تمثيل كهربي - ميكانيكي

التمثيل الكهربي - الميكانيكي هو تمثيل الأنظمة الميكانيكية على شكل دوائر كهربية. في البداية تم ابتكار التمثيل الكهربي - الميكانيكي ليساعد على تفسير حدوث ظواهر شبيهة بالظواهر الكهربية في الأجزاء الميكانيكية. حيث قدم جيمس كليرك ماكسويل تمثيلًا من هذا النوع في القرن 19، ومع تطور علم الدوائر الكهربية؛ وُجِدَ أن بعض المسائل الميكانيكية يمكن حلها بسهولة من خلال التمثيل الكهربي، وكانت التطورات النظرية في المجال الكهربائي مفيدة بشكل خاص في تمثيل الشبكات الكهربية (رسم الدوائر الكهربية) باستخدام نموذج العناصر المجمع والقدرة على تحليل الدوائر الكهربية، مما ساعد على سهولة حل المسائل الكهربية، وتحويل المسائل الميكانيكية إلى مسائل كهربية.
هذا الأسلوب مفيد بشكل خاص في تصميم المرشحات الميكانيكية؛ لأنها تستخدم أجهزة ميكانيكية لتنفيذ وظيفة كهربية؛ بيد أن هذا الأسلوب يمكن استخدامه لحل المسائل الميكانيكية البحتة، ويمكن أيضًا استخدامها في مجالات الطاقة وغيرها. ويعتبر التحليل بالتمثيل الكهربي أداة تصميم أساسية خاصة عند تحليل أكثر من مجال طاقة في نفس الوقت؛ حيث يمتلك هذا الأسلوب ميزة رئيسة وهي أنه يمكن تمثيل النظام بأكمله بنفس الوحدة ونفس الطريقة. يُستخدَم التمثيل الكهربي بشكل خاص من قبل مصممي محولات الطاقة بحكم طبيعة المحولات أنها تتعامل مع مجالات طاقة مختلفة، وفي أنظمة التحكم حيث تقوم المستشعرات والمشغلات بالتحويل بين مجالات الطاقة المختلفة.
طُوِّرَ التمثيل الكهربي الميكانيكي عن طريق إيجاد علاقات بين المتغيرات في المجال الميكانيكي التي لها صيغة رياضية متطابقة مع المتغيرات في المجال الكهربي، لذلك يوجد عدة تمثيلات ممكنة وليس تمثيل واحد فقط، لكن هناك تمثيلان هما الأكثر شيوعًا: تمثيل المعاوقة، وتمثيل القبولية. تمثيل المعاوقة يتم فيه تمثيل القوة الميكانيكية بالجهد الكهربي، بينما تمثيل القبولية يمثل القوة بالتيار الكهربي، بالطبع لا يكفي تمثيل متغير واحد بل يجب تمثيل باقي المتغيرات، الاختيار الشائع هو اختيار متغيرات القدرة المترافقة، والتي يكون ناتج حاصل ضربها بوحدة القدرة، فمثلًا في تمثيل المعاوقة؛ يتم تمثيل القوة والسرعة بالجهد والتيار، وكلاهما يعطي حاصل ضربهما القدرة (سواء كانت كهربية أوميكانيكية).
تختلف التمثيلات المستخدمة في الأنظمة الميكانيكية ذات الحركة الدورانية مثل المحركات الكهربائية، فبدلًا من القوة؛ يتم تمثيل عزم الدوران بالجهد الكهربي، كما تختلف التمثيلات في أنظمة الميكانيكا الصوتية وميكانيكا الموائع، مثل تمثيل الضغط بالجهد الكهربي.

