مقدار
الحجم هو مقياس للمناطق في الفضاء ثلاثي الأبعاد . [ 1 ] غالبًا ما يُقاس الحجم عدديًا باستخدام وحدات مشتقة من النظام الدولي للوحدات (مثل المتر المكعب واللتر ) أو باستخدام وحدات القياس الإمبراطورية أو الأمريكية ( مثل الجالون والكوارت والبوصة المكعبة ) . يرتبط تعريف الطول والارتفاع (مكعبًا) بالحجم. يُفهم حجم الوعاء عمومًا على أنه سعته؛ أي كمية السائل (غاز أو سائل) التي يمكن أن يحتويها، وليس مقدار الفراغ الذي يشغله الوعاء نفسه. مجازيًا ، يُستخدم مصطلح "الحجم" أحيانًا للإشارة إلى المنطقة المقابلة (مثل الحجم المحيط ). [ 2 ] [ 3 ]
في العصور القديمة، كان يُقاس الحجم باستخدام أوعية طبيعية متشابهة الشكل. لاحقًا، استُخدمت أوعية معيارية. يمكن حساب حجم بعض الأشكال ثلاثية الأبعاد البسيطة بسهولة باستخدام الصيغ الحسابية . أما أحجام الأشكال الأكثر تعقيدًا، فيمكن حسابها باستخدام حساب التكامل إذا وُجدت صيغة لحدود الشكل. الأجسام ذات الأبعاد الصفرية والأحادية والثنائية ليس لها حجم؛ أما في الأبعاد الأربعة وما فوق، فيُوجد مفهوم مشابه للحجم العادي وهو الحجم الفائق.
تاريخ
التاريخ القديم

تتراوح دقة قياسات الحجم في العصور القديمة عادةً بين 10 و50 مل (0.3-2 أونصة سائلة أمريكية ؛ 0.4-2 أونصة سائلة إمبراطورية ) . [ 4 ] : 8 أقدم دليل على حساب الحجم جاء من مصر القديمة وبلاد ما بين النهرين على شكل مسائل رياضية، لتقريب حجم الأشكال البسيطة مثل متوازي المستطيلات والأسطوانات والمخاريط الناقصة . وقد دُوّنت هذه المسائل الرياضية في بردية موسكو الرياضية ( حوالي 1820 قبل الميلاد). وفي بردية رايزنر ، دوّن المصريون القدماء وحدات حجم محددة للحبوب والسوائل، بالإضافة إلى جدول للطول والعرض والعمق والحجم لكتل المواد. [ 4 ] : 116 استخدم المصريون وحدات الطول ( الذراع ، الكف ، الإصبع ) لابتكار وحدات الحجم، مثل حجم الذراع [ 4 ] : 117 أو الإصبع (ذراع × ذراع × ذراع)، وحجم الكف (ذراع × ذراع × كف)، وحجم الإصبع (ذراع × ذراع × إصبع). [ 4 ] : 117
تُفصّل الكتب الثلاثة الأخيرة من كتاب أصول إقليدس ، التي كُتبت حوالي عام 300 قبل الميلاد، الصيغ الدقيقة لحساب حجم متوازيات المستطيلات والمخاريط والأهرامات والأسطوانات والكرات . وقد حدد علماء الرياضيات السابقون هذه الصيغ باستخدام شكل بدائي من التكامل ، وذلك بتقسيم الأشكال إلى أجزاء أصغر وأبسط. وبعد قرن من الزمان، وضع أرخميدس ( حوالي 287-212 قبل الميلاد ) صيغة تقريبية لحساب حجم عدة أشكال باستخدام طريقة الاستنفاد ، أي استنباط الحلول من الصيغ المعروفة سابقًا لأشكال مماثلة. كما اكتُشف التكامل البدائي للأشكال بشكل مستقل من قِبل ليو هوي في القرن الثالث الميلادي، وزو تشونغ تشي في القرن الخامس الميلادي، بالإضافة إلى علماء من الشرق الأوسط والهند .
