الكاتب: Zain Al-Abedien Hammoud

تؤثر البالستيات في العديد من مجالات الدراسة، والتي تتراوح من تحليل منحني مسار كرة البيسبول إلى تطوير أنظمة توجيه الصواريخ في الجيش. [2]

لنتعرف في هذا المقال على علم المقذوفات ومجالات دراسته.

علم «البالستيات-Ballistics» (القذائف)

هو العلم الذي يدرس حركة وتأثير المقذوفات. ويقسم إلى عدة تخصصات، وهي البالستيات الداخلية والخارجية، وتبحثان في دفع وطيران المقذوفات. ويسمى الانتقال بين هذين النظامين البالستيات الوسيطة. والبالستيات النهائية، وتدرس تأثير المقذوفات على الأجسام المستهدفة.

و«القذيفة-Projectile» هي الجسم الذي تم إطلاقه أو إسقاطه، والذي يستمر في الحركة بسبب عطالته. ويحدد مسارها بواسطة سرعتها الابتدائية واتجاهها وقوى الجاذبية ومقاومة الهواء. فمثلاً، بالنسبة للأجسام المقذوفة بالقرب من الأرض ومع مقاومة هواء مهملة، يتخذ المسار شكل قطع مكافئ. [1]، [2]

دفع القذائف

تعد البندقية والمحرك الصاروخي مثلًا نوعان من المحركات الحرارية، يحوّلان جزئيًا الطاقة الكيميائية للوقود الدافع إلى طاقة حركية للقذيفة. وتختلف المواد الدافعة عن أنواع الوقود التقليدية من حيث أن احتراقها لا يتطلب الأوكسجين الجوي. ويؤدي إنتاج الغازات الساخنة عن طريق الوقود المحترق إلى زيادة الضغط الذي يدفع القذيفة ويزيد من معدل الاحتراق. كما تسبب الغازات الساخنة تآكل تجويف البندقية.

عندما تشتعل شحنة المادة الدافعة في حجرة البندقية، تحصر غازات الاحتراق بواسطة الطلقة؛ فيرتفع الضغط. وتبدأ الطلقة في التحرك عندما يتغلب الضغط على مقاومتها للحركة. يستمر الضغط في الارتفاع لبعض الوقت ثم ينخفض، وذلك بينما تسرّع الطلقة لتصل إلى سرعة عالية. سرعان ما ينفد الوقود الدافع الذي يحترق بسرعة، وفي الوقت المناسب تخرج الطلقة من الفوهة. وقد سجّلت سرعات تصل إلى 15 كيلومترًا (9 أميال) في الثانية. تعمل البنادق المقاومة للارتداد على تنفيس الغاز عبر الجزء الخلفي من الحجرة لمقاومة قوى الارتداد.

يحدث الانفجار الأولي الذي يسبق خروج الطلقة، ثم يتبعه الانفجار الرئيسي، حيث تطلق الغازات المضغوطة خلف الطلقة. يتخطى التدفق الغازيّ السريع الطلقة لفترة وجيزة وبالتالي قد تعاني من تذبذب شديد. وتسمع موجة الصدمة الانفجارية، التي تنتقل إلى الخارج بسرعة أكبر من سرعة الصوت، كطلقات نارية. وتتسبب الحرارة المتولدة قرب الفوهة في حدوث وميض تصاحبه ألسنة اللهب في المدافع الكبيرة. كما يمكن تثبيت الأجهزة على الفوهة لكتم الانفجار والوميض عن طريق تشتيت موجات الصدمة، ويمكنها تقليل الارتداد عن طريق تشتيت التدفق. [1]

تعرّف البالستيات الوسيطة أو الانتقالية بأنها حالة انتقالية بين البالستيات الداخلية والخارجية قرب الفوهة. إذ يدل انبعاث الغاز من السبطانة أمام القذيفة وتفريغ الغازات الدافعة خلفها على هذه التغيرات الانتقالية. وفي هذا الصدد، فإن التأثير على مغادرة القذيفة للمدفع واستخدام زخم الغازات الدافعة لهما أهمية خاصة. [3]

السقوط الحر للأجسام

لفهم حركة المقذوفات من الضروري أولاً فهم حركة «السقوط الحر-Free Fall» للأجسام، وهي أجسام نسقطها ببساطة من ارتفاع معين فوق الأرض. في أبسط الحالات، عندما تكون مقاومة الهواء مهملة وعندما تكون الأجسام قريبة من سطح الأرض، بيّن الفلكي والفيزيائي الإيطالي «جاليليو جاليلي-Galileo Galilei» (1564-1642) أن جسمين يسقطان نفس المسافة وفي نفس الفترة الزمنية، بغض النظر عن وزنيهما. تزيد سرعة الجسم الساقط زيادات متساوية في فترات زمنية متساوية. على سبيل المثال، ستبدأ الكرة التي تسقط من أعلى مبنى من السكون، وتزيد سرعتها إلى 32 قدمًا (9.8 مترًا) في الثانية بعد ثانية واحدة، ثم إلى سرعة 64 قدمًا (19.6 مترًا) في الثانية بعد ثانيتين، ثم إلى سرعة 96 قدمًا (29.4 مترًا) في الثانية بعد ثلاث ثوانٍ، وهكذا. وبالتالي، نجد أن التغير في السرعة هو دائمًا 32 قدمًا في الثانية. يعرف التغير في السرعة لكل فترة زمنية بالتسارع وهو ثابت. ويساوي هذا التسارع 1 g حيث يرمز g إلى التسارع الناتج عن قوة الجاذبية الأرضية.

يصبح تسارع الجاذبية g أصغر مع زيادة المسافة عن الأرض. ولكن بالنسبة لمعظم التطبيقات الأرضية يمكن أن نعد قيمة g ثابتة (تتغير فقط بنسبة 0.5٪ مع تغير الارتفاع بمقدار 10 أميال [16 كم]). من ناحية أخرى يمكن أن تختلف «مقاومة الهواء-Air Resistance» اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على الارتفاع والرياح وخصائص وسرعة المقذوف نفسه. فمن المعروف أن المظلّيّين يمكنهم تغيير ارتفاعهم بالنسبة إلى المظليين الآخرين ببساطة عن طريق تغيير شكل أجسامهم. ومن المعروف أيضًا أن الصخرة ستسقط بسرعة أكبر من سقوط الريشة. فعند البحث في مسائل المقذوفات، من الضروري فصل التأثيرات الناتجة عن الجاذبية -وهي بسيطة جدًا- والتأثيرات الناتجة عن مقاومة الهواء، وهي أكثر تعقيدًا. [2]

المصادر

[1]

[2]

[3]

نشر كتاب “سيكولوجية الجماهيرˮ أول مرة عام 1895 لمؤلفه غوستاف لوبون، والذي يعد مؤسس علم نفسية الجماهير. وسنستعرض هنا ملخصًا موجزًا للكتاب.

مقدمة سيكولوجية الجماهير (عصر الجماهير)

تبدو الانقلابات الكبرى التي تسبق عادةً تبدل الحضارات محسومةً بتحولات سياسية ضخمة كالغزو أو قلب السلالات المالكة. ولكن الدراسة المتفحصة تكشف غالبًا أن السبب الحقيقي هو التغير العميق الذي يصيب أفكار الشعوب. أما الأحداث الضخمة التي تتناقلها كتب التاريخ فليست إلا الآثار المرئية للمتغيرات اللامرئية التي تصيب سيكولوجية الجماهير وعواطفها.

إن العصر الذي ندخل فيه الآن هو بالفعل عصر الجماهير. فالجماهير هي القوة الوحيدة التي تتزايد هيبتها وجاذبيتها باستمرار، ولا يستطيع شيء تهديدها. ونشأت قوة الجماهير أولًا عن نشر بعض الأفكار التي زرعت في النفوس ببطء، ثم بالتجميع المتدرج للأفراد من خلال الروابط والجمعيات. وإن معرفة سيكولوجية الجماهير (علم نفس الجماهير) تشكل المصدر الأساسي لرجل الدولة الذي يريد ألّا تحكمه الجماهير.

الكتاب الأول (روح الجماهير)

الخصائص العامة للجماهير، القانون النفسي لوحدتها الذهنية

الخصائص الأساسية للفرد المنخرط في الجمهور هي تلاشي الشخصية الواعية، وهيمنة الشخصية اللاواعية، وتوجه الجميع إلى نفس الاتجاه بواسطة التحريض والعدوى للعواطف والأفكار، والميل إلى تحويل الأفكار المحرّض عليها إلى فعل وممارسة مباشرة.

ومن أسباب ظهور هذه الصفات، اكتساب الفرد بواسطة العدد المتجمع فقط شعورًا عارمًا بالقوة، والعدوى العقلية أو الذهنية للعواطف والأفعال في الجمهور.