التطبيقات

يستخدم التمثيل الكهربي الميكانيكي لتمثيل وظيفة نظام ميكانيكي بنظام كهربي مماثل عن طريق رسم المتغيرات المتماثلة بينهما. النظام الميكانيكي في حد ذاته يمكن تمثيله بالمتغيرات الميكانيكية، ولكن يُفضَّل بالطبع التمثيل الكهربي الميكانيكي خاصةً في الأنظمة الكهروميكانيكية؛ حيث الأجزاء الميكانيكية والكهربائية مُدمَجة في نظام واحد، كما أن هذا التمثيل مفيد في دراسة وتحليل المرشحات الميكانيكية. حيث أنها مصممة لتنفيذ وظيفة كهربية من خلال محولات الطاقة. إن التطور الحادث في مجال نظريات الدوائر الكهربية يمكن استخدامه في التصميم الميكانيكي.من خلال التمثيل الكهربي الميكانيكي.
كما أن التمثيل الكهربي الميكانيكي مفيد بشكل عام في مجال محولات الطاقة بين مختلف مجالات الطاقة. يستخدم أيضًا في تمثيل الأجزاء الميكانيكية في الأنظمة الصوتية مثل المخزن المغناطيسي والفونوغراف، حيث كان هذا الأمر له بعض الأهمية في بداية ظهور الفونغراف حيث ينتقل الصوت من المخزن المغناطيسي إلى البوق من خلال مكونات ميكانيكية مختلفة بدون مضخمات كهربية، كانت الفونغرافات الأوائل تعاني بشدة من الرنين غير المرغوب في الأجزاء الميكانيكية، وقد وُجِدَ أن هذا الخلل يمكن القضاء عليه من خلال معالجة الأجزاء الميكانيكية مثل مرشح الترددات المنخفضة.
يمكن استخدام التمثيل الكهربي للأنظمة الميكانيكية كوسيلة تعليمية مساعدة، للمساعدة في فهم سلوك الأنظمة الميكانيكية، بينما كان العكس هو المستخدم في أوائل القرن 20، حيث كانت التمثيلات الميكانيكية مفهومة أكثر من الظواهر الكهربية.

تكوين التمثيل

توصف الأنظمة الكهربية عن طريق مخططات رسم الدوائر الكهربية، هذه المخططات لا تحاول تمثيل المكونات الكهربائية بأبعادها الحقيقية أو بمكانها الفعلي بالنسبة إلى بعضها البعض، وذلك لأن المكونات الكهربية يتم تمثيلها على شكل عناصر مثالية، يتم التعامل مع هذه العناصر على أنها تحتل نقطة واحدة في الدائرة، أما المكونات غير المثالية فيتم تمثيلها باستخدام أكثر من عنصر مثالي، فعلى سبيل المثال؛ يُمثَّل الملف على أنه يحتوي على محث ومقاومة، فنقوم بتمثيل الملف عبارة عن مقاومة مرسومة على التوالي مع محث. لذلك فإن أول خطوة في تكوين التمثيل الميكانيكي هي وصفه بمخطط شبيه بمخططات رسم الدوائر الكهربية، عن طريق تمثيل النظام الميكانيكي على شكل عناصر مثالية.
في مخططات رسم الدوائر الكهربية التي تقتصر على الأنظمة الخطية؛ هناك ثلاثة مكونات إلكترونية سلبية هي: المقاومة، والحث (الملف)، والسعة (المكثف)، واثنين من العناصر النشطة: مصدر الجهد الكهربي، مصدر التيار الكهربي. لبناء مخططات الرسم الميكانيكية نستخدم هذه العناصر كنظائر للمكونات الميكانيكية، فيتم إيجاد علاقات بين المتغيرات في المجال الميكانيكي التي لها صيغة رياضية متطابقة مع المتغيرات في المجال الكهربي، لذلك يوجد عدة اختيارات ممكنة، الاختيار الشائع هو اختيار متغيرات القدرة المترافقة (الموضح أدناه) واختيار المتغيرات الهاملتونية المشتق من الأول.

اختيار متغيرات القدرة المترافقة

متغيرات القدرة المترافقة هي زوج من المتغيرات يكون حاصل ضربها يساوي القدرة، في المجال الكهربائي متغيرات القدرة المترافقة هي دائمًا الجهد (v) والتيار (i)، وبالتالي يتم تمثيلها بمتغيرات القدرة المترافقة في المجال الميكانيكي، فمثلا الاختيار المعتاد في نظم الميكانيكا الانتقالية هو القوة (F) والسرعة (u)؛ ولكنه ليس الاختيار الوحيد، كما تختلف زوج المتغيرات حسب اختلاف النظام الميكانيكي كنظم الميكانيكا الدورانية أو الميكانيكا الصوتية.
هناك طريقتان لاختيار متغيرات القدرة المترافقة، فعلى سبيل المثال يمكن تمثيل القوة F بالجهد v والسرعة u بالتيار i، ويمكن أيضًا استخدام التمثيل البديل وهو تمثيل السرعة u بالحهد v والقوة F بالتيار i، وهذان هما طريقتا التمثيل: تمثيل المعاوقة، وتمثيل القبولية. فيمكن تمثيل نفس النظام الميكانيكي بدائرتين كهربائيتين مختلفتين، بحيث نجد أن كلا الدائرتين الكهربائيتين بينهما ازدواج، حيث تكون كلا منهما تعتبر الدائرة الثنائية أو المُزدَوجة بالنسبة للدائرة الأخرى.