ابتكر أرخميدس طريقةً لحساب حجم جسم غير منتظم، وذلك بغمره تحت الماء وقياس الفرق بين حجم الماء الابتدائي والنهائي. ويُعدّ الفرق في حجم الماء هو حجم الجسم. ورغم شيوع هذه الطريقة، فمن المرجح أن أرخميدس لم يغمر التاج الذهبي لحساب حجمه، وبالتالي كثافته ونقائه، نظرًا للدقة المتناهية المطلوبة. [ 5 ] بل يُرجّح أنه ابتكر شكلاً بدائيًا من الميزان الهيدروستاتيكي . في هذه الطريقة، يُوضع التاج وقطعة من الذهب الخالص ذات وزن مماثل على طرفي ميزان مغمور تحت الماء، والذي سينقلب وفقًا لمبدأ أرخميدس . [ 6 ]
حساب التفاضل والتكامل وتوحيد الوحدات

في العصور الوسطى ، استُحدثت وحدات عديدة لقياس الحجم، مثل السستر ، والعنبر ، والكومب ، والسيم . وقد حفّزت كثرة هذه الوحدات ملوك بريطانيا على توحيدها، وبلغ ذلك ذروته في قانون "أسيزي أوف بريد آند أيل" عام ١٢٥٨ الذي أصدره هنري الثالث ملك إنجلترا . وحّد هذا القانون الوزن والطول والحجم، كما أدخل البنس والأونصة والرطل والجالون والبوشل. [ ٤ ] : ٧٣-٧٤. وفي عام ١٦١٨، اعتمدت "دستور الأدوية اللندني " (كتالوج المركبات الدوائية) الجالون الروماني [ ٧ ] أو الكونجيوس [ ٨ ] كوحدة أساسية للحجم، وقدّم جدول تحويل لوحدات الوزن التي يستخدمها الصيادلة. [ ٧ ] وفي ذلك الوقت تقريبًا، أصبحت قياسات الحجم أكثر دقة، وانحصر هامش الخطأ بين ١ و٥ مل (٠.٠٣-٠.٢ أونصة سائلة أمريكية ؛ ٠.٠٤-٠.٢ أونصة سائلة إمبراطورية ) . [ 4 ] : 8
في أوائل القرن السابع عشر تقريبًا، طبّق بونافنتورا كافالييري فلسفة حساب التكامل الحديث لحساب حجم أي جسم. وقد وضع مبدأ كافالييري ، الذي ينص على أن استخدام شرائح أرق فأرق من الشكل يجعل الحجم الناتج أكثر دقة. ثم قام بيير دي فيرما ، وجون واليس ، وإسحاق بارو ، وجيمس غريغوري ، وإسحاق نيوتن ، وغوتفريد فيلهلم لايبنتز ، وماريا غايتانا أنييسي بتوسيع هذه الفكرة في القرنين السابع عشر والثامن عشر لتشكيل حساب التكامل الحديث، الذي لا يزال مستخدمًا حتى القرن الحادي والعشرين.