“لا يوجد في التجمع الذي يشكله جمهور ما حاصلٌ ومتوسط للعناصر، وإنما يوجد فقط تركيب وخلق للخاصيات. وهذا يشبه ما يحصل في مجال الكيمياء. فبعض العناصر المستخدمة في التركيب كالقواعد والحوامض مثلًا تتداخل في بعضها البعض وتتركب من أجل تشكيل مادة جديدة مزودة بخصائص مختلفة عن تلك الخصائص التي كانت تتحلى بها العناصر المفردة قبل تركيبها”.

جوستاف لوبون

عواطف الجماهير وأخلاقياتها

الخصائص الأساسية للجماهير

• سرعة انفعال الجماهير وخفّتها ونزقها.

إذ تكون الانفعالات التحريضية التي تخضع لها الجماهير مهيمنةً وقوية إلى درجة أنها مستعدة للموت من أجلها.

• سرعة تأثر الجماهير وسذاجتها وتصديقها لأي شيء.

نجد الجمهور غالبًا في حالة ترقب مهيأة لتلقي أي اقتراح، ويفرض أول اقتراح يظهر نفسَه مباشرة بواسطة العدوى والانتشار، فخلق الأساطير التي تنتشر بسهولة في أوساط الجماهير ينتج عن سرعة التصديق والتضخيم الهائل للأحداث.

• عواطف الجماهير، تضخيمها وتبسيطها.

بساطة عواطف الجماهير وتضخيمها يحميانها من عذاب الشكوك وعدم اليقين.

• تعصّب الجماهير واستبداديتها ونزعتها المحافظة.

“إن الاستبداد والتعصب يشكلان بالنسبة للجماهير عواطف واضحة جدًا، وهي تحتملها بنفس السهولة التي تمارسها. فهي تحترم القوة ولا تميل إلى احترام الطيبة التي تعتبرها شكلًا من أشكال الضعف. وما كانت عواطفها متجهة أبدًا نحو الزعماء الرحيمين وطيبي القلب، وإنما نحو المستبدين الذين سيطروا عليها بقوة وبأس. وهي لا تقيم تلك النصب التذكارية العالية إلا لهم. وإذا كانت تدعس بأقدامها الديكتاتور المخلوع فذلك لأنه قد فقد قوته ودخل بالتالي في خانة الضعفاء المحتقرين وغير المهابين. إن نمط البطل العزيز على قلب الجماهير هو ذلك الذي يتخذ هيئة القيصر. فخيلاؤه تجذبها، وهيبته تفرض نفسها عليها، وسيفه يرهبها”.

جوستاف لوبون

• أخلاقية الجماهير.

الجماهير غير مهيأة لاحترام النزعة الأخلاقية فيما يخص بعض الأعراف والتقاليد الاجتماعية، أما بالنسبة لبعض الصفات كالإخلاص والنزاهة والتضحية بالذات فهي قادرة على أرفع أنواع الأخلاقية، ولكنها تبرهن على انحطاط أخلاقيتها غالبًا.

أفكار، ومحاجّات عقلية، ومخيلة الجماهير

• أفكار الجماهير.

وتقسم إلى أفكار طارئة تتشكل تحت تأثير اللحظة كالانبهار بفرد أو عقيدة ما، وأفكار أساسية تقدم لها البيئة والوراثة والرأي العام استقرارًا كبيرًا كالأفكار الدينية والديمقراطية والاجتماعية. ولا تهيمن الأفكار إلا إذا اتخذت هيئة بسيطة جدًا وتجسدت في سيكولوجية الجماهير على هيئة صور، فتدخل إلى اللاوعي وتصبح عاطفة متماسكة. وإذا كان يلزم وقت طويل كي تترسخ الأفكار، فإنه يلزم وقت لا يقل عنه طولًا كي تزول.

• المحاجّات العقلية للجماهير.

ترتكز المحاجّات العقلية المؤثرة على الجماهير على ترابطات بين أشياء متنافرة ليس بينها إلا علاقات سطحية ظاهرية. كما أن الجماهير تعمّم حالات فردية وخصوصية، وهاتان هما الخاصيتان الأساسيتان للمنطق الجماعي.

• خيال الجماهير.

تأسست مقدرة الفاتحين وقوة الدول على قاعدة الخيال الشعبي، وإن معرفة سيكولوجية الجماهير وفن التأثير على مخيلتها تعني معرفة فن حكمها.

“لم أستطع إنهاء حرب الڤاندي إلا بعد أن تظاهرت بأني كاثوليكي حقيقي، ولم أستطع الاستقرار في مصر إلا بعد أن تظاهرت بأني مسلم تقي. وعندما تظاهرت بأني بابوي متطرف استطعت أن أكسب ثقة الكهنة في إيطاليا. ولو أتيح لي أن أحكم شعبًا من اليهود لأعدت من جديد هيكل سليمان”.

نابليون في مجلس الدولة الفرنسي

الأشكال الدينية التي تتخذها كل قناعات الجماهير

للعاطفة الدينية خصائص بسيطة جدًا، عبادة إنسان يعتبر خارقًا للعادة، والخوف من القوة التي تعزى إليه، كما أن الخضوع الأعمى لأوامره مظهر مهم، واستحالة أية مناقشة لعقائده، والرغبة في نشر هذه العقائد، والميل لاعتبار كل من يرفضون تبنيها أعداءً. ولذلك فالتعصب وعدم التسامح يشكلان المرافق الطبيعي لها.

الكتاب الثاني (آراء الجماهير وعقائدها)

العوامل البعيدة المشكلة لعقائد الجماهير وآرائها

تمهد هذه العوامل الأرضية لانبثاق الأفكار الجديدة، إذ تجعل الجماهير قادرة على تبني بعض القناعات وغير مؤهلة لتبني قناعات أخرى.

1. العِرق.

وهو أهم من كل العوامل الأخرى مجتمعة، إذ يمكن للمقترحات الاجتماعية أن تمارس فعلًا مهمًّا، ولكنه مؤقت دائمًا إذا كانت مضادة لمقترحات العِرق أي لكل سلسلة الأسلاف.

• التقاليد الموروثة.

تمثل التقاليد خلاصة العِرق، ولا يمكن لأية حضارة أن توجد بدونها، أي بدون روح قومية، والجماهير تعارض بإصرار أية محاولة لتغييرها.

• الزمن.

إن بعض الأفكار التي يمكن تحقيقها في فترة ما تبدو مستحيلة في فترة أخرى، فالزمن يراكم بقايا العقائد والأفكار وتولد منها أفكار عصر ما، فهو يجعل كل العقائد تتطور وتموت، فبه تمتلك قوتها وبه تفقدها.

• المؤسسات السياسية والاجتماعية.

لقد حصلت حروب دموية لفرض مؤسسات تعزى إليها مقدرة خارقة على خلق السعادة، فالمؤسسات تؤثر على روح الجماهير لأنها تولد انتفاضات كهذه، ولكنها لا تمتلك أية فضيلة.

• التعليم والتربية.

يتيح التعليم المقدم في بلد ما استشراف مصير هذا البلد ومستقبله، فمع التربية والتعليم تتحسن سيكولوجية الجماهير وروحها أو تفسد، فهما مسؤولان عن ذلك جزئيًا.

العوامل المباشرة التي تساهم في تشكيل آراء الجماهير

تؤدي هذه العوامل إلى التمردات الشعبية أو الإضرابات. وهي التي تدفع أغلبية من الشعب إلى الوصول بشخص ما إلى السلطة أو إسقاط حكومة معينة.

1. الصور، والكلمات، والشعارات

ترتبط قوة الكلمات بالصور التي تثيرها، والكلمات التي يصعب تحديد معانيها بدقة هي التي تمتلك أحيانًا أكبر قدرة على التأثير. مثلًا، ديمقراطية، اشتراكية، حرية، …إلخ.

• الأوهام.

تحوّل الجماهير نظرها عن الحقائق التي تزعجها وتفضل تأليه الخطأ إذا ما جذبها، فمن يعرف كيف يوهمها يصبح سيدها، ومن يحاول قشع الأوهام عن أعينها يصبح ضحية لها.

• التجربة.

تشكل التجربة المنهجية الوحيدة الفعالة تقريبًا لزرع حقيقة ما في روح الجماهير، وإن التجارب التي عاشها جيل ما غير ذات جدوى بالنسبة للجيل اللاحق، فالأحداث التاريخية التي تضرب عادة مثلًا للموعظة لا تفيد شيئًا، وتكمن فائدتها الوحيدة في البرهنة على ضرورة تكرار التجارب من عصر إلى عصر لتمارس بعض التأثير.

• العقل.

يعدّ العقل عاملًا سلبيًا في التأثير.

محرّكو الجماهير، ووسائل الإقناع التي يمتلكونها

1. محرّكو الجماهير.

إن القادة ليسوا رجال فكر غالبًا، وإنما رجال ممارسة وانخراط، وغالبًا ما يكونون خطباء ماهرين، إذ تعطي كثافة الإيمان لكلامهم قوة تحريضية كبيرة، فالكثرة تصغي دائمًا إلى الإنسان المزود بإرادة قوية.

• وسائل العمل التي يستخدمها المحركون أو القادة.

