الجسور هي طريقة عبور تشغل كل مهندس منذ العصور القديمة، ويرغبون أن تكون الطرق سريعة والسكك الحديدية مستقيمة ومستوية، ولكن المطبات وتذبذب الأرض تجعل هذا النوع من البناء تحديا مذهل، فكيف تسلك طريقا سريعا عبر واد أو تجعل سكة حديد تعبر خليج ؟ أبسط إجابة هي استخدام الجسور، ربما يبدو الأمر سهلا، ولكن ما نوع الجسور التي تستخدمها؟ ولماذا يوجد العديد من الأنواع المختلفة؟ وكيف تعمل الجسور جميعها؟ دعونا نلقي نظرة فاحصة ونعرف المزيد عن الجسور.

فكرة بناء الجسور :
في الحرب التي لا نهاية لها بين الناس ضد الطبيعة لن يكون هناك سوى فائز واحد ولكن لا يزال بإمكان البشر مواساة أنفسهم بإنتصارات عرضية، وهو ما تمثله أكبر الجسور في العالم، وسواء كنا نحتاج إلى عبور الأنهار أو الوديان، أو ربط الجزر بالبر الرئيسي، أو حمل السيارات، أو الأشخاص، أو الممرات المائية الإصطناعية فإن الجسور هي حل رائع كلما دخلت الطبيعة في طريقنا، ويفترض المؤرخون أن الناس اخترعوا الجسور عندما رأوا كيف يمكن للأشجار الساقطة أن تساعدهم في عبور الأنهار الضحلة، ومنذ ذلك الحين تطورت الجسور لفترة أطول، وأكثر تعقيدا من الناحية الفنية وأكثر إثارة للإعجاب، وتتطورت ببطء من الأقواس الحجرية البسيطة إلى الجسور المعلقة التي تمتد برشاقة بطول عدة أميال، مع هبوب رياح من الأعلى، وتجوبها الأنهار من الأسفل، تجتازها حركة المرور طوال اليوم، وإنها معجزة أن تبقى الجسور في وضع مستقيم.

كيف توازن الجسور القوى :

القوى تجعل الأشياء تتحرك، ولكنها لا تزال تحتجزها أيضا، إن الأمر بعيد عن الوضوح، ولكن عندما يكون هناك شيء مثل ناطحة سحاب تعلو فوقنا أو تمتد الجسور تحت أقدامنا، فإن القوى الخفية تكون صعبة في العمل، ولا تذهب الجسور إلى أي مكان لأن جميع القوى التي تعمل عليها متوازنة تماما، وبإختصار، فإن مصممي الجسور هم موازنون للقوة.

القوى الأكبر والأكثر انتشارا في الكون الجاذبية وهي التي تجذب الأشياء بإستمرار، والتي لا تمثل مشكلة لناطحة سحاب، لأن الأرض تحتها تدعمها مباشرة، ولكن الجسور الممتدة على النهر أو الوادي أو البحر أو الطريق مختلفة تماما، فالسطح الضخم (المنصة الأفقية الرئيسية للجسور) ليس لها دعم أسفلها مباشرة، وكلما طالت الجسور كلما زاد وزنها، وزاد حملها، وزاد خطر انهيارها، ومن المؤكد أن الجسور يمكن أن تسقط من وقت لآخر، وبشكل مذهل للغاية، ولكن معظمها يقف بسعادة لسنوات أو عقود أو حتى قرون، ويفعلون ذلك عن طريق الموازنة بعناية بين نوعين رئيسيين من القوى تسمى الضغط (قوة دفع تعمل إلى الداخل) والشد (قوة سحب أو تمدد تعمل إلى الخارج)، وتوجيه الحمل (الوزن الكلي للجسور والأشياء التي تحملها) على الدعامات (الدعامات على كلا الجانبين) والأرصفة (دعامة واحدة أو أكثر في المنتصف)، وعلى الرغم من وجود أنواع عديدة من الجسور، إلا أنها تعمل جميعها تقريبا من خلال موازنة قوى الضغط في بعض الأماكن مع قوى الشد في مكان آخر، لذلك لا توجد قوة شاملة لإحداث الحركة وإحداث الضرر.

الأحمال على الجسور :
إذا تم تفريغ الجسور، فكل ما عليها فعله هو دعم وزنها (الحمل الميت)، لذا فإن الشد والضغط في هيكلها عبارة عن قوى ثابتة في الأساس (تلك التي لا تسبب الحركة)، ولا تتغير إلا قليلا من ساعة إلى أخرى، وساعة إلى يوم آخر، ومع ذلك، يجب أن تحمل الجسور بحكم تعريفها كميات متغيرة من الوزن (الحمل المباشر) من أشياء مثل قطارات السكك الحديدية أو السيارات أو الأشخاص، والتي يمكن أن تزيد من قوة الشد العادية أو قوى الضغط بشكل كبير، على سبيل المثال، تنحني جسور السكك الحديدية وتثني في كل مرة يمر عليها قطار ثقيل ثم تسترخي مرة أخرى بمجرد مرور الحمل.

