تجربة محاكاة افتراضية للميكانيكا: تشوه المواد وفشلها بناء على المجهر الإلكتروني الماسح

الميكانيكا هي واحدة من التخصصات الأساسية في الهندسة ، كما يتضح من التركيز على أساس الميكانيكا الرياضية والمعرفة النظرية والاهتمام بتنمية القدرات العملية للطلاب. مع التقدم السريع للعلوم والتكنولوجيا الحديثة ، كان لعلوم وتكنولوجيا النانو تأثير كبير على حياة الإنسان والاقتصاد. أعلنت ريتا كولويل ، المديرة السابقة لمؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) ، في عام 2002 أن تكنولوجيا النانو سيكون لها تأثير مساو للثورة الصناعية¹ وأشارت إلى أن تكنولوجيا النانو هي حقا بوابة لعالم جديد². تعد الخواص الميكانيكية للمواد على المستوى النانوي أحد أهم العوامل الأساسية والضرورية لتطوير تطبيقات التكنولوجيا الفائقة ، مثل أجهزة النانو³،^4،5. أصبح السلوك الميكانيكي للمواد على المستوى النانوي والتطور الهيكلي تحت الضغط قضايا مهمة في أبحاث الميكانيكا النانوية الحالية.

في السنوات الأخيرة ، أدى تطوير وتحسين تقنية المسافة البادئة النانوية ، وتكنولوجيا الفحص المجهري الإلكتروني ، والمجهر المسبار الماسح ، وما إلى ذلك ، إلى جعل تجارب “الميكانيكا في الموقع” تقنية اختبار متقدمة مهمة في أبحاث الميكانيكا النانوية ^6,7. من الواضح ، من منظور التدريس والبحث العلمي ، أنه من الضروري إدخال التقنيات التجريبية الحدودية في محتوى التدريس التقليدي فيما يتعلق بالتجارب الميكانيكية.

ومع ذلك ، فإن تجارب الميكانيكا المجهرية تختلف اختلافا كبيرا عن تجارب الميكانيكا الأساسية العيانية. من ناحية ، على الرغم من أن الأدوات والمعدات ذات الصلة قد تم تعميمها في جميع الكليات والجامعات تقريبا ، إلا أن عددها محدود بسبب ارتفاع السعر وتكلفة الصيانة. على المدى القصير ، من المستحيل شراء معدات كافية للتدريس دون اتصال بالإنترنت. حتى إذا كانت هناك موارد مالية ، فإن تكاليف إدارة وصيانة التجارب غير المتصلة بالإنترنت مرتفعة للغاية ، لأن هذا النوع من المعدات له خصائص عالية الدقة.

من ناحية أخرى ، فإن تجارب الميكانيكا في الموقع مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) شاملة للغاية ، مع متطلبات تشغيلية عالية وفترة تجريبية طويلة للغاية ^8,9. تتطلب التجارب غير المتصلة بالإنترنت أن يكون الطلاب شديدي التركيز لفترة طويلة ، ويمكن أن يؤدي سوء التشغيل إلى إتلاف الأداة. حتى مع الأفراد المهرة للغاية ، تتطلب التجربة الناجحة بضعة أيام لإكمالها ، من إعداد العينات المؤهلة إلى تحميل العينات لتجارب الميكانيكا في الموقع. لذلك ، فإن كفاءة التدريس التجريبي دون اتصال بالإنترنت منخفضة للغاية.

لمعالجة القضايا المذكورة أعلاه ، يمكن استخدام المحاكاة الافتراضية. يمكن أن يؤدي تطوير تدريس تجربة المحاكاة الافتراضية إلى معالجة اختناق التكلفة والكمية للمعدات التجريبية للميكانيكا في الموقع ، وبالتالي ، يسمح للطلاب باستخدام مختلف القطع المتقدمة من المعدات بسهولة دون الإضرار بالأدوات عالية التقنية. كما يتيح تدريس تجربة المحاكاة للطلاب الوصول إلى منصة تجربة المحاكاة الافتراضية عبر الإنترنت في أي وقت وفي أي مكان. حتى بالنسبة لبعض الأدوات منخفضة التكلفة ، يمكن للطلاب استخدام الأدوات الافتراضية مسبقا للتدريب والممارسة ، مما قد يحسن كفاءة التدريس.

بالنظر إلى إمكانية الوصول إلى الأنظمة المستندة إلى الويب وتوافرها¹⁰ ، في هذا العمل ، نقدم نظام تجربة محاكاة افتراضية على شبكة الإنترنت يمكن أن يوفر مجموعة من التجارب المتعلقة بالعمليات الأساسية في الميكانيكا والمواد ، مع التركيز على تجربة الميكانيكا في الموقع .