التأكيد، والتكرار، والعدوى. إذ يشكل التأكيد المجرد من البراهين الوسيلة الموثوقة لإدخال فكرة ما في روح الجماهير، والشيء المؤكد يرسخ في النفوس بواسطة التكرار إلى درجة أنه يقبل كحقيقة برهانية، وعندما يتاح لتوكيد ما أن يكرّر كثيرًا وبالإجماع، يتشكل عندئذٍ ما ندعوه بتيار الرأي العام، وتتدخل الآلية الجبارة للعدوى.

• الهيبة الشخصية.

وهي نوع من الجاذبية الساحرة التي يمارسها فرد أو عقيدة ما على روح الجماهير، ولها نوعان أساسيان.

• الهيبة المكتسبة، ويصنعها اسم العائلة والثروة والشهرة وهي أكثر انتشارًا.
• الهيبة الشخصية، وهي ذات طبيعة مختلفة جدًا وتشكّل مَلَكَةً مستقلة عن الألقاب والسلطات، ويمارس من يمتلكونها سحرًا مغناطيسيًا على المحيطين بهم بما فيهم أندادهم، والنجاح أحد أهم العوامل التي تشكلها، إذ تختفي دائمًا مع الفشل.

محدودية تغير كلّ من عقائد الجماهير وآرائها

1. العقائد الثابتة.

وهي العقائد الإيمانية الكبرى والتي تدوم قرونًا عديدة وترتكز عليها حضارة بأكملها، مثل أفكار الإصلاح المسيحي (لوثر) والأفكار الديمقراطية والاجتماعية.

“أما العقائد الكبرى العامة فذات عدد محصور جدًا. وتشكلُها وتلاشيها يمثلان بالنسبة لكل عرق تاريخي نقاط الذروة في تاريخه. إنها تشكل الهيكل العظمي للحضارات”.

جوستاف لوبون

• الآراء المتحركة للجماهير.

وهي طبقة سطحية من الآراء والأفكار، تتموضع فوق العقائد الراسخة، وتولد وتموت باستمرار، مثل النظريات التي توجه الفنون والآداب. وتتزايد هذه الآراء لأن العقائد القديمة تفقد هيمنتها على النفوس تدريجيًا، وبسبب ظهور الصحافة ونشرها لأكثر الآراء اختلافًا. وينتج عن هذه الأسباب المختلفة ظاهرة جديدة جدًا في تاريخ العالم؛ وهي عجز الحكومات عن قيادة الرأي العام.

الكتاب الثالث (تصنيف الفئات المختلفة من الجماهير ودراستها)

تصنيف الجماهير

تقسم الجماهير إلى

جماهير غير متجانسة.

1. جماهير مغْفَلَة (أسماء أفرادها غير معروفة)، كجماهير الشارع.
2. جماهير غير مغْفَلَة، كهيئات المحلّفين والمجالس البرلمانية.

جماهير متجانسة

1. الطوائف، كالطوائف السياسية والدينية.
2. الزمر، كالزمرة العسكرية والزمرة العمالية.
3. الطبقات، كالطبقة البورجوازية والطبقة الفلاحية.

تشكل الطائفة المرحلة الأولى من مراحل تشكل الجماهير المتجانسة، إذ تحتوي على أفراد من ثقافات ومهن وأوساط مختلفة أحيانًا، ولا رابطة بينها إلا العقيدة والإيمان.

وتمثل الزمرة أعلى درجات التنظيم التي يقدر عليها الجمهور، ولا تشمل إلا أفرادًا من نفس المهنة، أي ذوي تربية وأوساط متماثلة تقريبًا.

وتتشكل الطبقة من أفراد ذوي أصول مختلفة توحّدهم بعض المصالح وبعض عادات الحياة والتربية المتشابهة.

الجماهير المدعوة بالمجرمة

وتمتلك نفس الخصائص العامة لجميع أنواع الجماهير، فجرائم الجماهير ناتجة عمومًا عن تحريض ضخم، والأفراد الذين ساهموا فيها لا يعدّون أنفسهم مجرمين، بل يقتنعون أنهم أطاعوا واجبهم.

محلّفو محكمة الجنايات

نعثر في هذا الجمهور على الخصائص الأساسية، فهيئات المحلّفين تتأثر جدًا بالعواطف ومسحورة بمظاهر الهيبة، وإن هذه الهيئات الديمقراطية في تشكيلتها تبدو أرستقراطية في عاطفتها وميولها. والقرارات المتخذة متماثلة أيًا تكن تركيبة الهيئة المحلّفة ومهما اختلفت وتنوعت.

الجماهير الانتخابية

وهي جماهير غير متجانسة، ونعثر في قراراتهم على تأثير القادة المحركين وعلى دور التوكيد والتكرار والعدوى والهيبة الشخصية، فالوعود المبالغ فيها تولّد آثارًا ضخمة على الناخبين في لحظتها، والناخب لا يهتم لاحقًا بمسألة التحقق فيما إذا كان المرشح قد التزم بوعوده أم لا، بل إنه ينسى ذلك تمامًا. وإن تصويت الجماهير يعبر غالبًا عن آمال العِرق وحاجياته اللاواعية.

المجالس النيابية

وهي جماهير غير متجانسة وغير مغْفَلَة، وتمثل آراءً متطرفة، فالأفراد يميلون دائمًا إلى تضخيم قيم مبادئ أحزابهم عندما ينخرطون في جمهور ما. وإن قابلية التحريض والعدوى تظل محدودة في المجالس النيابية؛ فلكلّ حزب محركوه وقادته.

“إن المجالس النيابية السياسية هي آخر محلّ في الأرض يمكن للعبقرية أن تشع فيه. فلا أهمية فيه إلا للفصاحة الخطابية المتناسبة مع الزمان والمكان، وللخدمات المقدمة للأحزاب السياسية لا للوطن. أما الجمهور العادي فيتلقى هيبة القائد المحرك ولا يدخل في سلوكه أية مصلحة شخصية ولا ينتظر جزاءً ولا شكورا”.

جوستاف لوبون

والمجالس النيابية ليست جماهيرًا بالمعنى الاصطلاحي إلا في بعض الأوقات، فأعضاؤها يحققون فردانيتهم في حالات عديدة، ولذلك يمكنها أن تصوغ قوانين ممتازة.

وعلى الرغم من صعوبات تسييرها، فإنها تمثل أفضل طريقة وجدتها الشعوب لحكم ذاتها، ولا يهددها إلا خطران:

1. التبذير الإجباري للميزانية، وهو نتيجة لمطالب الجماهير كزيادة الرواتب والتي تتطلب فرض ضرائب جديدة.
2. التقييد التدريجي للحريات الفردية، ويتجلّى بالنسبة لكل البلدان بسنّ عدد هائل من القوانين التشريعية، فالشعوب تقبل بفرض الإكراهات القسرية كل يوم لأنها تقع ضحية الوهم القائل بأنه كلما زدنا عدد القوانين فإن المساواة والحرية تصبحان مضمونتين أكثر.

إن دورة الحياة لشعب ما، الانتقال من حالة البربرية إلى حالة الحضارة عن طريق ملاحقة حلم ما، ثم الدخول في مرحلة الانحطاط والموت ما إن يفقد هذا الحلم قوته.

يمكنك قراءة المزيد من ملخصات الكتب من هنا.

تحتوي المباني المقاومة للزلازل غالبًا على جدران خرسانية مسلحة تسمى جدران القص. تبدأ هذه الجدران بشكل عام من مستوى الأساس وتستمر لأعلى المبنى. وتعد أكثر العناصر فعالية في المباني متعددة الطوابق لمقاومة القوى الجانبية التي تسببها الزلازل والرياح. إنها العناصر الإنشائية الشاقولية التي يمكنها مقاومة قوى القص الجانبية وعزوم الانعطاف والحمولات الشاقولية المنقولة إليها من العناصر الأخرى. وتلعب دورًا رئيسيًا في تبديد الطاقة والصلابة والأداء الزلزالي للمباني العالية. ويمكن أن تصل سماكتها إلى 40 سم في المباني المرتفعة. وعادة ما توضع وفق الاتجاهين الطولي والعرضي للمسقط الأفقي للمبنى. [1] [3]

فوائد جدران القص

أظهرت المباني المصممة والمشيدة بشكل صحيح مع جدران القص أداءً جيدًا للغاية في الزلازل السابقة. إذ تتميز بالكفاءة، من حيث تكلفة البناء والفعالية في تقليل الأضرار الزلزالية التي تصيب العناصر الإنشائية وغير الإنشائية (مثل النوافذ الزجاجية ومحتويات المبنى).