أنواع التمثيلات

هناك طريقتان للتمثيل هما الأكثر استخدامًا: تمثيل المعاوقة (ويُسمى أيضًا تمثيل ماكسويل) والذي يحافظ على التناظر بين المجال الميكانيكي والكهربي؛ ولكنه لا يحافظ على الطبولوجيا أو البنية المادية بين الدائرتين، وتمثيل القبولية (ويُسمى أيضًا تمثيل فايرستون) والذي يحافظ على الطبولوجيا على حساب فقدان التناظر بين مجالات الطاقة المختلفة، وهناك طريقة تمثيل ثالثة وهي "تمثيل عبر وخلال" (ويُسمى أيضًا تمثيل ترينت). فتمثيل عبر وخلال يكون شبيهًا بتمثيل المعاوقة عند التحويل بين المجالين الكهربي والميكانيكي، ويكون شبيهًا بتمثيل القبولية عند التحويل بين المجال الكهربي ومجال الميكانيكا الصوتية خاصة "ميكانيكا الموائع"، حيث تكون العلاقة بين المجال الكهربي ومجال الميكانيكا الصوتية في "تمثيل عبر وخلال" بينهما علاقة ازدواج.
تختلف المتغيرات الأساسية حسب النظام الميكانيكي: انتقالي أو دوراني، فعلى سبيل المثال المسافة الخطية هي متغير الإزاحة في الميكانيكا الانتقالية، ولكن في المكيانيكا الدورانية يتم استبدال الإزاحة بالزاوية، وكذلك الحال في الميكانيكا الصوتية وميكانيكا الموائع، حيث يتم التعامل معها كنظام طاقة مختلف له متغيراته الأساسية الخاصة به ذات الطابع الميكانيكي، ويستخدم التمثيل بين الأنظمة الثلاثة: الكهربية والميكانيكية والميكانيكا الصوتية لتمثيل أنظمة الصوت الكهروميكانيكية.

تمثيل المعاوقة

في تمثيل المعاوقة أو تمثيل ماكسويل؛ يتم تصنيف متغيري القدرة المترافقة إلى متغير جهد ومتغير تدفق، حيث أن متغير الجهد في مجال طاقة معين هو المتغير المماثل للقوة في المجال الميكانيكي، ومتغير التدفق هو المتغير المماثل للسرعة في المجال الميكانيكي، حيث يتم اختيار المتغيرات المماثلة للقوة والسرعة في مجال الطاقة المقابل.
أما في المجال الكهربائي؛ فإن متغير الجهد هو الجهد الكهربي، ومتغير التدفق هو التيار الكهربائي، والنسبة بين الجهد والتيار هي المقاومة الكهربائية (قانون أوم). وكذلك النسبة بين متغير الجهد ومتغير التدفق في أي مجال طاقة يمكن وصفها بأنها مقاومة، أما إذا كان هناك اختلاف في الطور بين الجهد والتيار تُسمى النسبة بينهما بالمعاوقة الكهربائية، فيمكن وصف المعاوقة بأنها الحالة العامة للمقاومة، حيث يرتبط مفهوم المقاومة بتبديد الطاقة؛ بينما يرتبط مفهوم المعاوقة بتخزين الطاقة وتبديدها أيضًا، إذَا فإن النسبة بين متغير الجهد ومتغير التدفق في أي مجال طاقة يمكن وصفها بأنها معاوقة (ولكنها تُقاس بوحدات مختلفة)، ومن هنا جاءت تسمية تمثيل المعاوقة.

تمثيل القبولية

يعتبر تمثيل القبولية أو تمثيل فايرستون المقلوب الكهربائي لتمثيل المعاوقة، حيث يُمثَّل متغير الجهد في المجال الميكانيكي بالتيار الكهربائي (متغير التدفق في المجال الكهربائي)، ويُمثل متغير التدفق في المجال الميكانيكي بالجهد الكهربائي (متغير الجهد في المجال الكهربائي)، لذلك فإن الدائرة الكهربائية الناتجة عن تمثيل القبولية تعتبر مقلوب الدائرة الناتجة عن تمثيل المعاوقة.
يوصف تمثيل القبولية بالقبولية الكهربية مثلما يوصف تمثيل المعاوقة بالمعاوقة الكهربية، حيث أن القبولية هي المقلوب الجبري للمعاوقة، ومن هنا جاءت تسمية تمثيل القبولية.

