انتشار الموجة والسلوك الحراري في وسائط مسامية نيو-محلية ترموإلاستيك تحت مصادر حرارة متحركة بنموذجي تأخر ثلاثي المراحل وجرين–ناغدي

الحرارة قيد الحركة

تعتمد تقنيات حديثة مثل القطع بالليزر، والطباعة ثلاثية الأبعاد للمعدن، والحماية الحرارية في المركبات الفضائية على كيفية استجابة المواد الصلبة عندما يمر فوقها مصدر حرارة مكثف وسريع الحركة. العديد من هذه المواد مليئة بمسام دقيقة تجعلها أخف وزناً وأكثر مقاومة للحرارة، لكنها أيضاً تجعل التنبؤ بسلوكها أكثر تعقيداً. تستكشف هذه الورقة كيف تنتقل موجات الحرارة والتشوه عبر مثل هذه المواد المسامية عندما يجتاح مصدر حرارة مركّز السطح، مقدمة إرشادات لتصميم مكونات عالية الحرارة أكثر أماناً وكفاءة.

ما الذي يميز هذه المواد

يركز المؤلفون على صلب مسامي وحراري-مرن، أي أنه يمكن أن ينحرف عند التسخين ثم يعود إلى حالته الأصلية. يُعامل الصلب كنصف فضاء يمتد عميقاً تحت السطح، مع مصدر حرارة داخلي متحرك يمثل، على سبيل المثال، بقعة ليزر تنزلق على القمة. وبما أن المادة مليئة بالفراغات الدقيقة، فإن سلوكها يعتمد ليس فقط على درجة الحرارة والإجهاد، بل أيضاً على كيفية تغير حجم الفراغ مع العمق. كما تسمح الدراسة بتأثيرات غير محلية، حيث يشعر كل نقطة في الصلب بتأثير جيرانها عبر مسافة صغيرة، وهي فكرة تصبح مهمة في الهياكل الميكروية والنانوية.

طريقتان لوصف الحرارة والموجات

لوصف كيف ينتشر الحرارة وكيف تسافر موجات التشوه، يقارن الباحثون بين نموذجين متقدمين للتوصيل الحراري. الأول يُسمى نموذج تأخر ثلاثي المراحل، الذي يسمح بوجود تأخيرات بين تغيّرات درجة الحرارة وتدفق الحرارة والطريقة التي ينحرف بها المادة تحت التحميل الحراري. والآخر معروف بنظرية جرين–ناغدي من النوع الثالث، التي تعامل نقل الحرارة كظاهرة شبيهة بالموجة بدلاً من كعملية تمليس فوري للحرارة. باستخدام مقاربة رياضية تعرف بتحليل الوضع الطبيعي، يحصل الفريق على تعابير دقيقة لدرجة الحرارة والإزاحة والإجهاد وتغير حجم المسام كدوال للعمق والزمان.

دور المدى الطويل والحرارة المتحركة

تكشف النتائج العددية كيف تشكل التفاعلات غير المحلية ومصدر الحرارة المتحرك استجابة الصلب المسامي. عندما تكون التأثيرات غير المحلية قوية، تقل سعات موجات الإزاحة والإجهاد، وتُملس القمم الحادة. هذا يشير إلى أن التفاعلات بعيدة المدى تساعد على توزيع الأحمال بشكل أكثر توازناً، مما يحسن الاستقرار الميكانيكي. في الوقت نفسه، يتحكم الهيكل المسامي بشكل رئيسي بكيفية تغير درجة الحرارة وحجم المسام مع العمق، مما يؤدي إلى أنماط تذبذبيّة لكنها أكثر انتظاماً عند تضمين عدم المحلية. يقوم مصدر الحرارة المتحرك كذلك بإعادة توزيع الحرارة، مخفّضاً الإزاحات قرب السطح ومغيّراً كيفية تركّز الإجهادات.

مقارنة نماذج التأخر الحراري

بتطبيق كل من وصف تأخر ثلاثي المراحل ونظرية جرين–ناغدي من النوع الثالث على نفس المشكلة، يبرز المؤلفون اختلافات واضحة في السلوك المتوقع. يميل نموذج تأخر ثلاثي المراحل إلى إعطاء استجابة أكثر تخميداً بقوة، مع تأخيرات ملحوظة في الموجات الحرارية والميكانيكية بالقرب من الحد الحراري. في المقابل، تعطي نظرية جرين–ناغدي من النوع الثالث أشكال موجية ومستويات إجهاد مختلفة، مما يعكس وجهة نظرها المتميزة حول كيفية انتشار الحرارة. في جميع الحالات، تقل الحركة النسبية لمصدر الحرارة من مقادير معظم المتغيرات الفيزيائية وتغيّر كيفية تطور الإجهادات القصية والطبيعية مع العمق.

لماذا تهم هذه النتائج

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن الطبيعة المسامية للمادة والتأثيرات البعيدة المدى الطفيفة يمكن أن تؤثر بشدة على كيفية تسخنها وتشوهها تحت حمل حراري متحرك. من خلال مقارنة وصفين رياضيين رائدين للتوصيل الحراري، يوضح العمل متى قد يكون كل نهج أكثر ملاءمة وكيف يغيّران التنبؤ بدرجة الحرارة والإجهاد وسلوك المسام. يمكن أن تساعد هذه الرؤى المهندسين على تصميم مواد أخف وأكثر موثوقية لمعالجة الليزر والتصنيع الإضافي وأنظمة الحواجز الحرارية، حيث يكون التحكم في التشوه الناجم عن الحرارة مفتاح الأداء والسلامة.

الاستشهاد: Othman, M.I.A., Said, S.M. & Gamal, E.M. Wave propagation and thermal behavior in nonlocal thermoelastic porous media under moving heat sources with three-phase-lag and Green–Naghdi models. Sci Rep 16, 15269 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50607-x

الكلمات المفتاحية: الترموإلاستيكية المسامية, مصدر حرارة متحرك, المرونة غير المحلية, انتشار الموجة الحرارية, نموذج تأخر ثلاثي المراحل