تعطي جدران القص وفق اتجاهها الطولي مقاومة وصلابة كبيرتين للمباني، مما يقلل بشكل كبير من التأرجح الجانبي للمبنى ومن الأضرار التي تلحق به وبمحتوياته. [1]

شكل وتوزع جدران القص

يجب تزويد المبنى بجدران القص وفق اتجاهيه الطولي والعرضي. وإذا وضعت وفق اتجاه واحد فقط، فيجب استخدام شبكة مناسبة من الجيزان والأعمدة (تسمى الإطارات المقاومة للعزوم) وفق الاتجاه الآخر لمقاومة تأثيرات الزلازل القوية. [1]

يمكن أن تحتوي جدران القص على فتحات للأبواب أو النوافذ، ولكن يجب أن تكون صغيرة، وأن يكون توضعها متناظرًا في المبنى؛ وذلك لتكون مسارات نقل الحمولة قصيرة ومباشرة. وتجرى تحققات تصميمية خاصة للتأكد من أن المساحة الصافية للمقطع العرضي للجدار عند الفتحة كافية لتحمل القوة الزلزالية الأفقية. [1] [2]

يكون الأداء الزلزالي للمباني ذات جدران القص الحاوية على انقطاعات سيئًا، لذلك يجب تجنب هذه التصميمات في المباني المقاومة للزلازل. إذ تقدم جدران القص المستمرة على كامل ارتفاع المبنى مسارات حمولة مباشرة لقوى العطالة ليتم نقلها إلى الأساس. [2]

يجب أن تكون الجدران المسلحة متناظرة في المسقط الأفقي لتقليل الآثار السيئة للفتل في المباني. يمكن وضعها بشكل متناظر وفق اتجاه واحد أو في كلا الاتجاهين. وتكون أكثر فاعلية عند وضعها على طول المحيط الخارجي للمبنى؛ مثل هذا التصميم يزيد مقاومة المبنى للفتل. [1]

التصميم المطاوع

تمامًا مثل العوارض والأعمدة الخرسانية المسلحة، يكون أداء جدران القص أفضل إذا صممت لتكون مطاوعة. إذ تساعد النسب الهندسية الإجمالية للجدران وأنواع التسليح ومقداره والوصلات بينها وبين العناصر المتبقية في المبنى في تحسين مطاوعتها.

• الشكل الهندسي للجدران: المقطع العرضي الشائع مستطيل (أحد بعدي المقطع العرضي أكبر بكثير من الآخر). تستخدم أيضًا المقاطع على شكل حرفي L و U. تعمل أيضًا نواة المصعد الخرسانية المسلحة رقيقة الجدران كجدران قص، ويجب الاستفادة منها لمقاومة قوى الزلزال.

• قضبان التسليح في الجدران الخرسانية المسلحة: يجب وضع التسليح في شبكات من القضبان الفولاذية الشاقولية والأفقية المتباعدة بانتظام. يوضع التسليح الشاقولي والأفقي في الجدار في طبقتين متوازيتين داخلية وخارجية. كما يجب تثبيت التسليح الأفقي عند نهايات الجدران، وتوزيع التسليح الشاقولي بانتظام في المقطع العرضي للجدار.

• العناصر الطرفية: في ظل تأثيرات الانقلاب الكبيرة التي تسببها القوى الزلزالية الأفقية، تتعرض حواف الجدران لإجهادات كبيرة من الضغط والشد. وللتأكد من أن سلوكها مطاوع، يجب تسليح الخرسانة في أطرافها بطريقة خاصة. تسمى نهاياتها بالعناصر الطرفية (الأعمدة المخفية)، ويشبه تسليحها الخاص تسليح الأعمدة في الإطارات الخرسانية المسلحة. تزداد أحيانًا سماكة جدار القص في العناصر الطرفية وعندئذٍ تسمى أجنحة. تتميز الجدران ذات العناصر الطرفية بمقاومة انعطاف أكبر وقدرة أكبر لتحمّل قوة القص الأفقية، وبالتالي فهي أقل عرضة للأضرار الزلزالية من الجدران التي لا تحتوي على عناصر طرفية.

تحمل هذه الجدران قوى زلزالية أفقية كبيرة، فتكون تأثيرات الانقلاب عليها كبيرة. لذلك يتطلب تصميم أساساتها اهتمامًا خاصًا. [1]

المصادر

[1] Why are Buildings with Shear Walls preferred in Seismic Regions?

[2] What Harms Load Paths in Buildings?

[3] SEISMIC BEHAVIOUR OF HIGH RISE BUILDING WITH COMPOSITE SHEAR WALL: AN OVERVIEW

هل يجب أن نتخلّى عن تصميم المباني المقاومة للزلازل؟ أم يجب أن نصممها؛ بحيث لا يحدث ضرر في أثناء الزلازل القوية؟ من الواضح أن النهج الأول يمكن أن يؤدي إلى كارثة كبيرة، والنهج الثاني مكلف للغاية. وبالتالي، يجب أن تقع فلسفة التصميم الزلزالي في مكان ما بين هاتين الحالتين. [1]

فلسفة التصميم الزلزالي

يمكن تلخيصها كالآتي:

1. عند الاهتزاز الطفيف، يجب ألّا تتضرر العناصر الرئيسية للمبنى؛ والتي تحمل قوىً شاقولية وأفقية، أما أجزاء المبنى غير الحاملة؛ فقد تتعرض لأضرار يمكن إصلاحها.
2. وعند الاهتزاز المتوسط، قد تتعرض العناصر الرئيسية لأضرار يمكن إصلاحها، أما الأجزاء الأخرى للمبنى فقد تتضرر لدرجة أنه قد يتعين استبدالها بعد الزلزال.
3. وعند الاهتزاز القوي، قد تتعرض العناصر الرئيسية لأضرار شديدة (لا يمكن إصلاحها حتى)، ولكن يجب ألّا ينهار المبنى.

فبعد الاهتزاز الطفيف، سيعمل المبنى بكل قوته خلال زمن قصير، وستكون تكاليف الإصلاح قليلة. وبعد اهتزاز متوسط، سيعمل المبنى بمجرد الانتهاء من إصلاح وتقوية العناصر الرئيسية المتضررة. أما بعد حدوث زلزال قوي، فقد يصبح المبنى معطلًا غير قابل للاستخدام مرة أخرى، ولكنه يجب أن يبقى قائمًا حتى يمكن إجلاء الأشخاص واستعادة الممتلكات.

يجب أخذ عواقب الضرر في الحسبان في فلسفة التصميم الزلزالي. على سبيل المثال؛ تلعب المباني المهمة مثل المستشفيات ومحطات الإطفاء، دورًا مهمًا في أنشطة ما بعد الزلزال، ويجب أن تعمل فور حدوثه. يجب ألّا تتعرض هذه المنشآت إلّا لأضرار قليلة جدًا، وأن تصمّم لتوفير مستوى حماية أعلى ضد الزلازل. يمكن أن يسبب انهيار السدود في أثناء الزلازل حدوث فيضانات، يمكن أن تكون بذاتها كارثة ثانوية. لذلك، يجب تصميم السدود (وبالمثل، محطات الطاقة النووية) لأجل مستويات كبيرة من الحركة الزلزالية. [1]

لا مفرّ من الأضرار الزلزالية

يتضمن تصميم المباني لمقاومة الزلازل التحكم في مستويات مقبولة من الأضرار والتكلفة. تحدث أنواع مختلفة من الأضرار –تظهر بشكل رئيسي من خلال التشققات؛ خاصة في المباني الخرسانية والحجرية- في أثناء الزلازل. بعض هذه الشقوق مقبول (من حيث الحجم والموقع)، أما بعضها الآخر فغير مقبول. على سبيل المثال؛ في مبنى إطاري من الخرسانة المسلحة ذي جدران حجرية بين الأعمدة، تكون الشقوق بين الأعمدة والجدران الحجرية مقبولة، لكن الشقوق القطرية التي تمر عبر الأعمدة غير مقبولة.

لذلك، يهتم التصميم المقاوم للزلازل بضمان كون الأضرار الزلزالية من النوع المقبول، وكذلك أنها تحدث في الأماكن الصحيحة وبالكميات المناسبة. يشبه هذا النهج كثيرًا استخدام «الصمامات الكهربائية-Fuses» في المنازل؛ فلحماية الأسلاك والأجهزة الكهربائية بالكامل في المنزل، فإنك تضحّي ببعض الأجزاء الصغيرة من الدارة الكهربائية، والتي تسمى الصمامات. تستبدل هذه الصمامات بسهولة بعد زيادة التيار الكهربائي. وكذلك، لإنقاذ المبنى من الانهيار، فإنك ستسمح لبعض الأجزاء المحددة مسبقًا بالخضوع لنوعٍ ومستوى مقبولٍ من الضرر. [1]

المطاوعة

لنأخذ قضيبَين بنفس الطول ونفس المقطع العرضي، أحدهما مصنوع من مادة «مطاوعة-Ductile» والآخر من مادة «هشة-Brittle». الآن، شدّهما حتى ينكسرا! ستلاحظ أن القضيب المطاوع يستطيل بمقدار كبير قبل أن ينكسر، بينما ينكسر القضيب الهش فجأةً عند الوصول إلى مقاومته القصوى مع استطالة صغيرة نسبيًا. بالنسبة للمواد المستخدمة في التشييد؛ يعتبر الفولاذ مطاوعًا، أما حجر البناء والخرسانة مادتان هشتان. [2]