التحويل إلى النظام المتري وإعادة التعريفات
في 7 أبريل 1795، تم تعريف النظام المتري رسميًا في القانون الفرنسي باستخدام ست وحدات. ثلاث منها تتعلق بالحجم: الستير ( 1 م³ ) لحجم الحطب؛ واللتر (1 دسم³ ) لأحجام السوائل؛ والجرام ، للكتلة - ويُعرَّف بأنه كتلة سنتيمتر مكعب واحد من الماء عند درجة حرارة ذوبان الجليد. [ 9 ] بعد ثلاثين عامًا، في عام 1824، عُرِّف الجالون الإمبراطوري بأنه الحجم الذي يشغله عشرة أرطال من الماء عند 17 درجة مئوية (62 درجة فهرنهايت) . تم تحسين هذا التعريف لاحقًا حتى صدور قانون الأوزان والمقاييس في المملكة المتحدة عام 1985 ، والذي يجعل الجالون الإمبراطوري الواحد مساويًا تمامًا لـ 4.54609 لترًا دون استخدام الماء. [ 10 ]
أدى إعادة تعريف المتر عام 1960، من المتر النموذجي الدولي إلى خط الانبعاث البرتقالي المحمر لذرات الكريبتون-86، إلى تحرير المتر والمتر المكعب واللتر من قيود الأجسام المادية. كما جعل هذا المتر ووحدات الحجم المشتقة منه مقاومة للتغييرات التي طرأت على المتر النموذجي الدولي. [ 11 ] أُعيد تعريف المتر مرة أخرى عام 1983 ليستخدم سرعة الضوء والثانية (المشتقة من معيار السيزيوم )، وأُعيدت صياغته لزيادة وضوحه عام 2019. [ 12 ]
ملكيات
لا يمكن قياس الحجم، كمقياس للفضاء الإقليدي ثلاثي الأبعاد ، كقيمة سالبة، على غرار الطول والمساحة . ومثل جميع المقاييس المتصلة الرتيبة ( الحافظة للترتيب)، يمكن مقارنة أحجام الأجسام ببعضها البعض، وبالتالي يمكن ترتيبها. كما يمكن جمع الأحجام وتفكيكها إلى ما لا نهاية؛ وهذه الخاصية الأخيرة أساسية لمبدأ كافالييري ولحساب التفاضل والتكامل للأجسام ثلاثية الأبعاد. [ 13 ] وحدة الحجم المتناهي الصغر في حساب التكامل هي عنصر الحجم ؛ وهذه الصيغة مفيدة عند التعامل مع أنظمة إحداثيات وفضاءات ومتشعبات مختلفة .
قياس
أقدم طريقة لقياس حجم جسم ما تقريبًا هي استخدام جسم الإنسان، كاستخدام حجم اليد أو قرصها . إلا أن اختلافات جسم الإنسان تجعل هذه الطريقة غير دقيقة. لذا، يُعد استخدام أوعية طبيعية متجانسة ومتينة ، كالقرع ، ومعدة الخروف أو الخنزير ، والمثانة ، طريقة أفضل لقياس الحجم . لاحقًا، مع تطور صناعة المعادن والزجاج ، أصبح قياس الأحجام الصغيرة يتم عادةً باستخدام أوعية قياسية مصنعة. يشيع استخدام هذه الطريقة لقياس كميات صغيرة من السوائل أو المواد الحبيبية ، وذلك باستخدام مضاعف أو جزء من الوعاء. بالنسبة للمواد الحبيبية، يُرج الوعاء أو يُسوّى سطحه لتكوين سطح مستوٍ تقريبًا. لا تُعد هذه الطريقة الأكثر دقة لقياس الحجم، ولكنها تُستخدم غالبًا لقياس مكونات الطهي .
تُستخدم الماصة الهوائية في علم الأحياء والكيمياء الحيوية لقياس حجم السوائل على المستوى المجهري. [ 14 ] تُعدّ أكواب وملاعق القياس المُعايرة مناسبة للطهي والاستخدامات اليومية، إلا أنها غير دقيقة بما يكفي للمختبرات . هناك، يُقاس حجم السوائل باستخدام الأسطوانات المدرجة والماصات والقوارير الحجمية . تُعدّ خزانات تخزين البترول أكبر هذه الحاويات المُعايرة ، إذ يمكن لبعضها استيعاب ما يصل إلى مليون برميل (160 مليون لتر) من السوائل. حتى على هذا الحجم، يُمكن إجراء قياسات دقيقة للغاية للحجم في هذه الخزانات بمعرفة كثافة البترول ودرجة حرارته.
أما بالنسبة للأحجام الأكبر مثل الخزانات ، فيتم نمذجة حجم الحاوية بواسطة الأشكال وحسابه باستخدام الرياضيات.
