سطح

السطح ، كما يُستخدم المصطلح بشكل عام، هو الطبقة الخارجية أو العلوية لجسم مادي . [ ^{1 ] [ 2 ]} وهو الجزء أو المنطقة من الجسم التي يمكن ملاحظتها أولاً والتي تتفاعل معها الأجسام الأخرى أولاً ^.

تم تجريد مفهوم السطح وصياغته في الرياضيات ، وتحديداً في الهندسة . وبحسب الخصائص التي يتم التركيز عليها، توجد عدة صياغات غير متكافئة تُسمى جميعها سطحاً ، وأحياناً مع وصف مثل السطح الجبري أو السطح الأملس أو السطح الكسري .

يُستخدم مفهوم السطح وتجريده في الرياضيات على نطاق واسع في الفيزياء والهندسة ورسومات الحاسوب والعديد من التخصصات الأخرى، لا سيما في تمثيل أسطح الأجسام المادية. فعلى سبيل المثال، عند تحليل الخصائص الديناميكية الهوائية للطائرة ، يُعدّ تدفق الهواء على سطحها الاعتبار الأساسي. كما يثير هذا المفهوم بعض التساؤلات الفلسفية، مثل: ما سُمك طبقة الذرات أو الجزيئات التي يمكن اعتبارها جزءًا من سطح الجسم (أي، أين ينتهي "السطح" ويبدأ "الداخل")؟ ^{[ 2 ] [ 3 ]} وهل للأجسام سطحٌ بالفعل على المستوى دون الذري ؟ ^{[ 4 ]}

سطح الجسم هو الجزء الذي يُدرك عادةً أولاً، باستخدام حاستي البصر واللمس بشكل أساسي. يربط البشر رؤية سطح الجسم برؤية الجسم نفسه . على سبيل المثال، عند النظر إلى سيارة، لا يمكن عادةً رؤية المحرك والإلكترونيات والهياكل الداخلية الأخرى، ولكن يُتعرف على الجسم على أنه سيارة لأن سطحه يُحدد ذلك. ^{[ 5 ]} من الناحية المفاهيمية، يمكن تعريف "سطح" الجسم بأنه الطبقة العليا من الذرات. ^{[ 6 ]} تمتلك العديد من الأجسام والكائنات الحية سطحًا يختلف بطريقة ما عن داخلها. على سبيل المثال، قشرة التفاحة لها خصائص مختلفة تمامًا عن داخلها، ^{[ 7 ]} وقد يحتوي السطح الخارجي لجهاز الراديو على مكونات مختلفة تمامًا عن مكوناته الداخلية. تقشير التفاحة يعني إزالة سطحها، مما ينتج عنه سطح مختلف ذو ملمس ومظهر مختلفين، يمكن التعرف عليه على أنه تفاحة مقشرة. إزالة السطح الخارجي لجهاز إلكتروني قد تجعل وظيفته غير قابلة للتمييز. وعلى النقيض من ذلك، فإن إزالة الطبقة الخارجية من الصخر أو الطبقة العلوية من السائل الموجود في الكأس ستترك سطحًا جديدًا من تلك المادة أو العنصر بنفس التركيب، ولكن بحجم أصغر قليلاً. ^{[ 8 ]}

يشمل مفهوم السطح في العلوم الفيزيائية هياكل وديناميكيات الأسطح وما يحدث عليها. ويُعدّ هذا المجال أساسًا للعديد من التخصصات العملية، مثل فيزياء أشباه الموصلات وتكنولوجيا النانو التطبيقية، ولكنه يحظى أيضًا بأهمية جوهرية.

تُستخدم قياسات تشتت الأشعة السينية والنيوترونات باستخدام السنكروترون لتوفير بيانات تجريبية حول بنية وحركة الجزيئات الممتزة على الأسطح. وتهدف هذه الطرق إلى توفير البيانات اللازمة لتقييم أحدث التطورات في نمذجة الأنظمة السطحية، وبنيتها الإلكترونية والفيزيائية، والطاقة والاحتكاك المرتبطين بحركة السطح.

تركز المشاريع الحالية على امتزاز الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs) على الأسطح، وهي فئة من الجزيئات أساسية لتحسين نمذجة قوى التشتت من خلال مناهج مثل نظرية الكثافة الوظيفية، وتستند إلى عملنا التكميلي الذي يطبق تشتت ذرات الهيليوم ومجهر المسح النفقي على الجزيئات الصغيرة ذات الوظائف العطرية. ^{[ 9 ]}

تُعتبر العديد من الأسطح التي تُدرس في الفيزياء والكيمياء ( والعلوم الفيزيائية عمومًا) أسطحًا بينية . فعلى سبيل المثال، قد يكون السطح هو الحد المثالي بين سائلين ، سائل وغاز (سطح البحر في الهواء)، أو الحد المثالي لجسم صلب (سطح كرة). في ديناميكا الموائع ، يُمكن تحديد شكل السطح الحر بواسطة التوتر السطحي . ومع ذلك، فهي أسطح فقط على المستوى العياني . أما على المستوى المجهري ، فقد يكون لها سُمك معين. وعلى المستوى الذري ، لا تبدو كسطح على الإطلاق، بسبب الفراغات التي تُشكلها المسافات بين الذرات أو الجزيئات . ^{[ 10 ]}

ومن الأسطح الأخرى التي يتم دراستها في الفيزياء جبهات الموجات . أحد هذه الأسطح، الذي اكتشفه فرينل ، يطلق عليه علماء الرياضيات اسم سطح الموجة .