يعرّف المهندسون الخاصة التي تسمح للمادة بالانحناء للخلف والأمام بمقدار كبير، بـ«المطاوعة-Ductility». يجب تحديد الأشكال المقبولة للضرر والسلوك المرغوب للبناء في أثناء الزلزال. كما يجب تصميم وتشييد «المباني المقاومة للزلازل-Earthquake-Resistant Buildings»، ولا سيما عناصرها الرئيسية، لتكون مطاوِعةً. تتمتع هذه المباني بالقدرة على التأرجح ذهابًا وإيابًا في أثناء الزلزال، ومقاومة تأثيراته مع بعض الأضرار، ولكن دون الانهيار. تعتبر المطاوعة من أهم العوامل المؤثرة في أداء المبنى. وبالتالي، يسعى التصميم المقاوم للزلازل إلى التحديد المسبق للمواقع التي يحدث الضرر فيها، ثم تقديم تفاصيل تصميمية جيدة في هذه المواقع لضمان سلوكٍ مطاوِعٍ للمبنى. [1]

تصميم الأبنية لمقاومة الزلازل

تنتقل قوى العطالة الزلزالية المتولدة عند مستويات أرضيات الطوابق عبر الجيزان والأعمدة المختلفة إلى الأرض. يجب أن تكون مكونات البناء الصحيحة مطاوِعةً. يمكن أن يؤثر «فشل أو انهيار-Failure» العمود على استقرار المبنى بأكمله، أما فشل الجائز فيسبب تأثيرًا موضعيًا. لذلك، من الأفضل تصميم الجيزان لتكون حلقاتٍ مطاوِعةً أضعف من الأعمدة (يمكن تحقيق ذلك بتحديد الحجم المناسب للعناصر، وتزويدها بالكمية المناسبة من فولاذ التسليح). تسمى هذه الطريقة في تصميم المباني الخرسانية المسلحة؛ طريقة العمود القوي والجائز الضعيف. [2]

المصادر

[1] What is the Seismic Design Philosophy for Buildings?

[2] How to make Buildings ductile for Good Seismic Performance?

تدفع الرغبةُ في إنشاء مبنىً جميلٍ وفعّالٍ وظيفيًّا المهندسين المعماريّين لتصوّر منشآت رائعة وخياليّة. أحيانًا، يلفتُ شكل المبنى انتباه الزائر، وأحيانًا يلفته «النظام الإنشائي-Structural System»، وفي حالاتٍ أخرى يعمل كلٌّ من الشكل والنظام الإنشائيّ معًا لجعل المُنشأ أعجوبةً.
إنّ لكلٍّ من خيارات الشكل والنظام الإنشائيّ هذه؛ تأثيرًا كبيرًا على الأداء الزلزالي للمنشآت أثناء الزلازل القويّة. وتعدّ المجموعة الواسعة من الأضرار الإنشائيّة الملاحَظَة أثناء الزلازل الماضية في جميع أنحاء العالم؛ مفيدةً للغاية في تحديد التصاميم الإنشائيّة المرغوبة، وتلك التي يجب تجنّبها. [1]

قياسات المُنشأة

يكون الأداء الزلزالي للمنشآت التالية سيّئًا:

في المباني الشاهقة ذات نسبة (الارتفاع إلى مساحة القاعدة) الكبيرة، تكون الحركة الأفقيّة للطوابق أثناء اهتزاز الأرض كبيرة. (الشكل 1a). وفي المباني قصيرة الارتفاع ذات الامتداد الأفقيّ الطويل، تكون الأضرار أثناء اهتزاز الزلزال كثيرة؛ (الشكل 1b). وفي المباني ذات المساحة الكبيرة كالمستودعات، يمكن أن تكون القوى الزلزاليّة الأفقيّة كبيرةً جدًّا بحيث لا تستطيع الأعمدة والجدران تحمّلها؛ (الشكل 1c). [1]

التخطيط الأفقيّ للمنشأة

بشكلٍ عام، كان الأداء الزلزالي للمنشآت ذات الشكل الهندسي البسيط جيّدًا أثناء الزلازل القويّة؛ (الشكل 2a). أمّا المباني ذات الزوايا (أي التي يكون مسقطها الأفقيّ بشكل U, V, H أو+)؛ فقد تعرّضت لأضرار كبيرة؛ (الشكل 2b). كثيرًا ما نتجنّب التأثيرات السيّئة لهذه الزوايا الداخليّة في المساقط الأفقيّة للمباني بتقسيم المبنى إلى قسمين (كتلتين). على سبيل المثال، يمكن تقسيم المخطّط ذي الشكل L إلى مستطيلَين بفصلهما عند موضع التقاطع (الشكل 2c). غالبًا ما يكون المخطّط بسيطًا، لكنّ الأعمدة و/أو الجدران غير موزّعة بشكل مناسب. تميل هذه المنشآت إلى «الالتواء-Twisting» (الدوران حول المحور الشاقوليّ Z) أثناء اهتزاز الزلزال. [1]

التخطيط الشاقوليّ للمنشأة

تحتاج القوى الزلزاليّة التي تطوّرت في مستويات طوابق مختلفة أن تنزل إلى الأرض بأقصر مسار. يؤدّي أيّ انحراف أو «انقطاع-Discontinuity» في مسار نقل الحمولة هذا؛ إلى ضعف أداء المبنى. وتسبّب المباني ذات الانتكاسات الشاقوليّة (مثل مباني الفنادق ذات الطوابق القليلة الأعرض من البقيّة) قفزةً مفاجئة في قوى الزلازل عند مستوى الانقطاع؛ (الشكل 3a).

تميل المباني التي تحتوي على عدد قليل من الأعمدة أو الجدران في طابق محدّد أو ذات طوابق عالية بشكل غير عادي -كالأبنية ذات الطوابق الأرضيّة المخصّصة لوقوف السيارات- إلى الانهيار بدءًا من ذلك الطابق؛ (الشكل 3b).

أما المباني على «الأرض المنحدرة-Slopy Ground» فلها ارتفاعٌ غير متساوٍ للأعمدة على طول المنحدر. يسبّب هذا الارتفاع غير المتساوي تأثيرات سيّئة مثل الانفتال والتضرّر في الأعمدة القصيرة؛ (الشكل 3c). وللمباني ذات الأعمدة المستندة على جيزان في طابق متوسّط، ولا تصل إلى الأساس، انقطاعاتٌ في مسار نقل الحمولة؛ (الشكل 3d).

تمتلك بعض المباني جدران خرسانيّة مسلّحة لنقل حمولات الزلزال إلى الأساس. والمباني التي لا تصل فيها هذه الجدران إلى الأرض، وتتوقّف عند مستوى أعلى؛ معرّضة للتضرّر الشديد أثناء الزلازل؛ (الشكل e3). [1]

تجاور المنشآت

عند وجود مبنيَين قريبَين جدًّا من بعضهما، فقد يصدمان بعضهما البعض أثناء الاهتزاز الشديد. ومع زيادة ارتفاع المبنى، يمكن أن يكون هذا الاصطدام مشكلةً أكبر. عندما لا يتطابق ارتفاعا المبنيَين (الشكل 4)، فقد يصدم سقف المبنى الأقصر أحد أعمدة المبنى الأطول في منتصفه؛ يمكن ان يكون هذا خطيرًا جدًّا. [1]

الفتل في المنشآت

يطلق المهندسون الإنشائيّون على الالتواء (الالتفاف) في المباني اسم «الفتل-Torsion». إذ يحرّك الفتل أجزاءً مختلفة في نفس مستوى الطابق أفقيًّا بقيم مختلفة. يؤدّي هذا التحريك إلى مزيد من الضرر في «الإطارات-Frames» (وهي جملة الأعمدة والجيزان) والجدران في الجانب الذي يتحرّك أكثر.

تأثّرت العديد من المباني بشدّة من هذا السلوك الالتوائيّ المفرط أثناء الزلازل الماضية. لذلك، من الأفضل تقليل هذا الالتواء (إن لم نتمكّن من تجنّبه تمامًا)؛ بضمان تناظر المباني في المسقط (أي توزيع الكتلة والنظام الإنشائيّ المقاوم للحمولات الجانبيّة، بانتظام). إذا تعذّر تجنّب هذا الالتواء، فيجب إجراء حسابات خاصّة لقوى القصّ الإضافيّة عند تصميم المباني. ولكن بالتأكيد، سيكون أداء المباني ذات الالتواءات سيّئًا أثناء الاهتزاز القويّ للزلزال. [2]

المصادر
[1] How Architectural Features affect Buildings during Earthquakes?
[2] How Buildings twist during Earthquakes?

