تم افتتاح جسر Tacoma Narrows ، الملقب بـ “Galloping Gertie” بسبب ميله إلى الانحناء والمضايقات ، في 1 يوليو 1940. بعد ساعة من التواء ، انهار الجسر. أدى افتراض الهندسة المميتة إلى التخلص من الجسر.
في ذلك الوقت ، اعتقد العديد من المصممين أن الرياح لا يمكن أن تتسبب في تحرك الجسور لأعلى ولأسفل. قد يبدو الأمر في الواقع حقيقة واضحة الآن ، لكن هذا الافتراض غير الصحيح يكلف حوالي 65 مليون دولار أمريكي في دولارات اليوم وحياة الكلب.
سمحت الحركات الرأسية الصغيرة للجسر بالتحريف. بالقرب من النهاية ، كان الجسر ملتوية بطرق لم يتوقعها المصممون أبدًا. شدد هذا التواء على الجسر حتى انهار جسر تاكوما.
من خلال افتراض عدم وجود حركة رأسية من الرياح ، لم يدرس المهندسون كيف ترفرف أجزاء من الجسر في مهب الريح قبل أن يقوموا ببناء الجسر. هذه الرقابة في نهاية المطاف محكوم على الجسر.
يوضح هذا الفشل فكرة أن العديد من طلاب الهندسة يتعلمون أثناء الدورات الدراسية: جميع الحسابات الهندسية تعتمد على نماذج. يتطلب التصميم الآمن من المهندسين التعرف على الافتراضات في نماذجهم وضمان سلامة التصميم على الرغم من أي قيود.
أنا خبير في النمذجة الحسابية ، التي أدرسها في كلية أولين. في فصولي ، أتحدث عن النماذج وأعلم المهندسين استخدامها بأمان.
يعد تعلم استخدام النماذج بعناية أمرًا مهمًا: كما قال الإحصائي الشهير جورج بوكس ، “جميع النماذج خاطئة – بعضها مفيد”.
النماذج واستخدامها الهندسي
النماذج هي أطر عمل تفسيرية تساعد العلماء والمهندسين على ربط البيانات بالعالم الحقيقي. على سبيل المثال ، من المحتمل أن يكون لديك إحساس يومي لقوة الكائنات: إذا كنت تنحني قطعة من الخشب بقوة كافية ، فسوف تنكسر. يمكن للوحة أقوى أن تأخذ المزيد من القوة.
لدى المهندسين نماذج تجعل هذا المعنى اليومي أكثر دقة.
تعتمد القوة الهندسية على إطار تفسيري يرتبط بالقوى ، وحجم كائن ونسبةها – الذي يمثل الإجهاد الميكانيكي. ما يطلق عليه المهندسون “القوة” يتعلق بهذا الضغط المحسوب.
النظر في القوة يساعد المهندسين على اختيار مادة قوية بما يكفي لبناء جسر.
لكن جميع النماذج تترك تفاصيل من العالم الحقيقي. لحساب الإجهاد ، يحتاج المهندس إلى وصف شكل كائن. الكائنات الحقيقية معقدة ، لذلك يقوم المهندس بتبسيط شكله من أجل الحساب.
على سبيل المثال ، قد يأخذ المهندس حزمة معقدة من الأسلاك ويفترض أنها تعمل معًا كأسطوانة واحدة. قد يساعدهم هذا الشكل المبسط على اختيار عدد الأسلاك التي يجب تجميعها معًا وتعيين سمك الحزمة الكلي.
ومع ذلك ، فإن الافتراضات تقدم القيود: تفترض تبسيط الأسطوانة أن الأسلاك الفردية غير موجودة ، لذلك لا تساعد في تحديد كيفية نسج الأسلاك معًا. يمكن للمهندسين – القيام بنماذج أكثر تفصيلاً حيث يحتاجون إليها ، ولكن حتى تلك التي لديها افتراضات وقيود.
هذا التفاعل بين الافتراضات والقيود في قلب جميع النماذج. لم يفترض المهندسون الذين يعملون على جسر Tacoma Narrows أي حركة رأسية مدفوعة بالرياح ، مما أدى إلى قيود: لم يتمكنوا من التنبؤ بالرفرف الذي يحركه الرياح التي هزت الجسر.
نفس الفكرة تنطبق على المزيد من النماذج المجردة. تفترض بعض الشركات التي تصنع أنظمة التعرف على الوجه على أساس الذكاء الاصطناعي أنظمتها دقيقة ، بالنظر إلى أنها تقوم بعمل جيد في اختيار الوجه الصحيح من مجموعة من بيانات التدريب. ومع ذلك ، فقد أظهر الباحثون الخارجيون أن بعض مجموعات بيانات التدريب تقدم قيودًا.
افترض المهندسون الذين قاموا ببناء مجموعات بيانات التدريب هذه أن بياناتهم لديها وجوه كافية لتمثيل معظم الأشخاص ، لكن مجموعات البيانات هذه غير البيض ممثلة تمثيلا ناقصا. قاد هذا القيد الأنظمة إلى استهداف السود بشكل غير متناسب.
في السعي لتحسين أنظمة الذكاء الاصطناعي ، يفترض بعض الباحثين أن المزيد من بيانات التدريب هي الطريقة الأكثر فعالية. هذا النهج المكثف للبيانات له الحد من التأثير البيئي الهائل. الحوسبة مع مجموعات كبيرة من البيانات تستغرق الكثير من الطاقة ، لأن مراكز البيانات كثيفة الموارد.
تتمثل الحيلة في استخدام النماذج بأمان في اختيار الافتراضات التي لا تدمر فيها القيود استخدامها المقصود. المعيار الذهبي هو الاختبار. لكن الاختبار غير ممكن دائمًا. على سبيل المثال ، ليس بناء جسر اختبار ترف يمكن للمهندسين الهيكليين تحمله.
يتطلب اختيار وإنشاء نماذج مناسبة بعناية حكمًا جيدًا.
تدريس النمذجة
يتضمن الحكم الهندسي توازنًا دقيقًا في الثقة والشك تجاه الرياضيات – الأساس للعديد من النماذج الهندسية. من الصعب تطوير الحكم الهندسي ، وعادة ما يظهر من سنوات من الخبرة. أقوم بتدريس دورة النمذجة والمحاكاة التي تنطلق من الحكم الهندسي للطلاب.
أدعو أنا والطلاب المشاركين للطلاب لبناء نماذجهم الخاصة ، وهي تجربة غير مألوفة للغاية للطلاب الهندسيين. ثم يحدد الطلاب الافتراضات في نماذجهم ، ويذكرون حدودهم ، والأهم من ذلك ، تبرير كيفية عدم منعهم هذه القيود بأمان باستخدام النموذج.
يمكن أن تحدث فشل الهندسة مثل جسر Tacoma Narrows عندما لا يكون المهندسون على دراية بافتراضات وقيود النموذج. في حين أن الدورات التدريبية غالباً ما تعلّم المهندسين الشباب وضع افتراضات واستخدام النماذج ، فإنها نادراً ما تركز على قيود هذه النماذج. إن مساعدة الطلاب على تطوير حكمهم الهندسي يمكن أن تمنع حدوث “فصائل” من الحدوث مرة أخرى.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: زاكاري ديل روزاريو ، كلية أولين للهندسة
اقرأ المزيد:
يتلقى زاكاري ديل روزاريو تمويلًا من المعهد الوطني للعلوم والمعهد البحوث تويوتا.