (وخاصة المعدات العلمية كالأجهزة الأرصادية والعوامات المحيطية )، يواجه مهندسو الملاحة البحرية تحديات تصميمية جمة. يجب أن تكون هذه المعدات قادرة على العمل في درجات حرارة قصوى لفترات طويلة، غالباً مع الحد الأدنى من الصيانة أو بدونها. وهذا يستلزم استخدام مواد فائقة المقاومة للحرارة ومكونات إلكترونية دقيقة ومتينة.

يُطبّق هندسة السواحل مزيجًا من الهندسة المدنية وغيرها من التخصصات لابتكار حلول ساحلية للمناطق الواقعة على طول المحيط أو بالقرب منه. ولحماية السواحل من قوى الأمواج والتآكل وارتفاع مستوى سطح البحر ، يجب على مهندسي الملاحة البحرية النظر في استخدام حلول البنية التحتية التقليدية - مثل كاسر الأمواج أو العبارات أو الجدران البحرية المصنوعة من الصخور والخرسانة - أو حلول البنية التحتية الخضراء التي تتضمن نباتات مائية وأشجار المانغروف و/أو النظم البيئية للمستنقعات. ^{[ 14 ]} وقد وُجد أن البنية التحتية التقليدية أكثر تكلفة في البناء والصيانة، ولكنها قد توفر حماية أفضل ضد قوى المحيط في بيئات الأمواج عالية الطاقة. ^{[ 15 ]} أما الحلول الخضراء فهي عمومًا أقل تكلفة وأكثر انسجامًا مع الغطاء النباتي المحلي، ولكنها قد تكون عرضة للتآكل أو التلف في حال تنفيذها بشكل غير صحيح. ^{[ 16 ]} وفي كثير من الحالات، يختار المهندسون نهجًا هجينًا يجمع بين عناصر الحلول التقليدية والخضراء. ^{[ 17 ]}

في كل مشروع ساحلي وبحري، تُعدّ الاستدامة البيئية اعتبارًا هامًا للحفاظ على النظم البيئية للمحيطات والموارد الطبيعية . ومن الأمثلة على استفادة مهندسي الملاحة البحرية من معرفة الهندسة البيئية: إنشاء مصائد الأسماك ، وتنظيف بقع النفط ، وإيجاد حلول ساحلية . ^{[ 18 ]}

يتم استخدام عدد من الأنظمة المصممة كلياً أو جزئياً من قبل مهندسين بحريين في عرض البحر - بعيداً عن السواحل.

قد يتولى مهندس السفن أيضًا تخطيط وإنشاء وتوسيع وتعديل تصاميم الموانئ والمرافئ . ويمكن أن تكون المرافئ طبيعية أو اصطناعية، وهي تحمي السفن الراسية من الرياح والأمواج والتيارات. ^{[ 21 ]} ويمكن تعريف الموانئ بأنها مدينة أو بلدة أو مكان ترسو فيه السفن لتحميلها أو تفريغها. وتقع الموانئ عادةً داخل المرفأ، وتتكون من محطة واحدة أو أكثر تتعامل مع نوع معين من البضائع، بما في ذلك الركاب أو البضائع السائبة أو البضائع المعبأة في حاويات . ^{[ 22 ]} ويقوم مهندسو السفن بتخطيط وتصميم أنواع مختلفة من المحطات والمنشآت البحرية الموجودة في الموانئ، ويجب عليهم فهم الأحمال الواقعة على هذه المنشآت طوال فترة تشغيلها.

تُجرى تعديلات وتحسينات مستمرة على تقنيات الإنقاذ البحري لاستعادة حطام السفن. ويستخدم المهندسون البحريون مهاراتهم للمساعدة في بعض مراحل هذه العملية.

يتمتع مهندسو الملاحة البحرية بخلفيات هندسية متنوعة، ويعملون في وظائف صناعية مختلفة تشمل جميع مجالات الرياضيات والعلوم والتكنولوجيا والهندسة. تتخصص بعض الشركات، مثل أوشينيرينغ إنترناشونال وفان أورد، في هندسة الملاحة البحرية، بينما تقدم شركات أخرى خدمات استشارية لمهندسي الملاحة البحرية لمشاريع محددة. ويشيع هذا النوع من الاستشارات في قطاع النفط، حيث تستعين شركات مثل إكسون موبيل وبي بي بمهندسي الملاحة البحرية لإدارة جوانب من مشاريع الحفر البحرية التابعة لها.

تُتيح الهندسة البحرية استخداماتٍ عديدة في المجال العسكري ، لا سيما في البحرية . فكثيراً ما تُنفّذ وحدات الهندسة البحرية (Seabees) التابعة للبحرية الأمريكية ، وفيلق المهندسين المدنيين ، وضباط الهندسة ، أعمالاً متعلقة بالهندسة البحرية. كما تُشارك شركات المقاولات العسكرية (وخاصةً تلك العاملة في أحواض بناء السفن) وفيلق المهندسين بالجيش الأمريكي في بعض مشاريع الهندسة البحرية.