عندما تنطلق الحافلة فجأةً، تتحرّك قدماك معها، لكنّ الجزء العلويّ من جسمك يميل للبقاء في موضعه الأصليّ -أي في موضعه قبل الانطلاق- ممّا يجعلك تسقط للوراء. تُعرَف هذه النزعة للاستمرار في البقاء في الوضع السابق بـ«العطالة أو القصور الذاتيّ-Inertia». إنّ ذلك الموقف الذي تواجهه في الحافلة يشبه كثيرًا ما تتعرّض له المنشآت عند حدوث الزلازل. فما هي قوى العطالة الزلزاليّة وأثر الزلازل في المنشآت؟

قوى العطالة في المنشآت

يسبّب الزلزال اهتزاز الأرض، فتتعرّض المنشآت لحركة في أساساتها. ومن القانون الأوّل لنيوتن في الحركة، يميل «سقف-Roof» المُنشأة للبقاء في موضعه الأصليّ، على الرغم من أنّ أساساته تتحرّك مع الأرض. ولكن بما أنّ الجدران والأعمدة متّصلة بالسقف، فإنّها تسحبه معها عندما تتحرّك. ونظرًا لكونها «مرنة-Flexible»، فإنّ حركة السقف تختلف عن حركة الأرض.

بالعودة إلى مثال وقوفك في الحافلة؛ عندما تنطلق الحافلة فجأةً، فإنّك تُدفَع للوراء. كما لو أنّ أحدًا طبّق قوّة على الجزء العلويّ من جسمك. وبالمِثل، عندما تتحرّك الأرض، يُدفَع المبنى للوراء، ويخضع السقف لقوّة تُسمّى قوّة العطالة.

إذا كان للسقف «الكتلة-(m) Mass» وتعرّض لـ«تسارع-(a) Acceleration»، تكون قوّة العطالة F_I المؤثّرة فيه مساوية لحاصل ضرب الكتلة في التسارع؛ وذلك وفق القانون الثاني لنيوتن في الحركة. ويكون اتّجاه تلك القوة معاكسًا لاتّجاه التسارع.

من الواضح أنّ الزيادة في الكتلة تعني زيادةً في قوّة العطالة. ولذلك، تتحمّل الأبنيةُ الأخفّ اهتزازَ الزلازل بشكل أفضل.

تأثير التشوّهات في المنشآت

تنتقل قوى العطالة المؤثّرة في السقف إلى الأرض عبر الأعمدة، ممّا يسبّب تولّد قوىً داخليّةً فيها. تخضع الأعمدة أثناء الزلزال لـ«حركة نسبيّة-Relative Movement» بين نهاياتها، وهي الانتقال u بين السقف والأرض. ولكنّها قد تُظهِر نزعةً للعودة إلى وضعها الرأسيّ المستقيم؛ أي أنّها تقاوم «التشوّهات-Deformations».

لا تحمل الأعمدة قوىً زلزاليّة أفقيّة في الوضع الرأسيّ المستقيم. ولكن عندما تُجبَر على الانحناء، فإنّها تطوّر «قوى داخليّة-Internal Forces». وتزداد هذه القوى الداخليّة بزيادة «الإزاحة-Displacement» الأفقيّة النسبيّة u بين نهايَتَي العمود. كما تزداد بزيادة صلابة العمود (أي كلما زاد حجمه). ولذلك، تسمّى هذه القوى بـ«قوى الصلابة-Stiffness Forces»، وهي تساوي حاصل ضرب صلابة العمود في الإزاحة النسبيّة بين نهايتَيه u.

الاهتزاز الأفقيّ والرأسيّ

يسبّب الزلزال اهتزازًا أرضيًا في الاتّجاهات الثلاثة (X,Y,Z) عشوائيًّا ذهابًا وإيابًا. تُصمّم كلّ المنشآت بشكلٍ أساسيّ لتحمل «حمولات الجاذبيّة-Gravity Loads». أي أنّها مُصمّمَة لتحمل قوّة مساوية للكتلة m (وتتضمّن: كتلة البناء ذاته، بالإضافة إلى كتلة الحمولات المفروضة عليه كالسكّان والأثاث وغيرها) مضروبةً في تسارع الجاذبيّة الأرضيّة g. إنّ التسارع الرأسيّ أثناء اهتزاز الأرض، إمّا أن يزيد من تسارع الجاذبيّة الأرضيّة أو يُنقِصَه. وبسبب استخدام عوامل الأمان في تصميم المنشآت لمقاومة حمولات الجاذبيّة (الحمولات الشاقوليّة)، تكون معظم المنشآت مناسِبةً لمقاومة الاهتزاز الرأسيّ. لكنّها -بشكلٍ عامّ- قد لا تكون قادرةً على تحمّل تأثيرات الاهتزازات الزلزاليّة الأفقيّة بأمان. لذلك، من الضروريّ ضمان كفاية المنشآت ضدّ التأثيرات الأفقيّة.

تدفّق قوى العطالة إلى أساسات المُنشأ

تتولّد قوى العطالة الأفقيّة في مستوى كتلة المُنشأة (تتوضّع هذه الكتلة عادةً عند مستويات أرضيّات الطوابق). تُنقَل قوى العطالة الجانبيّة بواسطة «بلاطة-Slab» الطابق إلى الجدران (إذ قد تكون الجدران مبنيّة من الخرسانة المسلّحة) أو الأعمدة، ثمّ إلى «الأساسات-Foundations»، وأخيرًا إلى «نظام التربة-Soil System» الذي يتموضع المبنى فوقه. ولذلك، يجب تصميم كلٍّ من هذه «العناصر الإنشائيّة-Structural Elements» و«الوصلات-Connections» بينها؛ بطريقة تساعد على نقل قوى العطالة عبرها بأمان.

تُعَدّ الجدران أو الأعمدة أهمّ العناصر في نقل قوى العطالة. ولكن في البناء التقليديّ، تلقى البلاطات و«الجيزان أو العوارض-Beams» اهتمامًا أكثر من الأعمدة والجدران أثناء التصميم والتشييد. هذا ما يؤدّي إلى نتائج كارثيّة عند حدوث زلزال، فالجدران عناصر رقيقة نسبيًّا، وضعيفة في مقاومة قوى العطالة الزلزاليّة الأفقيّة وفق اتّجاهها العرضيّ (أي وفق اتّجاه سماكتها). كما أنّ «الأعمدة الخرسانيّة المسلّحة-Reinforced Concrete Columns» المُصمّمَة والمبنيّة بشكلٍ سيّئ تكون خطيرةً جدًّا.

المصدر

Nicee.org: What are the Seismic Effects on Structures?

يكمن الفرق بين مقياس ريختر ومقياس ميركالي المُعدّل في أنّ مقياس ريختر يُستخدَم لتحديد مقدار الزلزال، أمّا مقياس ميركالي المعدّل فيُستخدَم لتحديد شدّة الزلزال. فما هذان المقياسان؟ وما الفرق بين مقدار الزلزال وشدّته؟

مقدار الزلزال

• «مقدار أو قدر-Magnitude» الزلزال هو مقياسٌ كمّيّ للحجم الفعليّ للزلزال. لاحظ البروفيسور «تشارلز ريختر-Charles Richter» أنّ:

1. عند المسافة ذاتها من المركز السطحيّ للزلزال، تزداد «السعة الموجيّة-Wave Amplitude» لمخطّطات الاهتزاز الأرضيّ للزلازل الأكبر عنها في حالة الزلازل الأصغر.
2. بالنسبة لزلزال ما، تكون السعة الموجية للسجلّات الزلزالية عند مسافات أبعد أصغر منها عند مسافات أقرب.

دفع ذلك تشارلز ريختر إلى اقتراح مقياس مقدار الزلازل والمعروف باسمه؛ «مقياس ريختر-Richter Scale». ونحصل عليه من سجلّات أجهزة السيسموجراف. يتضمّن مقياس ريختر قياس سعة أكبر موجة مسجّلة على مسافة محدّدة من الزلزال تُسمّى «المسافة المركزية-Epicentral Distance». والمسافة المركزية هي المسافة من المركز السطحيّ للزلزال إلى النقطة المعتبرة من سطح الأرض. ويُسمّى هذا المقياس أيضًا «مقياس المقدار المحلّيّ-Local Magnitude Scale».

تشير زيادة قدر الزلزال (M) بمقدار 1 في مقياس ريختر إلى سعة موجة أكبر بـ 10 مرّات وإطلاق طاقة أكبر بحوالي 31 مرّة. على سبيل المثال؛ الطاقة المنبعثة من زلزال M7.7 أكبر بحوالي 31 مرّة من تلك المنبعثة من زلزال M6.7، وأكبر بحوالي 31×31=961 مرّة من تلك المنبعثة من زلزال M5.7.

القياس الأفضل لحجم الزلزال هو كمّيّة الطاقة المنبعثة منه. وقد أعطى ريختر العلاقة التالية لتقديرها:

حيث: E هي الطاقة المنبعثة مقدّرةً بوحدة erg، وM هو مقدار الزلزال (قدر ريختر).

