שארל-אוגוסטן דה קולון
שארל-אוגוסטן דה קולון (בצרפתית: Charles-Augustin de Coulomb; 14 ביוני 1736 – 23 באוגוסט 1806) היה קצין, מהנדס ופיזיקאי צרפתי. הוא ידוע בעיקר כמגלה האפונימי של מה שקרוי כיום חוק קולון, המתאר את כוח המשיכה והדחייה האלקטרוסטטי. הוא ביצע גם עבודה חשובה על חיכוך, ועבודתו על לחץ קרקע היוותה את הבסיס לפיתוח המאוחר של חלק ניכר ממדע מכניקת הקרקע.
יחידת המידה של מטען חשמלי במערכת היחידות הבינלאומית (SI), הקולון, נקראה על שמו בשנת 1880.
חיים
שארל-אוגוסטן דה קולון נולד באנגולם (Angoulême), מחוז אנגומואה (Angoumois), צרפת, להנרי קולון, מפקח על האחוזות המלכותיות במקור ממונפלייה, וקתרין באז'ה. הוא הוטבל בכנסיית הקהילה סנט אנדרה. המשפחה עברה לפריז בתחילת ילדותו, והוא למד במכללת מזארין (Collège Mazarin). לימודיו כללו פילוסופיה, שפה וספרות. הוא קיבל גם השכלה טובה במתמטיקה, אסטרונומיה, כימיה ובוטניקה. כאשר אביו ספג מכה כלכלית, הוא נאלץ לעזוב את פריז ועבר למונפלייה. בתקופה זו הגיש קולון את פרסומו הראשון לאגודה למדעים במונפלייה. הוא חזר לפריז ועבר את הבחינות לבית הספר המלכותי להנדסה במזייר (École royale du génie de Mézières) בשנת 1760.
הוא סיים את לימודיו בשנת 1761 והצטרף לצבא הצרפתי כמהנדס בדרגת לוטננט. במהלך עשרים השנים הבאות, הוא הוצב במגוון מקומות שבהם היה מעורב בהנדסה: מבנית, ביצורים, מכניקת קרקע, וכן תחומי הנדסה אחרים. הצבתו הראשונה הייתה בברסט, אך בפברואר 1764 הוא נשלח למרטיניק, באיי הודו המערבית, שם הופקד על בניית פורט בורבון החדש, ומשימה זו העסיקה אותו עד יוני 1772. בריאותו סבלה מנסיגות במהלך שלוש השנים שבילה במרטיניק, מה שהשפיע עליו למשך שארית חייו.
עם שובו לצרפת, נשלח קולון לבושן (Bouchain). הוא החל לכתוב עבודות חשובות על מכניקה יישומית והציג את עבודתו הראשונה בפני האקדמיה למדעים בפריז בשנת 1773. בשנת 1779 נשלח קולון לרושפור כדי לשתף פעולה עם המרקיז דה מונטלמבר בבניית מבצר העשוי כולו מעץ ליד איל-ד'אקס (Île-d'Aix). במהלך תקופתו ברושפור, המשיך קולון במחקריו על מכניקה, ובפרט השתמש במספנות ברושפור כמעבדות לניסוייו. בשנת 1779 פרסם גם חקירה חשובה על חוקי החיכוך (Théorie des machines simples, en ayant regard au frottement de leurs parties et à la roideur des cordages), אשר לוו עשרים שנה מאוחר יותר בחיבור על התנגדות נוזלים.
עם שובו לצרפת, בדרגת קפטן, הועסק בלה רושל, איל ד'אקס ושרבור. הוא גילה תחילה קשר הפוך של הכוח בין מטענים חשמליים לבין ריבוע המרחק ביניהם, ולאחר מכן את אותו הקשר בין קטבים מגנטיים. מאוחר יותר, קשרים אלו נקראו על שמו כחוק קולון.
בשנת 1781 הוצב בפריז. בשנת 1787, יחד עם טנון, ביקר בבית החולים הימי המלכותי בסטונהאוס, והם התרשמו מעיצוב ה"ביתנים" המהפכני והמליצו עליו לממשלה הצרפתית. עם פרוץ המהפכה בשנת 1789, התפטר מתפקידו כמפקח על המים והמזרקות ופרש לאחוזה קטנה שהייתה בבעלותו בבלואה.