سطح عاكس التلسكوب هو قطع مكافئ دوراني .

أحداث أخرى:

• فقاعات الصابون ، وهي أمثلة مادية على الأسطح الدنيا
• سطح تساوي الجهد في، على سبيل المثال، حقول الجاذبية
• سطح الأرض
• علم الأسطح ، هو دراسة الظواهر الفيزيائية والكيميائية التي تحدث عند سطح التماس بين طورين.
• قياسات السطح
• الموجة السطحية ، وهي موجة ميكانيكية
• الحدود الجوية ( التروبوبوز ، حافة الفضاء ، البلازمابوز ، إلخ).

في مجال رسومات الحاسوب، يُعرَّف السطح بأنه تمثيل رياضي لجسم أو شكل ثلاثي الأبعاد. تُستخدم الأسطح لنمذجة الطبقة الخارجية للجسم وعرضها، مما يمنحه الشكل والملمس واللون في فضاء افتراضي. السطح في جوهره عبارة عن مجموعة من النقاط في الفضاء ثلاثي الأبعاد، تُعرَّف رياضيًا وتُصوَّر لتشكيل شكل الجسم. تُعد الأسطح أساسية لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد واقعية، لأنها تُحدد "الغلاف" أو "الحدود الخارجية" للجسم.

يمكن تصنيف الأسطح بناءً على كيفية تعريفها أو تمثيلها:

• تتكون الأسطح المضلعة من مضلعات، وهي عادةً مثلثات أو أشكال رباعية. وهي تقريبية وأحيانًا ذات أوجه مرئية. وتُستخدم بكثرة في الألعاب وغيرها من تطبيقات العرض في الوقت الفعلي نظرًا لكفاءتها الحسابية.
• تُعرَّف الأسطح البارامترية باستخدام معادلات تعتمد على المعاملات. وتشمل أسطح بيزير وأسطح NURBS . وهي أسطح سلسة ودقيقة، وتُستخدم في التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) والرسوم المتحركة.
• الأسطح الضمنية هي مجموعات حلول المعادلات من الشكل${\displaystyle f(x,y,z)=0}$إنها تلتقط بعض الأشكال المعقدة بشكل جيد.

تتميز الأسطح في رسومات الحاسوب بعدة خصائص مهمة تحدد سلوكها ومظهرها. تُعدّ الهندسة خاصية أساسية تُحدد شكل السطح وحجمه وموقعه في الفضاء ثلاثي الأبعاد، مُشكلةً بذلك البنية الأساسية للنموذج. وتؤثر خصائص المادة، مثل الملمس واللون واللمعان والشفافية، على كيفية تفاعل السطح مع الضوء، مما يُساهم في جاذبيته البصرية. بالإضافة إلى ذلك، تُعدّ المتجهات العمودية، وهي المتجهات العمودية على السطح عند كل نقطة، ضرورية لحسابات الإضاءة والتظليل الدقيقة، مما يضمن استجابة السطح بشكل واقعي لمصادر الضوء. للأسطح في رسومات الحاسوب تطبيقات واسعة النطاق. فهي تُستخدم بكثرة في نمذجة الكائنات، مثل تصميم الشخصيات والسيارات والمباني، حيث يُحدد السطح شكل النموذج وبنيته. وفي عملية العرض، تلعب الأسطح دورًا حاسمًا في تحديد كيفية ظهور الكائنات في المشهد من خلال التأثير على تظليلها وانعكاساتها وملمسها، مما يُساهم في الواقعية العامة. بالإضافة إلى ذلك، تعتبر الأسطح حيوية في عمليات المحاكاة، حيث تساعد في تكرار الخصائص الفيزيائية مثل حركة أمواج الماء أو ديناميكيات الأقمشة، مما يعزز دقة التجارب المرئية والتفاعلية.

يُعدّ إنشاء محاكاة واقعية للأسطح أحد التحديات الرئيسية في مجال رسومات الحاسوب. في التطبيقات التقنية لرسومات الحاسوب ثلاثية الأبعاد ، مثل التصميم والتصنيع بمساعدة الحاسوب ، تُعتبر الأسطح إحدى طرق تمثيل الأجسام. أما الطرق الأخرى فهي الهياكل السلكية ( الخطوط والمنحنيات ) والمجسمات الصلبة. كما تُستخدم سحب النقاط أحيانًا كطريقة مؤقتة لتمثيل الجسم، بهدف استخدام هذه النقاط لإنشاء واحد أو أكثر من التمثيلات الدائمة الثلاثة.

إحدى التقنيات المستخدمة لتعزيز واقعية الأسطح في رسومات الحاسوب هي خوارزميات العرض الفيزيائي (PBR) التي تحاكي تفاعل الضوء مع الأسطح بناءً على خصائصها الفيزيائية، مثل الانعكاس والخشونة والشفافية . ومن خلال دمج النماذج والخوارزميات الرياضية، تستطيع تقنية PBR توليد صور واقعية للغاية تحاكي سلوك المواد في العالم الحقيقي. وقد وجدت هذه التقنية تطبيقات عملية تتجاوز مجال الترفيه، لتشمل التصميم المعماري ، ونماذج المنتجات الأولية ، والمحاكاة العلمية.