كي نفهم الأمر بصورة أبسط، إنّ الطاقة المنبعثة من زلزال مقداره M6.3 مساوية للطاقة التي أُطلِقَت من القنبلة الذرّيّة الملقاة على «هيروشيما -Hiroshima» عام 1945 م. ولحسن الحظّ، يصرَف معظم تلك الطاقة في هيئة حرارة وفي تكسير الصخور. ولا يذهب إلّا جزء صغير منها إلى الموجات الزلزاليّة التي تنتقل مسافات كبيرة مسبّبة اهتزاز الأرض وتضرّر المنشآت. [1] [2]

متوسط حدوث الزلازل عالميًّا

متوسّط مرّات حدوثها سنويًّا	المقدار	المجموعة
1	8 وأعلى منها	شديدة جدًّا
18	7 – 7.9	شديدة
120	6 – 6.9	قويّة
800	5 – 5.9	متوسّطة
6200 (تقديريًّا)	4 – 4.9	خفيفة
49000 (تقديريًّا)	3 – 3.9	صغيرة
M1-2 حوالي 8000/يوم، M2-3 حوالي 1000/يوم	أصغر من 3	صغيرة جدًّا

• إنّ مقاييس مقدار الزلازل غير محدودة بحدٍّ أعلى أو أدنى. [1] [2]

شِدّة الزلزال

هي مقياس نوعيّ للاهتزاز الفعليّ في موقع ما أثناء الزلزال، وتحدَّد بالأرقام الرومانية. وتوجد عدّة مقاييس للشدّة، وأكثرها شيوعًا «مقياس ميركالي المُعدّل-Modified Mercalli Intensity (MMI) Scale». يتراوح مقياس ميركالي المُعدل بين الدرجة I (لا يشعر الناس بأي حركة أرضيّة) والدرجة XII (حالة دمار شامل). وتعتمد مقاييس الشدّة على ثلاث سمات للاهتزاز: إحساس البشر والحيوانات به، وأداء المباني والمنشآت، والتغيّرات في البيئة المحيطة الطبيعيّة. إذ يطبَّق مقياس ميركالي المُعدّل بعد حدوث الزلزال بإجراء مسح للدمار، ولاستجابة الناس لشدّة اهتزاز الأرض. [1] [2]

الفرق الأساسيّ بين مقدار الزلزال وشدّة الزلزال أو الفرق بين مقياس ريختر ومقياس ميركالي المُعدّل

مقدار الزلزال مقياسٌ لحجمه. على سبيل المثال؛ يمكن قياس حجم الزلزال بكمّيّة طاقة التشوّه المنبعثة نتيجة انكسار الفالق. هذا يعني أنّ لمقدار زلزال ما قيمة واحدة. من ناحية أُخرى، تعتبر الشدّة مؤشّرًا لشّدة الاهتزاز المتولّد في موقع ما. من الواضح أنّ شدّة الاهتزاز بالقرب من المركز السطحيّ للزلزال أكبر بكثير منها في المواقع الأبعد. وبالتالي؛ أثناء نفس الزلزال ذي المقدار المعيَّن، تتعرّض مواقع مختلفة لمستويات مختلفة من الشدّة.

ولتوضيح هذا الفرق، نشبّه الزلزال بالمصباح الكهربائيّ. تكون الإضاءة في مكان قريب من مصباح 100 واط أشدّ منها في مكان بعيد عنه. بينما يطلق المصباح 100 واط من الطاقة، فإنّ شدّة الإضاءة في موقع ما تعتمد على القوّة الكهربائيّة للمصباح وبعدها عنه. حجم المصباح (100 واط) يشبه مقدار الزلزال، والإضاءة في مكان ما تشبه شدّة الاهتزاز في ذلك الموقع. [1]

المقدار والشدّة في التصميم الزلزاليّ

تصمَّم الأبنية والمنشآت لمقاومة مستويات معيّنة من شدّة الاهتزاز وليس اعتمادًا على مقدار الزلزال. ويعدّ «التسارع الأرضيّ الأعظميّ–Peak Ground Acceleration (PGA)» طريقة لتحديد شدّة اهتزاز الأرض. وهو التسارع الأعظميّ الذي تتعرّض له الأرض أثناء الاهتزاز.

وتتوفّر العلاقات التجريبيّة التقريبيّة بين شدّات مقياس ميركالي المُعدّل والتسارعات PGA التي يُحتمل التعرّض لها. وتُعطى PGA كنسبة من تسارع الجاذبيّة الأرضيّة g.

اعتمادًا على بيانات زلازل سابقة، قدّم العالمان «جوتنبرج-Gutenberg» وريختر علاقةً تقريبيّة بين المقدار المحلّي للزلزال M_L والشدّة I₀ عند منطقة المركز السطحيّ له.

ولاستخدام المعادلة السابقة تُستبدَل الأرقام الرومانيّة الدالّة على الشدّة بمقابلاتها من الأرقام العربيّة. [1]

المصادر
NICEE.org: What are Magnitude and Intensity? [1]

[2] Earthquakes: Causes and Measurements

مقدمة عن الموجات الزلزالية وكيفية قياسها بالسيسموجراف

أثناء الزلزال، تنتقل طاقة التشوّه الكبيرة المنطلقة في كلّ الاتّجاهات عبر طبقات الأرض في هيئة موجات زلزاليّة، منعكسةً ومنكسرةً عند كل سطح بينيّ. وتُسجّل تلك الموجات بواسطة جهاز يُسمّى «السيزموجراف-Seismograph».
[1]
فما أنواع هذه الموجات؟ وكيف يحدّد المركز السطحيّ للزلزال اعتمادًا على تسجيلات محطّات الرصد؟

أنواع الموجات الزلزالية

1- «موجات مرنة-Body Waves»

تنطلق من البؤرة، وتنتقل في كل الاتجاهات عبر جسم الأرض. وهي نوعان:

• «موجات رئيسية-Primary Waves» أو P-waves: تخضع جسيمات المادّة -التي تنتقل هذه الموجات عبرها- لتشوّهات انضغاطية وتمدّدية وفق منحى انتقال الطاقة. وتعتمد سرعتها على خصائص مرونة المادّة من صلابة وكثافة وسهولة انضغاط. والموجات الرئيسية هي أسرع أنواع الموجات الزلزالية، لذلك تصل إلى أجهزة تسجيل الزلازل أوّلًا.
• «موجات ثانوية-Secondary Waves» أو S-waves: وتسمّى أيضًا موجات القصّ. تهتزّ جسيمات المادة -في هذه الحالة- باتجاه عمودي على منحى انتقال الطاقة. تعتمد سرعتها على صلابة وكثافة المادة فقط، ولا تنتقل عبر السوائل. والموجات الثانوية أبطأ من الرئيسية P-waves، لذلك تصل إلى أجهزة تسجيل الزلازل بعدها.

على سبيل المثال؛ تبلغ سرعة P-waves في «الجرانيت-Granites» 4.8 كم/ثانية تقريبًا، وسرعة S-waves تساوي 3 كم/ثانية تقريبًا.

2– «موجات سطحية-Surface Waves»

لا تنتقل عبر جسم الأرض، بل وفق مسارات موازية تقريبًا لسطحها. والموجات السطحية أبطأ من الثانوية S-waves، وغالبًا ما تكون سبب الحركة الأرضية الأشدّ أثناء الزلزال. وهي نوعان:

• «موجات لوف-Love Waves»: تسبّب موجات لوف حركات سطحية كالتي تحدثها الموجات الثانوية S-waves ولكن بدون حركة شاقولية.
• «موجات ريلي-Rayleigh Waves»: تهز موجات ريلي جسيمات المادة في مسار إهليلجيّ في المستوي الرأسيّ، مع حركة أفقية وفق منحى انتقال الطاقة.
  
  تسبّب الموجات الثانوية S-waves -بالإضافة إلى تأثيرات موجات لوف- الضرر الأكبر للمنشآت بالتحريك الذي تحدثه على سطح الأرض في كِلا الاتجاهَين الأفقيّ والرأسيّ. عندما تصل الموجات الرئيسية P-waves والثانوية S-waves إلى السطح، تنعكس معظم طاقتها. ثمّ يعود بعض هذه الطاقة إلى السطح بسبب الانعكاسات عند طبقات مختلفة من التربة والصخور.
  
  يكون الاهتزاز أشدّ -بحوالي الضعف تقريبًا- على سطح الأرض منه في الأعماق الكبيرة. وغالبًا ما يكون هذا أساسًا في تصميم المنشآت المطمورة (المنشآت تحت سطح الأرض) وفق تسارعات أصغر من تلك التي فوق الأرض. [1] [2]

ما هو السيسموجراف وكيف يعمل؟

جهازٌ يستخدَم لتسجيل اهتزازات الزلازل، و يعمل –منذ اختراعه- وفق مبدأ بسيط. عبارة عن قلم مثبّت في طرف «نوّاس أو بندول-Pendulum» بسيط متأرجح (كتلة معلّقة بخيط متدلٍّ من دعامة)، ومغناطيس محيط بالخيط لتوفير «التخامد-Damping» اللازم للتحكّم بسعة الاهتزاز. بالإضافة إلى ورقة رسم بيانيّ مثبّتة على أسطوانة تدور بسرعة ثابتة. يشكّل البندول والخيط والمغناطيس والدعامة مستشعرَ الجهاز، أمّا المُسجِّل فيتكوّن من الأسطوانة والقلم وورقة الرسم. ويتكون المؤقِّت من المحرّك الذي يدير الأسطوانة بسرعة لف ثابتة.