في عام 2012، بلغ متوسط ​​الدخل السنوي لمهندسي الملاحة البحرية في الولايات المتحدة 96,140 دولارًا أمريكيًا، بمتوسط ​​أجر ساعة عمل قدره 46.22 دولارًا أمريكيًا. ^{[ 23 ]} ومن المتوقع أن ينمو مجال هندسة الملاحة البحرية بنسبة 12% تقريبًا خلال الفترة من 2016 إلى 2026. ويعمل حاليًا حوالي 8,200 مهندس معماري بحري ومهندس بحري، ومن المتوقع أن يرتفع هذا العدد إلى 9,200 بحلول عام 2026. ^{[ 24 ]} ويعود ذلك، جزئيًا على الأقل، إلى الدور المحوري الذي يلعبه قطاع الشحن في سلسلة التوريد العالمية؛ إذ تُنقل 80% من التجارة العالمية من حيث الحجم عبر البحار بواسطة ما يقارب 50,000 سفينة، جميعها تتطلب وجود مهندسي الملاحة البحرية على متنها وعلى الشاطئ. ^{[ 25 ]} إضافةً إلى ذلك، يستمر نمو قطاع الطاقة البحرية، وتزداد الحاجة إلى حلول ساحلية نتيجة لارتفاع مستوى سطح البحر .

• معهد العلوم والتكنولوجيا البحرية
• الجامعة البحرية العالمية
• جمعية تكنولوجيا ما تحت الماء
• جمعية مهندسي المحيطات التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات
• معهد الهندسة البحرية والبحوث
• الجامعة البحرية الهندية
• المعهد الملكي للمهندسين المعماريين البحريين (RINA)
• أكاديمية باكستان البحرية
• جمعية مهندسي العمارة البحرية والمهندسين البحريين (SNAME) هي جمعية عالمية تركز على تطوير الصناعة البحرية. تأسست SNAME في عام 1893. ^{[ 26 ]}
• الجمعية الأمريكية لمهندسي البحرية (ASNE)
• SIMAC
• جمعية المهندسين البحريين والمارينا

تقدم العديد من المؤسسات التعليمية، بما في ذلك معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ^{[ 27 ]} ، وجامعة كاليفورنيا في بيركلي ^{[ 28 ]} ، والأكاديمية البحرية الأمريكية [ ^{29 ] ،} وجامعة تكساس إيه آند إم ^{[ 30 ]} ، درجة بكالوريوس العلوم لمدة أربع سنوات في هندسة المحيطات تحديدًا. تتألف البرامج المعتمدة من مواد أساسية في الرياضيات والعلوم، مثل التفاضل والتكامل ، والإحصاء ، والكيمياء ، والفيزياء ؛ ومواد هندسية أساسية، مثل علم السكون ، وعلم الحركة ، والهندسة الكهربائية ، والديناميكا الحرارية ؛ ومواد أكثر تخصصًا، مثل تحليل هياكل المحيطات ، والهيدروميكا ، وإدارة المناطق الساحلية .

يتلقى طلاب الدراسات العليا في هندسة المحيطات دروسًا في مواضيع متقدمة ومتعمقة، ويجرون أبحاثًا لإنجاز أطروحة على مستوى الدراسات العليا. يقدم معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا درجتي الماجستير والدكتوراه في هندسة المحيطات تحديدًا. ^{[ 31 ]} بالإضافة إلى ذلك، يستضيف المعهد برنامجًا مشتركًا مع مؤسسة وودز هول لعلوم المحيطات للطلاب الذين يدرسون هندسة المحيطات ومواضيع أخرى ذات صلة بالمحيطات على مستوى الدراسات العليا. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

تشمل المجلات المتخصصة في هندسة المحيطات مجلة هندسة المحيطات ^{[ 34 ]} ، ومجلة IEEE لهندسة المحيطات ^{[ 35 ]} ، ومجلة هندسة الممرات المائية والموانئ والسواحل والمحيطات ^{[ 36 ]} .

تشمل المؤتمرات في مجال الهندسة البحرية مؤتمر ومعرض OCEANS التابع لجمعية هندسة المحيطات التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات ^{[ 37 ]} والمؤتمر الأوروبي لطاقة الأمواج والمد والجزر (EWTEC). ^{[ 38 ]}

• بيتر فان أورد، الرئيس التنفيذي لشركة رويال فان أورد

• مايكل إي. ماكورميك ، أستاذ فخري في قسم هندسة العمارة البحرية وهندسة المحيطات في الأكاديمية البحرية الأمريكية ورائد أبحاث طاقة الأمواج