النمذجة البيوميكانيكية

ميكانيكا الموائع هي فرع من فروع الميكانيكا التطبيقية، تُعنى بدراسة سكون السوائل (السوائل الساكنة) وحركتها (السوائل المتحركة). تُطبّق ميكانيكا الموائع مبادئ أساسية للكتلة والزخم وحفظ الطاقة لتحليل سلوك الموائع والتنبؤ به. وتتنوع تطبيقاتها، من الديناميكا الهوائية والهيدروليكا إلى الأرصاد الجوية وعلم المحيطات.

في ميكانيكا الاستمرارية ينص مبدأ حفظ الكتلة على أن كتلة النظام المغلق يجب أن تظل ثابتة بمرور الزمن. بالنسبة إلى المائع، يُعبَّر عن ذلك بمعادلة الاستمرارية. في صورتها التفاضلية الأوليرية، تُكتب المعادلة على الصورة [latex]\frac{\الجزئي \rho}{\الجزئي t} + \nنبلا \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0[latex]P4T، حيث [latex]\rho[/latex] هي الكثافة و[latex]\mathbf{u}[/latex] هو مجال السرعة.

هناك طريقتان لوصف الحركة في ميكانيكا الاستمرارية:

• تتبع مواصفات لاغرانج جزيئات المواد الفردية، وتتبع خصائصها بمرور الوقت، مثل مراقبة سيارة معينة في حركة المرور
• تركز المواصفات الأويلريّة على نقاط ثابتة في الفضاء، ومراقبة خصائص (السرعة، الكثافة) لأي جسيمات تمر عبر تلك النقاط، مثل كاميرا المرور التي تراقب تقاطعًا ثابتًا.

ميكانيكا المواد الصلبة فرع من ميكانيكا المتصلات، يدرس سلوك المواد الصلبة، وخاصةً حركتها وتشوهها تحت تأثير القوى، وتغيرات درجة الحرارة، أو الأحمال الخارجية الأخرى. وتُعدّ هذه الميكانيكا أساسيةً في الهندسة لتصميم وتحليل الهياكل. وتشمل مجالاتها الرئيسية المرونة (التشوه القابل للاستعادة)، واللدونة (التشوه الدائم)، وميكانيكا الكسر (بدء وانتشار الشقوق).

القوة الدافعة الكهربية ([latex]\mathcal{E}[/latex]) هي الشغل المبذول لكل وحدة شحنة كهربائية بواسطة مصدر غير كهربائي، مثل البطارية أو المولِّد. وعلى الرغم من اسمها، فهي ليست قوة ميكانيكية بل جهد كهربائي يقاس بالفولت. وهو يمثل الطاقة التي يتم تحويلها من شكل آخر (كيميائي، ميكانيكي) إلى طاقة كهربائية أثناء انتقال الشحنة من مصدرها.

وينتج التيار الكهربائي في كومة فولتيك عن طريق تفاعل الأكسدة والاختزال. في أنود الزنك، يتأكسد فلز الزنك، ويطلق إلكترونين لكل ذرة ([latex]Zn \right \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}[/latex]). تنتقل هذه الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية إلى مهبط النحاس. وهناك، يتم اختزال أيونات الهيدروجين من الإلكتروليت المائي، مكونةً غاز الهيدروجين ([latex]2T2H^{+} + 2e^^{-} \rightarrow H_2[/latex]).

الرطوبة المطلقة ([latex]d_v[/latex]) هي الكتلة الكلية لبخار الماء ([latex]m_{H_2O}[/latex]) الموجودة في حجم معين من الهواء ([latex]V_{air}[/latex]). ويتم التعبير عنها في صورة جرامات من بخار الماء لكل متر مكعب من الهواء ([latex]g/m^3[/latex]). والصيغة هي [latex]d_v = \frac{m_{m_{H_2O}}{V_{air}}[/latex]. وعلى عكس الرطوبة النسبية، فهي لا تعتمد على درجة حرارة الهواء، ولكنها تتأثر بالتغيرات في ضغط الهواء أو حجمه.