يَلزم جهاز سيسموجراف في كِلا الاتجاهَين المتعامدَين في المستوي الأفقي، بمعنى أنّنا نحتاج إلى جهاز باتجاه شمال-جنوب مثلًا، وآخر باتجاه شرق-غرب. أمّا لقياس الاهتزازات الرأسية فيُستبدَل البندول الخيطيّ بآخر نابضيّ يتأرجح حول نقطة ارتكاز.

تطوّرت هذه الأجهزة عبر الزمن، وأصبح استخدام الأجهزة الرقمية المُعتمِدة على الحواسيب أكثر شيوعًا اليوم. [1] [2]

تحديد موقع المركز السطحيّ للزلزال

من أجل تحديد المركز السطحي للزلزال، نحتاج إلى تسجيلات ثلاث محطّات رصد -على الأقلّ- تقع على مسافات مختلفة من المركز السطحيّ المُراد تحديده. كما نحتاج إلى معرفة الزمن الذي استغرقتْه الموجات الرئيسية P-waves والثانوية S-waves للانتقال عبر الأرض والوصول إلى كلّ محطّة رصد. جُمعَت هذه المعلومات عبر العقود الماضية، وهي متوفّرة في هيئة منحنيات مسافة-زمن.

يحسَب الفارق الزمنيّ بين وصول أوّل الموجات الثانوية S-waves ووصول أوّل الموجات الرئيسية P-waves، ثم تحدّد المسافة بين محطّة الرصد والمركز السطحي اعتمادًا على تلك المنحنيات.

وهكذا نرسم على الخريطة -من كلّ محطّة رصد- دائرة نصف قطرها مساوٍ للمسافة بين المحطّة والمركز السطحي. وتتقاطع الدوائر الثلاث في نقطة تحدّد موقع المركز السطحي للزلزال كما هو مبين في الصورة الأخيرة. [2]

المصادر

[1] How the ground shakes?
[2] Earthquakes: Causes and Measurements

اعتُقِد قديماً أنّ الأرض تطفو على الماء كسفينة عائمة، وأنّ الزلازل تحدث نتيجة الأمواج المتلاطمة على سطح البحر. وفي الأساطير اليونانية، كان «بوسايدن-Poseidon» -إله الزلازل والبحر- إذا غضب على الناس، يحرّك قاع البحر فيحدث الزلزال. [1] فما هي الزلازل؟ وكيف تحدث؟ تابعوا معنا المقال التالي

ممّ تتكوّن الأرض وما طبقاتها؟

عندما تكوّنت الأرض باندماج مجموعة كبيرة من الكتل المادّية؛ تولّدت حرارة عالية بفعل هذا الاندماج. ومع مرور الزمن، بردت الأرض ببطءٍ وغاصت الموادّ الأثقل إلى المركز، وارتفعت الموادّ الأخفّ إلى الأعلى.

تتكون طبقات الأرض من «النواة الداخلية-Inner Core» نصف قطرها 1290 كم تقريبًا، وهي صلبةٌ تتكوّن من معادن ثقيلة كالنيكل والحديد.

ثم «النواة الخارجية-Outer Core» وسماكتها 2200 كم تقريبًا، وهي سائلة القوام. ثم «الوشاح-Mantle» وسماكته 2900 كم تقريبًا. وننتهي بـ«القشرة-Crust» وتتراوح سماكتها بين 5 و40 كم، وتتكوّن من موادّ خفيفة كالبازلت والغرانيت، وهي التي نحيا فوقها.

وتبلغ حرارة النواة 2500 درجة مئوية تقريبًا، وضغطها حوالي 4 مليون ضغط جوّي، وكثافتها 13.5 طن/متر مكعّب. [2]

دورة كتلة الأرض

تتطوّر «تيّارات الحمل الحراريّ-Convection Currents» في الوشاح اللّزج بسبب ارتفاع الحرارة وتدرّجات الضغط بين القشرة والنواة؛ كالتدفّق الحراريّ للماء عند تسخينه. وتُستمدّ الطاقة اللازمة لهذه العملية من الحرارة الناتجة عن التحلّل المستمر للعناصر المشعّة في صخور باطن الأرض. تؤدّي هذه التيارات إلى دوران كتلة الأرض؛ إذ تخرج الحمم المنصهرة إلى السطح وتبرد لتصبح صخورًا. تذوب الكتلة المُمتصّة بفعل الحرارة والضغط المرتفعَين وتصبح جزءًا من الوشاح لتخرج ثانيةً من مكانٍ آخر يومًا ما. يحدث العديد من هذه الدورات المحلّية في مناطق مختلفة تحت سطح الأرض؛ ويؤدّي ذلك إلى خضوع أجزاءٍ مختلفة من الأرض لحركات باتّجاهات مختلفة. [2]

حركة الصفائح التكتونيّة

تؤدّي التدفّقات الحرارية لمادة الوشاح إلى انزلاق القشرة وجزءٍ منه على النواة الخارجية الحارّة المنصهرة. يحدث هذا الانزلاق في قطعٍ معروفة باسم «الصفائح التكتونيّة-Tectonic Plates». يتكوّن سطح الأرض من 7 صفائح تكتونية كبيرة وعدّة صفائح أصغر. تتحرّك هذه الصفائح باتّجاهات وسرعات مختلفة عن مجاوراتها. عندما تكون الصفيحة الأماميّة أبطأ، تأتي الصفيحة الخلفيّة وتصدمها فتتشكّل الجبال. وعندما تتحرّك صفيحتان بعيدًا عن بعضهما تتشكّل «الصدوع-Rifts». وفي حالةٍ أخرى، تنزلق صفيحتان بمحاذاة بعضهما في الاتّجاه ذاته أو في اتّجاهَين متعاكسَين. تُسمّى هذه الأنواع الثلاثة من التفاعلات بين الصفائح الحدود المتقاربة والحدود المتباعدة والحدود التحويليّة. تختلف الحركة النسبية لحدود الصفائح وتتراوح بين 2 سم وعشرات السنتمترات سنويًّا. [2]

كيف تحدث الزلازل؟

• تفسّر «نظريّة الارتداد المرن-Elastic Rebound Theory» حدوث الزلازل كالتالي:
• تتكون الصفائح التكتونية من مادة صخرية مرنة وهشّة، وهكذا تُخزّن «طاقة التشوّه المرن-Elastic Strain Energy» فيها أثناء التشوهات النسبية الناتجة عن حركات الصفائح العملاقة. وعندما تصل الصخور على طول السطح البينيّ للصفائح إلى مقاومتها القصوى، فإنّها تنكسر وتحدث حركة مفاجئة هنالك. ينزلق السطح بين الصفائح حيث حدثت الحركة والمسمى «الفالق-Fault» فجأةً ويطلق طاقة التشوّه المرن الكبيرة المخزّنة في الصخور.
• يتسبّب الانزلاق المفاجئ عند الفالق بحدوث «الزلزال-Earthquake»، إذ تهتزّ الأرض بشدّة وتنتشر أثناءَه طاقة التشوه المرن الكبيرة على هيئة «موجات زلزالية-Seismic Waves» تنتقل خلال جسم الأرض وعلى سطحها. وبعد انتهاء الزلزال، تبدأ عملية تراكم التشوهات عند السطح المعدل بين الصفائح مجدّدًا. وغالبًا ما يصل طول الفالق إلى عشرات الكيلومترات عند الزلازل الشديدة. [2]
• يُسمّى مصدر الزلزال «البؤرة-Focus»، وهو الموضع الدقيق داخل الأرض الّذي تتولّد منه الموجات الزلزالية. أمّا «المركز السطحيّ للزلزال-Epicenter» فهو النقطة من سطح الأرض والموجودة مباشرةً فوق البؤرة. [3]

أنواع الزلازل والفوالق

تحدث معظم الزلازل على طول الحدود بين الصفائح التكتونية وتسمى «زلازل بين الصفائح-Inter Plate Earthquakes». تحدث بعض الزلازل أيضًا داخل الصفيحة بعيدًا عن حدودها ويطلق عليها اسم «زلازل داخل الصفائح-Intra Plate Earthquakes» وفي هذه الحالة تنكسر الصفيحة التكتونية. وفي كِلا نوعَي الزلازل، يكون الانزلاق المتولّد عند الفالق على طول الاتّجاهَين الرأسيّ والأفقيّ وهو معروف باسم «Dip Slip» والاتّجاهات الجانبية ويعرف باسم «Strike Slip»، مع هيمنة أحدهما أحيانًا. [2] 

ما هي السيسمولوجيا؟

إنّ دراسة سلوك الموجات الزلزالية في الأرض تعرف باسم السيسمولوجيا أو «علم الزلازل-Seismology». [3] وهو علم قائم على دراسة أنواع الموجات الزلزالية، وكيفية تسجيل اهتزازات الزلازل.

المصادر

[1] Poseidon as a God of Earthquake in Roman Asia Minor
[2] What causes Earthquakes?
[3] Earthquakes: Causes and Measurements