הוא נקרא בחזרה לפריז לזמן מה כדי לקחת חלק בקביעה החדשה של משקלות ומידות, שנגזרה על ידי הממשלה המהפכנית. הוא הפך לאחד החברים הראשונים במכון הלאומי הצרפתי ומונה למפקח על החינוך הציבורי בשנת 1802. בריאותו כבר הייתה רעועה מאוד וכעבור ארבע שנים הוא מת בפריז.
קולון מותיר מורשת כחלוץ בתחום ההנדסה הגיאוטכנית בשל תרומתו לתכנון קירות תומכים. שמו הוא אחד מ-72 השמות החקוקים על מגדל אייפל.
מחקר
בשנת 1784 הופיע חיבורו "מחקרים תיאורטיים וניסיוניים על כוח הפיתול ועל גמישותם של חוטי מתכת" (Recherches théoriques et expérimentales sur la force de torsion et sur l'élasticité des fils de metal). חיבור זה הכיל את תוצאות ניסוייו של קולון על כוח הפיתול עבור חוטי מתכת, ספציפית בתוך מאזני פיתול. התוצאה הכללית שלו היא:
> מומנט הפיתול הוא, עבור חוטים מאותה מתכת, פרופורציונלי לזווית הפיתול, לחזקה הרביעית של הקוטר ולהופכי של אורך החוט.
בשנת 1785 הציג קולון את שלושת הדיווחים הראשונים שלו על חשמל ומגנטיות:
- "מאמר ראשון על חשמל ומגנטיות" (Premier mémoire sur l’électricité et le magnétisme). בפרסום זה מתאר קולון "כיצד לבנות ולהשתמש במאזניים חשמליים (מאזני פיתול) המבוססים על התכונה של חוטי מתכת בעלי כוח פיתול תגובתי הפרופורציונלי לזווית הפיתול". קולון גם קבע ניסיונית את החוק המסביר כיצד "שני גופים מחושמלים מאותו סוג של חשמל מפעילים זה על זה". בעמוד 574 הוא קובע:
> נובע אפוא משלושת הניסויים הללו, שהפעולה הדוחה ששני הכדורים המחושמלים מאותו סוג חשמל מפעילים זה על זה, עוקבת אחר היחס ההפוך לריבוע המרחקים. זה נובע אפוא משלושת הניסויים הללו, שהכוח הדוחה ששני הכדורים - [שהיו] מחושמלים באותו סוג של חשמל - מפעילים זה על זה, עוקב אחר היחס ההפוך לריבוע המרחק.
— "מאמר ראשון על חשמל ומגנטיות"
"מאמר שני על חשמל ומגנטיות" (Second Mémoire sur l’Électricité et le Magnétisme). בפרסום זה, קולון מבצע את "הקביעה לפיה פועלים הנוזלים המגנטיים והחשמליים, בין אם על ידי דחייה או על ידי משיכה". בעמוד 579 הוא קובע כי כוח המשיכה בין שני כדורים בעלי מטען הפוך הוא פרופורציונלי למכפלת כמויות המטען על הכדורים ופרופורציונלי הפוך לריבוע המרחק שבין הכדורים.
- "מאמר שלישי על חשמל ומגנטיות". "על כמות החשמל שגוף מבודד מאבד בפרק זמן מסוים, בין אם במגע עם אוויר פחות לח או בתמוכות שהן אידיו-חשמליות יותר או פחות."
ארבעה דיווחים נוספים פורסמו בשנים שלאחר מכן:
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →- "מאמר רביעי" "שבו מודגמות שתי תכונות עיקריות של הנוזל החשמלי: ראשית, נוזל זה אינו מתפשט לכל עצם על פי זיקה כימית או משיכה בחירה, אלא הוא מתחלק בין עצמים שונים המובאים במגע; שנית, בעצמים מוליכים, הנוזל, לאחר שהשיג מצב של יציבות, מתפשט על פני שטח הגוף ואינו חודר לתוכו." (1786)
- "מאמר חמישי" "על האופן שבו הנוזל החשמלי מתחלק בין עצמים מוליכים המובאים במגע והתפלגות נוזל זה על חלקים שונים של שטח הפנים של עצם זה." (1787)
- "מאמר שישי" "המשך מחקר על התפלגות הנוזל החשמלי בין מספר מוליכים. קביעת צפיפות חשמלית בנקודות שונות על פני השטח של גופים אלו." (1788)
- "מאמר שביעי" "על מגנטיות" (1789)
קולון הסביר את חוקי המשיכה והדחייה בין מטענים חשמליים לקטבים מגנטיים, אם כי לא מצא כל קשר בין שני התופעות. הוא סבר כי המשיכה והדחייה נובעות מסוגים שונים של נוזלים.