في الإطار المرجعي الذي يدور بسرعة زاوية [latex]\boldsymbol{\omega}[/latex]، تُعطى قوة الطرد المركزي [latex]\mathbf{F}{F}{{\mathrm{cf}}[/latex] المؤثِّرة على جسم كتلته [latex]m[/latex] عند متجه الموضع [latex]\mathbf{r}[/latex] من نقطة الأصل بواسطة الصيغة المتجهة: [latex]\mathbf{F}{F}_{\mathrm{cf}} = -m \m \boldsymbol{\omega} \times (\boldsymbol{\umga} \times \mathbf{r})[/latex]. توضِّح هذه الصيغة أن القوة موجَّهة عموديًّا على محور الدوران إلى الخارج.

يقيس قانون كولوم القوة الكهروستاتيكية بين جسيمين ساكنين مشحونين كهربيًّا. تتناسب القوة طرديًّا مع حاصل ضرب مقداري الشحنتين وعكسيًّا مع مربع المسافة بينهما. المعادلة هي [latex]F = k_e \frac{q_1 q_2}{r^2}[/latex]. يمكن أن تكون هذه القوة إما جاذبة أو طاردة.

إعادة صياغة للميكانيكا الكلاسيكية استنادًا إلى مبدأ الحركة الثابتة. وهي تستخدم كمية قياسية تسمى لاغرانجيان (Lagrangian)، وتُعرَّف بأنها طاقة الحركة ناقص طاقة الوضع ([latex]L = T - V[/latex]). تُشتق معادلات الحركة من معادلة أويلر-لاغرانج، [latex]\frac{d}{dt} \Lft( \frac{\partial L}{\partial \dot{q}_i} \right) - \frac{\partial L}{\partial q_i} = 0[/latex]، باستخدام الإحداثيات المعممة، مما يبسط تحليل الأنظمة المعقدة ذات القيود.

التآكل الجلفاني هو عملية كهروكيميائية حيث يتآكل أحد الفلزات بشكل تفضيلي عند التلامس الكهربائي مع فلز آخر في وجود إلكتروليت. ويحدث ذلك لأن الفلزين غير المتشابهين يكوِّنان زوجاً ثنائي المعدن، حيث يعمل الفلز الأقل نبلاً (الأكثر نشاطاً) كأنبوب أنود ويتآكل، بينما يعمل الفلز الأكثر نبلاً ككاثود.

أول بطارية كهربائية، تُنتج تيارًا مستمرًا بتكديس أزواج من أقراص معدنية مختلفة (مثل الزنك والنحاس)، مفصولة بقطعة قماش مبللة بمحلول ملحي. يُشكل كل زوج خلية جلفانية، ويؤدي تكديسها على التوالي إلى زيادة الجهد الكلي. أظهر هذا الترتيب أول تحويل مستمر للطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، ممهدًا الطريق للكيمياء الكهربائية الحديثة.

أسست الكومة الفولتية مبدأ إضافة الفولتية عن طريق توصيل الخلايا الكهروكيميائية على التوالي. يولد كل زوج من الزنك والنحاس، أو خلية، قوة دافعة كهرومغناطيسية مميزة (EMF) تبلغ 0.76 فولت تقريبًا. من خلال تكديس هذه الخلايا فيزيائيًا، أثبت فولتا أن الجهد الكلي عبر الكومة هو مجموع القوى الدافعة الكهرومغناطيسية الفردية لكل خلية، كما هو موضح في [latex]V_TV_{total} = n \times V_{cell}[/latex].

A Fresnel zone is one of a series of confocal prolate ellipsoidal regions in space between a transmitter and a receiver. The primary zone's boundary is the ellipsoid where the path length from transmitter to a point on the surface to the receiver is half a wavelength longer than the direct path, causing a 180-degree phase shift.