الوحدات

لتسهيل الحسابات، تُعرَّف وحدة الحجم بأنها حجم مكعب وحدة (طول ضلعه وحدة واحدة). ولأن الحجم يشغل ثلاثة أبعاد، فإذا اخترنا المتر (م) وحدةً للطول، فإن وحدة الحجم المقابلة هي المتر المكعب (م³ ) . والمتر المكعب وحدة مشتقة من النظام الدولي للوحدات (SI) . [ 15 ] لذا، فإن وحدة قياس الحجم هي طول مكافئ (L³ ) . [ 16 ]
تستخدم وحدات الحجم المترية بادئات مترية ، وتكون هذه البادئات قوى العدد عشرة . عند تطبيق البادئات على وحدات الحجم، المُعبر عنها بوحدات الطول المكعبة، تُطبق عمليات التكعيب على وحدة الطول التي تتضمن البادئة. مثال على تحويل السنتيمتر المكعب إلى المتر المكعب: 2.3 سم³ = 2.3 (سم) ³ = 2.3 (0.01 م) ³ = 0.0000023 م³ ( خمسة أصفار) . [ 17 ] : 143
تُستخدم عادةً البادئات التالية لوحدات الطول المكعبة: المليمتر المكعب (مم³ ) ، والسنتيمتر المكعب (سم³ ) ، والديسيمتر المكعب (دسم³ ) ، والمتر المكعب (م³ ) ، والكيلومتر المكعب (كم³ ) . ويكون التحويل بين هذه الوحدات كما يلي: 1000 مم³ = 1 سم³ ، 1000 سم³ = 1 دسم³ ، و1000 دسم³ = 1 م³ . [ 1 ] كما يتضمن النظام المتري اللتر ( ل ) كوحدة للحجم، حيث 1 لتر = 1 دسم³ = 1000 سم³ = 0.001 م³ . [ 17 ] : 145 بالنسبة لوحدة اللتر، فإن البادئات الشائعة الاستخدام هي المليلتر (مل)، والسنتيلتر (سل)، واللتر (ل)، حيث 1000 مل = 1 لتر، و10 مل = 1 سنتيلتر، و10 سنتيلتر = 1 ديسيلتر، و10 ديسيلتر = 1 لتر. [ 1 ]
تُستخدم أيضاً وحدات قياس الحجم الإمبراطورية أو الأمريكية التقليدية الأخرى ، بما في ذلك:
- بوصة مكعبة ، قدم مكعبة ، ياردة مكعبة ، فدان-قدم ، ميل مكعب ؛
- مينيم ، دراخما ، أونصة سائلة ، باينت ؛
- ملعقة صغيرة ، ملعقة كبيرة ؛
- جيل ، كوارت ، جالون ، برميل ؛
- حبل ، بيك ، بوشل ، برميل كبير .
السعة والحجم
السعة هي أقصى كمية من المواد التي يمكن أن يحتويها وعاء، تُقاس بالحجم أو الوزن . مع ذلك، لا يشترط أن يملأ الحجم الموجود داخل الوعاء كامل سعته، أو العكس. فالأوعية لا تستطيع استيعاب سوى كمية محددة من الحجم المادي، وليس الوزن (باستثناء الاعتبارات العملية). على سبيل المثال، خزان سعته 50,000 برميل (7,900,000 لتر) يمكنه استيعاب 7,200 طن (15,900,000 رطل) من زيت الوقود، لن يتمكن من استيعاب نفس الكمية من النفتا ، وهي 7,200 طن (15,900,000 رطل) ، نظرًا لانخفاض كثافة النفتا وبالتالي زيادة حجمها. [ 18 ] : 390-391
حساب
الأشكال الأساسية
| 1. | المخروط والأسطوانة لهما نصف قطر r وارتفاع h . |
| 2. | يتم الحفاظ على نسبة الحجم عندما يتم تغيير الارتفاع إلى h' = r √ π . |
| 3. | قم بتقسيمه إلى شرائح رقيقة. |
| 4. | باستخدام مبدأ كافالييري، أعد تشكيل كل شريحة إلى مربع له نفس المساحة. |
| 5. | تم تكرار الهرم مرتين. |
| 6. | بدمجها في مكعب، يتضح أن نسبة الحجم هي 1:3. |
بالنسبة للعديد من الأشكال مثل المكعب ومتوازي المستطيلات والأسطوانة ، فإن لها نفس صيغة حساب الحجم تقريبًا مثل المنشور : قاعدة الشكل مضروبة في ارتفاعه .