الجسور والقوى البيئية :
كما يتعين على الجسور أن تتحمل قوى بيئية متغيرة بإستمرار، على سبيل المثال، يجب أن تتكيف الجسور المقوسة فوق الأنهار مع دعم المياه خلفها (غالبا ما تحتوي دعاماتها على فتحات ذات وضع استراتيجي للسماح بمرور مياه الفيضانات المرتفعة)، وتميل الجسور المعلقة التي تحمل السيارات إلى تحمل نفس الأحمال طوال اليوم، على الرغم من أنها غالبا ما تقع في مصبات الأنهار العاصفة، ويجب عليها أيضا تحمل الرياح الهائجة، والتي يمكن أن تشكل قوة التواء في سطح الجسور (تعالج الجسور المعلقة الحديثة هذه المشكلة من خلال امتلاك أسطح بمقاطع عرضية مصممة ديناميكيا هوائيا، وتم اختبارها في أنفاق الرياح، ويمكن تعزيزها بدعامات أسفلها).

الجسور عبر التاريخ :

يجد الناس الجسور ساحرة ومحيرة في نفس الوقت، ولماذا يوجد العديد من الأنواع المختلفة؟ وكيف يختار المهندسون نوعا على الآخر؟ ولماذا يميل الناس لبناء أنواع مختلفة من الجسور في فترات مختلفة من التاريخ؟ هناك إجابات سهلة لكل هذه الأسئلة، والأسئلة المعقدة أيضا.

أحد الإجابات البسيطة هو أنه على مدى آلاف السنين من الحضارة البشرية طور المهندسون تدريجيا تصميمات جسر أكثر تعقيدا يمكن أن تمتد لمسافات أكبر من أي وقت مضى، ويمكن لأقدم أنواع الجسور والعوارض والأقواس أن تمتد حتى الآن فقط قبل أن تنهار تحت ثقلها، ويمكن أن تصل الإصدارات الأكثر تعقيدا من هذه التصاميم (الجمالون والعوارض الصندوقية وجسور الكابولي) إلى أبعد من ذلك ويمكن أن تستمر الجسور المعلقة والكابلات إلى أبعد من ذلك، وهذا التطور التدريجي وتمديد الجسور أصبح ممكنا جزئيا من خلال فهم أعمق للهندسة، ولكن أيضا من خلال تطوير مواد أقوى بكثير، وكانت الجسور المقوسة شائعة في العصور الوسطى.

على سبيل المثال، لأنها كانت سريعة وسهلة البناء من مواد من مصادر محلية واستمرت لفترة طويلة مع القليل من الصيانة أو بدونها، وعندما تم بناء أيرونبريدج، أول جسر من الحديد الزهر (المقوس) في العالم، في كولبروكديل في شروبشاير، إنجلترا، في عام 1779 أحدث ثورة في بناء الجسور، وخلال القرن التاسع عشر تم بناء مئات الجسور الأخرى من الحديد والفولاذ اللاحق، بما في ذلك جسر بروكلين 1883 الشهير في مدينة نيويورك، بإمتداد 486 م (1595 قدما)، وتعتمد الجسور المعلقة والكابلات على تلك الأكثر موثوقية من المواد الحديثة والخرسانة المسلحة والفولاذ، وتستخدم بعض أحدث الجسور بشكل طبيعي أحدث المواد المركبة.

بعض أنواع الجسور :
في حين أنه من السهل مناقشة الجسور بهذه الطريقة النظرية المجردة إلى حد ما، إلا أنه من المثير للإهتمام أن ننظر إلى بعض التفاصيل من خلال فحص كل نوع رئيسي من الجسور بدورها.

الجسور العارضة :

الجسور العاضة هو أبسط أنواع الجسور (وأرخصها في الغالب)، وتمتد هذه الجسور على مسافة قصيرة نسبيا، تحملها زوج من الدعامات (الدعامات العمودية في كلا الطرفين)، قف على لوح خشبي ممتد بين كرسيين (الدعامات) وستجعله مرنا لأسفل في المنتصف، ولذا فهو أطول قليلا في الأسفل وأقصر قليلا في الأعلى، ويخبرنا ذلك أن الجزء السفلي من جسر الشعاع في حالة الشد (يتم سحبه لفترة أطول مما هو معتاد)، بينما يكون الجزء العلوي في حالة ضغط.

وينتقل الحمل على جسر مثل هذا من خلال العوارض إلى الدعامات عند كلا الطرفين، والتي يتم ضغطها أيضا (الضغط عليها لأسفل)، وكلما طالت العوارض، زادت احتمالية الإنحناء في المنتصف، ولهذا السبب عادة ما تكون الجسور العارضة الأساسية قصيرة جدا، ويمكن أن تكون الجسور الحديثة أطول بكثير، إذا تم بناؤها بإستخدام عوارض صندوقية (صناديق مجوفة ضخمة مصنوعة من أقسام متكررة من عوارض فولاذية أو خرسانة مسلحة) أو مدعومة بدعامات (تعزيزات قطرية) إما على الجانب أو تحتها.