קולון תרם תרומה משמעותית גם לתחום הטריבולוגיה. הממצאים של גיום אמנטון וקולון ידועים היטב כחוקי החיכוך של אמנטון-קולון. הוא השלים את המחקר המקיף ביותר על חיכוך שבוצע במאה ה-18 וזכה להיקרא על ידי דאנקן דוסון כאחד מ-23 "אנשי הטריבולוגיה".
תרומות לתורת לחץ הקרקע
קולון תרם תרומות פורצות דרך להבנת לחץ הקרקע, שהפכו לבסיסיות בהנדסה הגיאוטכנית. בשנת 1776 הציג בפני האקדמיה למדעים את החיבור "Essai sur une application des règles de Maximis et Minimis à quelques Problèmes de Statique, relatifs à l’Architecture" (מסה על יישום כללי המקסימום והמינימום לבעיות סטטיקה מסוימות הקשורות לארכיטקטורה). עבודה זו הציגה את מה שמכונה כיום תאוריית היתד של לחץ קרקע וביססה מספר עקרונות מפתח לניתוח יציבות של מסות קרקע, כולל:
- חוק התנגדות לגזירה: קולון ניסח את ההתנגדות לגזירה של קרקעות כ
s = c + σ tan φ
{\displaystyle s=c+\sigma \tan \varphi }
, כאשר
c
{\displaystyle c}
מייצג לכידות,
σ
{\displaystyle \sigma }
הוא מאמץ נורמלי, ו-
φ
{\displaystyle \varphi }
הוא זווית החיכוך הפנימי.
- לחץ קרקע פעיל וסביל: הוא הציג את המושגים של גבולות לחץ קרקע פעיל וסביל, המתארים את התנאים שבהם קרקע מפעילה לחץ על מבנה תומך או מתנגדת לתנועה.
- מישורי כשל: קולון קבע כי מישור הכשל בקרקעות מתרחש בזווית של
45
∘
+ φ
/
2
{\displaystyle 45^{\circ }+\varphi /2}
ביחס לאופק.
- חיכוך קיר: הוא היה בין הראשונים לשקול את השפעות החיכוך בין הקיר לקרקע בהפחתת לחץ קרקע צידי.
- גובה קריטי: קולון סיפק שיטה לחישוב הגובה הקריטי של גדות קרקע אנכיות שיכולות להישאר יציבות עקב לכידות.
- ניקוז: הוא הדגיש את תפקיד הניקוז התקין במניעת כוחות נוספים הפועלים על מבנים תומכים עקב הצטברות מים.
- תיקוף אמפירי: קולון תיקף את תיאוריות שלו תוך שימוש בפרקטיקות בנייה עכשוויות, כגון אלו שהופעלו בקירות התומכים של המרשל וובן.
הניתוח של קולון חרג מעבר לפתרונות ההנדסיים המעשיים של זמנו על ידי יישום שיטתי של עקרונות הסטטיקה והמכניקה על בעיות של יציבות קרקע. שיטותיו, אף ששוכללו על ידי חוקרים מאוחרים יותר, הניחו את היסודות למכניקת הקרקע המודרנית ולתכנון קירות תומכים, ונשארות רלוונטיות בהנדסה הגיאוטכנית. תרומותיו לא רק קידמו את תיאוריית מכניקת הקרקע, אלא גם השפיעו על עבודות מאוחרות יותר, כולל אלו של רנקין, ששיכלל עוד יותר את התיאוריות עבור קרקעות לכידות וגרגיריות. הקולופון ששימש במאמרו של קולון משנת 1776 משוחזר על הכריכה של כל גיליון של כתב העת להנדסה גיאוטכנית שעבר ביקורת עמיתים, Géotechnique.