حساب التكامل

يُعدّ حساب الحجم جزءًا أساسيًا من حساب التكامل . ومن تطبيقاته حساب حجم المجسمات الدورانية ، وذلك بتدوير منحنى مستوٍ حول خط في نفس المستوى. تُستخدم طريقة التكامل باستخدام الأقراص أو الحلقات عند التكامل حول محور موازٍ لمحور الدوران. ويمكن كتابة المعادلة العامة على النحو التالي:أينوتمثل هذه الحدود المنحنية المستوية. [ 19 ] : 1، 3. تُستخدم طريقة التكامل السطحي عند التكامل حول محور عمودي على محور الدوران. يمكن كتابة المعادلة على النحو التالي: [ 19 ] : 6يُعطى حجم المنطقة D في الفضاء ثلاثي الأبعاد بالتكامل الثلاثي أو التكامل الحجمي للدالة الثابتةفي جميع أنحاء المنطقة. وعادة ما يُكتب على النحو التالي: [ 20 ] : القسم 14.4
في الإحداثيات الأسطوانية ، يكون التكامل الحجمي هو
في الإحداثيات الكروية (باستخدام اصطلاح الزوايا معمثل السمت و(يُقاس من المحور القطبي؛ انظر المزيد حول الاصطلاحات )، يكون التكامل الحجمي هو
النمذجة الهندسية

شبكة المضلعات هي تمثيل لسطح الجسم باستخدام المضلعات . تحدد شبكة الحجم بشكل صريح خصائص حجمها وسطحها.
الكميات المشتقة
- الكثافة هي كتلة المادة لكل وحدة حجم، أو الكتلة الكلية مقسومة على الحجم الكلي. [ 21 ]
- الحجم النوعي هو الحجم الكلي مقسومًا على الكتلة، أو مقلوب الكثافة. [ 22 ]
- معدل التدفق الحجمي أو معدل التصريف هو حجم السائل الذي يمر عبر سطح معين لكل وحدة زمنية.
- السعة الحرارية الحجمية هي السعة الحرارية للمادة مقسومة على حجمها.
انظر أيضاً
ملحوظات
- ↑ عند ثبات درجة الحرارة والضغط، مع تجاهل حالات المادة الأخرى للاختصار
مراجع
- 1 2 3 "وحدات النظام الدولي - الحجم" . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . 13 أبريل 2022. مؤرشف من الأصل في 7 أغسطس 2022. تم الاطلاع عليه في 7 أغسطس 2022 .
- ↑ "IEC 60050 — تفاصيل رقم IEV 102-04-40: "حجم الصوت"" . المصطلحات الكهروتقنية الدولية (باللغة اليابانية) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19-09-2023 .
- ↑ "IEC 60050 — تفاصيل رقم IEV 102-04-39: "المجال ثلاثي الأبعاد"" . المصطلحات الكهروتقنية الدولية (باللغة اليابانية) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19-09-2023 .
- 1 2 3 4 5 6 إمهاوزن، أنيت (2016). الرياضيات في مصر القديمة: تاريخ سياقي . مطبعة جامعة برينستون . ISBN 978-1-4008-7430-9. OCLC 934433864 .
- ↑ روريس، كريس. "التاج الذهبي" . جامعة دريكسل . مؤرشف من الأصل في 11 مارس 2009. تم الاطلاع عليه في 24 مارس 2009 .
- ↑ غراف، إي إتش (2004). "ماذا قال أرخميدس عن الطفو؟" . مُعلِّم الفيزياء . 42 (5): 296-299 . رمز Bibcode : 2004PhTea..42..296G . doi : 10.1119/1.1737965 . مؤرشف من الأصل بتاريخ 14 أبريل 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 أغسطس 2022 .