الجسور القوسية :

الجسور القوسية هي الأنواع الوحيدة من الجسور المدعومة بالكامل بقوى الضغط، ويوجد بعض الشد أسفل القوس، ولكنها غالبا ما تكون ضئيلة ما لم يكن القوس كبيرا وضحلا، وهذا أمر منطقي إذا فكرت في الأمر، لأن القوس العريض بلا حدود سيكون مجرد عارض أفقي، مع جانبه السفلي في الشد، ويدفع سطح الجسر الذي يرتكز على قوس إلى أسفل منحنى الأحجار (أو المكونات المعدنية) تحته، ويسحقها معا بإحكام ويجعلها أقوى بشكل فعال.

وينتقل الحمل على الجسور القوسية عبر الحجر المركزي (يسمى حجر الزاوية)، حول منحنى الأحجار الأخرى وإلى الدعامات حيث تدفع الأرض الصلبة على كلا الجانبين إلى الأعلى وإلى الداخل، والجسور القوسية مثل الجسور العارضة بسيطة نسبيا ورخيصة البناء، ولا تحتاج إلى سد طريق أو نهر بأرصفة مركزية، ويمكن أن تتجاوز بسهولة امتداد الجسور العرضية الأساسية على الرغم من أن عيبها الكبير هو أنها تحتاج إلى دعامات كبيرة، لذا فهي ليست دائما طريقة فعالة لسد شيء مثل الطريق السريع إذا كان هناك حاجة إلى الكثير من الخلوص تحته، وغالبا ما تكون الجسور والقنوات (الجسور الحاملة للماء) اختلافات في الجسور القوسية، مع أقواس متعددة جنبا إلى جنب، وتشمل أمثلة الجسور المقوسة جسر موستار في البوسنة والهرسك وجسر تشارلز في براغ.

جسور جملوني :

تتمثل إحدى طرق توسيع مدى الجسور العارضة الأساسية في تعزيزه وقد وجد المهندسون أن أفضل طريقة للقيام بذلك هي من خلال نظام من الأقطار المثلثة المائلة على الجانبين، والتي تسمى الدعامات، وهناك طرق عديدة لترتيب دعامات لدعم الجسور، وإعطاء مجموعة متنوعة من أنماط شعرية معقدة وجذابة في كثير من الأحيان، ودعامات عدسية (منحنية)، تستخدم في جسر ألبرت الملكي في الصورة العلوية مثال على ذلك، ويبدو جسر الجمالون النموذجي مثل صندوق مجوف مع جوانب وسقف رأسي مفتوح أو مغلق، والجوانب مدعمة بدعامات قطرية وتستند القاعدة على العوارض.

الجسور المعلقة :

إذا كنت بحاجة إلى جسر يمتد إلى أبعد من ذلك، فإن الجسور المعلقة هو خيارك الوحيد حقا، ويكمن عبقرية الجسور المعلقة في استخدام أرصفة طويلة جدا مع كبلات رئيسية ضخمة مقوسة معلقة بينهما، وتتدلى العشرات من كابلات التعليق العمودية الأقل سمكا من الكابلات الرئيسية وتدعم الوزن الهائل للسطح والأحمال التي تحملها (وعلى الرغم من أن الناس يلاحظون دائما الكابلات في الجسور المعلقة، إلا أنها غالبا ما يفشلون في تحديد العوارض والجمالونات التي تعزز السطح السفلي، وهذه نقطة دقيقة ومهمة للغاية معظم الجسور هي في الواقع مركبات تتكون من نوعين أو أكثر من أنواع الجسور الأساسية) تستخدم جميع الجسور الكبرى أسلوب التعليق، والجسر المعلق الأطول في العالم هو أكاشي كايكيو في اليابان ، بطول 3.9 كم (2.4 ميل)، وتشمل الجسور المعلقة الشهيرة جسر هامبر وجسر كليفتون المعلق في إنجلترا وجسر جولدن جيت في كاليفورنيا وجسر بروكلين في مانهاتن في مدينة نيويورك.

الجسور العائمة :

من الواضح أن القوارب تطفو على الماء، لذلك إذا كنت بحاجة إلى بناء جسر مؤقت في عجلة من أمرك، فإن تحريك سطح السفينة على سلسلة من القوارب هو أحد الحلول الممكنة، وتسمى الجسور العائمة، وتستخدم على نطاق واسع من قبل الجيش لعبور الأنهار (مثل عندما تم تفجير الجسور القائمة لأسباب استراتيجية)، وتحتوي الجيوش المنظمة جيدا على أجزاء مسبقة من الجسور العائمة يمكنها أن تطفو في مكانها وتربطها معا، أينما ومتى احتاجت لذلك، والمشاكل الرئيسية مع الجسور العائمة هي عدم الاستقرار الأساسي والأحمال الخفيفة نسبيا التي يمكن أن تحملها، ونظرا لأن السطح يطفو قريبا جدا من خط الماء، فإن الجسور العائمة تمنع القوارب تلقائيا من استخدام نهر، على الرغم من أنه من الممكن عادة فصل قسم أو قسمين من الوسط وتعويمه جانبا للسماح لحركة النهر بالمرور.