الضغط أم التمدد؟

كل جزء من بنية تدفعه أو تسحبه الأجزاء المجاورة له. ويصنّف المهندسون هذه القوى الداخلية إلى بضعة أنواع:

• الانضغاط: تكون المادة مضغوطة. مثل عمود يحمل سقفًا، أو كومة كتب تضغط عليها يد.
• الشد: تكون المادة ممدودة. مثل حبل يحمل مصباحًا، أو كابل جسر، أو شريط مطاطي ممدود.
• القص: تحاول طبقات المادة الانزلاق متجاوزةً بعضها بعضًا، مثل قص الورق بالمقص.
• الانحناء: تتدلى العارضة، لذلك تكون حافتها العلوية مضغوطة وحافتها السفلية ممدودة.

لا تخبرك القوة وحدها ما إذا كان جزء ما سيصمد. المهم هو القوة الموزعة على المساحة التي تحملها. وهذا هو الإجهاد: stress = force ÷ area، ويُقاس بالباسكال (Pa)، أو بالميغاباسكال (MPa، ملايين الباسكالات). ويؤدي حمل مقداره 1 kN (أي ما يقارب وزن كتلة مقدارها 100 kg) معلّق بقضيب مقطعه العرضي 100 mm² إلى 1 000 N ÷ 0.0001 m² = 10 MPa.

ليست المواد متساوية في قدرتها على أداء المهمتين. الحجر والطوب والخرسانة قوية في الانضغاط وضعيفة في الشد. وكدليل تقريبي، تبلغ متانة الشد لديها نحو عُشر متانة الانضغاط، وغالبًا أقل من ذلك. اسحب عارضة حجرية، فستتشقق قبل وقت طويل من انكسار كتلة حجرية مضغوطة بالحجم نفسه. أما الفولاذ والحبل فهما من نوع مختلف تمامًا: الفولاذ قوي في الاتجاهين، بينما يكون الحبل أو الكابل ممتازًا في الشد لكنه عديم الفائدة في الانضغاط، لأن الحبل يرتخي ببساطة عندما تدفعه.

وهناك أمر آخر يجب الانتباه إليه. فالجزء النحيل الواقع تحت الانضغاط لا يتحطم أولًا، بل ينبعج، فينحني إلى الجانب مثل مسطرة تضغط عليها من طرفيها. ولهذا تكون الأعمدة الحجرية سميكة، وتصنع أعضاء الانضغاط الفولاذية على شكل أنابيب أو مقاطع عميقة بدلًا من قضبان رفيعة.

والدرس الذي يتعلمه المصممون هو أن الشكل الذي تُبنى به البنية يحدد نوع القوة الداخلية التي تستخدمها. وغالبًا ما يمكنك اختيار الشكل بحيث لا تتعرض مادة ضعيفة في الشد إلا لقوى الانضغاط. وهذا بالضبط ما يفعله القوس. وعندما تتوفر لديك مادة قوية في الشد، يكون الكابل أخف طريقة ممكنة لحمل حمل عبر فجوة.