- 1 2 "الموازين والأوزان والمقاييس" (ملف PDF) . الجمعية الملكية للصيادلة . 4 فبراير 2020. ص 1. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 20 مايو 2022. تم الاطلاع عليه في 13 أغسطس 2022 .
- ↑ كارداريلي، فرانسوا (6 ديسمبر 2012). تحويل الوحدات العلمية: دليل عملي للتحويل إلى النظام المتري ( الطبعة الثانية). لندن: سبرينغر ساينس + بيزنس ميديا . ص 151. ISBN 978-1-4471-0805-4. OCLC 828776235 .
- ↑ كوكس، إدوارد فرانكلين (1958). تاريخ النظام المتري للأوزان والمقاييس، مع التركيز على حملات اعتماده في بريطانيا العظمى والولايات المتحدة قبل عام 1914 (أطروحة دكتوراه). جامعة إنديانا. الصفحات 99-100 . ProQuest 301905667 .
- ↑ كوك، جيمس ل. (1991). عوامل التحويل . أكسفورد [إنجلترا]: مطبعة جامعة أكسفورد . ص. 16. ISBN 0-19-856349-3. OCLC 22861139 .
- ↑ ماريون، جيري ب. (1982). الفيزياء للعلوم والهندسة . دار نشر سي بي إس كوليدج. ص 3. ISBN 978-4-8337-0098-6.
- ↑ " التطبيق العملي لتعريف المتر في النظام الدولي للوحدات" (ملف PDF) . المكتب الدولي للأوزان والمقاييس . اللجنة الاستشارية للطول. 20 مايو 2019. ص 1. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 13 أغسطس 2022. تم الاطلاع عليه في 13 أغسطس 2022 .
- ↑ "المجلد - موسوعة الرياضيات" . encyclopediaofmath.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27-05-2023 .
- ↑ "استخدام الماصات الدقيقة" (ملف PDF) . كلية بافالو ستيت . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 4 أغسطس 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 يونيو 2016 .
- ↑ "المساحة والحجم" . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . 25 فبراير 2022. مؤرشف من الأصل في 7 أغسطس 2022. تم الاطلاع عليه في 7 أغسطس 2022 .
- ↑ ليمونز، دون س. (16 مارس 2017). دليل الطالب للتحليل البُعدي . نيويورك: مطبعة جامعة كامبريدج . ص 38. ISBN 978-1-107-16115-3. OCLC 959922612 .
- 1 2 النظام الدولي للوحدات (ملف PDF) . الإصدار 4.01 ( الطبعة التاسعة). المكتب الدولي للأوزان والمقاييس. يونيو 2026. ISBN 978-92-822-2272-0.
- ↑ تريز، ستيفن أ. (2018). تاريخ وقياس الوحدات الأساسية والمشتقة . تشام، سويسرا: سبرينغر ساينس + بيزنس ميديا . ISBN 978-3-319-77577-7LCCN 2018940415 . OCLC 1036766223 .
- 1 2 "المجلدات حسب التكامل" (ملف PDF) . معهد روتشستر للتكنولوجيا . 22 سبتمبر 2014. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 2 فبراير 2022. تم الاطلاع عليه في 12 أغسطس 2022 .
- ↑ ستيوارت، جيمس (2008). حساب التفاضل والتكامل: الدوال المتسامية المبكرة ( الطبعة السادسة). بروكس كول سينجج ليرنينج. ISBN 978-0-495-01166-8.
- ↑ بنسون، توم (7 مايو 2021). "كثافة الغاز" . مركز جلين للأبحاث . مؤرشف من الأصل في 9 أغسطس 2022. تم الاطلاع عليه في 13 أغسطس 2022 .
- ↑ سينجل، يونس أ.؛ بولز، مايكل أ. (2002). الديناميكا الحرارية: منهج هندسي . بوسطن: ماكجرو هيل . ص 11. ISBN 0-07-238332-1.
روابط خارجية
المحيطات والمساحات والأحجام في ويكي بوكس
المجلد في ويكي بوكس
- مقدار