تمثيل عبر وخلال

يُصنف "تمثيل عبر وخلال" أو "تمثيل ترينت" متغيري القدرة المترافقة إلى "متغير عبر" و"متغير خلال"، يظهر "متغير عبر" عبر طرفي العنصر، ويقاس بدلالة طرفي العنصر، أما "متغير خلال" يمر أو يتحرك خلال العنصر، ولديه نفس القيمة عند طرفي العنصر، فمثلا في المجال الكهربائي متغير عبر هو الجهد، ومتغير خلال هو التيار، وفي المجال الميكانيكي السرعة هي متغير عبر، والقوة هي متغير خلال، لذلك فإنه يتم تمثيل متغيرات المجال الميكانيكي (القوة والسرعة) كما في تمثيل القبولية.

محولات الطاقة

محول الطاقة هو جهاز يدخل إليه كمية من مجال طاقة معين ليحولها إلى مجال طاقة آخر، لمحولات الطاقة استخدامات عديدة وأنواع كثيرة، ففي مجال الأنظمة الكهروميكانيكية تتكون من المستشعرات والمشغلات، وفي مجال الإلكترونيات الصوتية تُستخدم لتحويل الطاقة الكهربية إلى صوتية، تعتبر المحولات حلقة الوصل بين المجالات الكهربية والميكانيكية، لذلك نحتاج التمثيل الكهربي الميكانيكي لتطوير المحولات.
محولات الطاقة لها منفذين (على الأقل)، منفذ خاص بالمجال الميكانيكي، وآخر خاص بالمجال الكهربي، لذلك فيتم تمثيله على شكل شبكة كهربية ذات منفذين (two-port)، وهذا على عكس ما تم مناقشته أعلاه؛ حيث كانت جميع العناصر تتكون من منفذ واحد، يمكن تمثيل الشبكة الكهربية ذات منفذين بمصفوفة 2×2 (أو ما يكافؤها) تتكون من اثنين من مصادر التابعة (سواء كانت مصادر الجهد أو التيار) واثنين من المعاوقات (أو المسامحات).

التاريخ

يرجع الفضل إلى جيمس كليرك ماكسويل في تطوير نظرية التمثيلات الكهربية الميكانيكية، حيث كان أول قام بربط القوة الميكانيكية بالجهد الكهربي عام 1873 وبالتالي فيرجع له الفضل في تأسيس تمثيل المعاوقة،
 وهو أول التمثيلات الكهربية الميكانيكية. وبالرغم من أن مصطلح المعاوقة لم يتم صياغته إلا في سنة 1886، أي بعد وفاة ماكسويل؛ حيث صاغه أوليفر هيفسايد، ثم تم صياغة مصطلح المعاوقة المركَّبة من قبل آرثر كينيلي في عام 1893، ثم تم صياغة مفهوم المعاوقة الميكانيكية في عام 1920 من قبل كينيلي وآرثر غوردون ويبستر.
لم يكن غرض ماكسويل تمثيل الأنظمة الميكانيكية بالأنظمة الكهربائية، ولكن كان هدفه فهم وشرح الظواهر الكهربية بطريقة أقرب للعقل عن طريق تشبيهها بالأنظمة الميكانيكية، وبعد أن أصبحت الظواهر الكهربية مفهومة بشكل أفضل؛ حدث العكس، فأصبحت التمثيلات الكهربية تستخدم لوصف الأنظمة الميكانيكية، وأصبح ذلك الأكثر شيوعًا، ثم وُجِد أن تمثيل الكهربي الميكانيكي يمكنه حل العديد من المشاكل في المجال الميكانيكي ومجالات الطاقة الأخرى، وفي عام 1900 أصبحت التمثيلات الكهربية الميكانيكية مألوفة. وفي عام 1920 تقريبًا أصبح التمثيل الكهربي أداة تحليل أساسية، وقام فانيفار بوش بتطوير نموذج الحاسوب التماثلي وعرضت هذه الطريقة في ورقة بحثية لكليفورد نيكل عام 1925.
في عام 1933، قام فلويد فايرستون باقتراح تمثيل جديد وهو تمثيل القبولية، والذي قام فيه بتمثيل القوة الميكانيكية بالتيار الكهربي بدلا من الجهد الكهربي، كما قد فايرستون مفهوم "متغيرات عبر وخلال" في نفس الوقة البحثية، وعرض فكرة توسيع التمثيل ليشمل مجالات الطاقة الأخرى، وفي عام 1955، قدم هوراس ترينت ما يُعرف بـ "تمثيل عبر وخلال".