الفيزياء، التي غالبا ما توصف بأنها العلم الأساسي، تدعم العديد من روائع الهندسة والتكنولوجيا الحديثة. من الجسور الشاهقة التي تمتد على الأنهار العظيمة إلى الطائرات الأنيقة التي تحملنا عبر القارات، وأجهزة الكمبيوتر القوية التي تقود عصرنا الرقمي، فإن مبادئ الفيزياء منسوجة بعمق في تصميمها وبنائها. في هذه المقالة، سنستكشف كيف تلعب الفيزياء دورًا محوريًا في الهندسة والتكنولوجيا، مع رؤى الخبراء في هذا المجال.
الجسور، تلك الهياكل المهيبة التي تربط الشواطئ البعيدة، هي شهادة على تطبيق الفيزياء في الهندسة. كتب الفيزيائي والمؤلف الشهير ريتشارد فاينمان ذات مرة: “الجسر شيء جميل، لكنه أيضًا ثقيل للغاية. يجب أن يتم تعليقه في الهواء”. يجسد هذا بإيجاز جوهر تصميم الجسر، حيث يتم استخدام الفيزياء لحساب القوى والضغوط والمواد لضمان المرور الآمن للأشخاص والمركبات.
يعتمد المهندسون على قوانين الاستاتيكا والديناميكية، كما أوضحها عمل إسحاق نيوتن، لتحليل القوى المؤثرة على الجسر. ويوضح فاينمان في كتابه “محاضرات فاينمان في الفيزياء”، أن “القوى المؤثرة على جسم ما تساوي كتلة الجسم مضروبة في تسارع الجسم. وهذا هو قانون نيوتن الثاني”. ومن خلال فهم هذه القوى، يستطيع المهندسون تصميم جسور يمكنها تحمل الضغوط التي يواجهونها في حياتهم.
الطيران، علم الطيران، لا يمكن تصوره دون فهم عميق للفيزياء. وكما قال نيل أرمسترونج، أول شخص يطأ سطح القمر، ذات مرة: “إنه لأمر عظيم أن تعرف ميكانيكا الطائرة، بل إن معرفة ميكانيكا الهواء أمر أعظم”. الطائرات هي أعاجيب الهندسة التي تسخر مبادئ الديناميكا الهوائية والديناميكا الحرارية.
ولتفسير قوة الرفع التي تمكن الطائرات من التغلب على الجاذبية، قال الفيزيائي والمهندس الشهير دانييل برنولي: “كلما زادت سرعة السائل، انخفض الضغط داخل السائل”. هذا المبدأ، المعروف باسم نظرية برنولي، جزء لا يتجزأ من فهم كيفية توليد شكل أجنحة الطائرة للرفع.
بالإضافة إلى ذلك، فإن قوانين الديناميكا الحرارية، كما أوضحها رودولف كلوسيوس واللورد كلفن، تحكم سلوك المحركات التي تشغل الطائرات. تحدد هذه القوانين مدى كفاءة المحركات النفاثة وتوزيع الحرارة أثناء الطيران. وبدون هذه المعرفة، لكان تطور الطيران الحديث قد ظل متوقفا.
إن أجهزة الكمبيوتر، وهي العمود الفقري للعصر الرقمي، تدين بوجودها أيضًا للفيزياء. وكما أكد عالم الفيزياء ريتشارد أ. مولر في كتابه “الفيزياء لرؤساء المستقبل”، فإن “أجهزة الكمبيوتر تعتمد على مبادئ الهندسة الكهربائية والإلكترونية، والتي بدورها تعتمد على قوانين الفيزياء”. يكمن أساس الحوسبة في معالجة الشحنات الكهربائية ونقل المعلومات باستخدام المكونات الإلكترونية.
أصبحت ميكانيكا الكم، وهي فرع من الفيزياء، ذات أهمية متزايدة في تطوير التقنيات المستقبلية، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية. وكما صرح ريتشارد فاينمان الحائز على جائزة نوبل، “الطبيعة ليست كلاسيكية، اللعنة، وإذا كنت تريد عمل محاكاة للطبيعة، فمن الأفضل أن تجعلها ميكانيكية كمومية.” تسخر الحوسبة الكمومية الخصائص الغريبة والقوية لفيزياء الكم لإجراء حسابات قد تكون مستحيلة بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
في مجالات الهندسة والتكنولوجيا، الفيزياء هي الضوء الهادي الذي ينير الطريق إلى الابتكار. وكما رأينا، سواء كان الأمر يتعلق بتصميم جسور تتحدى الجاذبية، أو طائرات تغزو السماء، أو أجهزة كمبيوتر تفتح آفاقًا جديدة للحوسبة، فإن الفيزياء هي الأساس الذي لا غنى عنه الذي تبنى عليه هذه الأعاجيب. وفي إعادة صياغة ما قاله ألبرت أينشتاين، عالم الفيزياء الأكثر تأثيراً في القرن العشرين، “بالنسبة لأولئك الذين لا يعرفون الرياضيات والفيزياء، فمن الصعب أن يفهموا عظمة إنجازات الهندسة والتكنولوجيا”. والواقع أن الفيزياء توفر المفتاح لكشف عظمة هذه الإنجازات.