آلة

آلات محركات السفينة

جدول للآليات البسيطة (1728م).

الآلة هي جهاز يستعمل الطاقة ليؤدي عملا ما. فالمصانع تستخدم آلات الثقب الكبيرة، والمخارط، والمكابس لتصنيع المنتجات التي نستخدمها. وتعتمد الأعمال على الآلات المحررة، والحواسيب، وآلات أخرى متعددة.

النظم الميكانيكية

يدير النظام الميكانيكي الاستطاعة لتحقيق مهمة تتضمن قوى وحركة. الآلات الحديثة هي نظم تتكون من:

مصدر طاقة ومحركات تولد القوى والحركة،
مجموعة ميكانيزمات (آليات) تحول استطاعة الدخل الآتية من المحرك إلى شكل آخر لتحقيق تطبيق محدد لقوى الخرج وحركته،
متحكم مزود بحساسات تقارن الخرج مع الخرج المطلوب (الغاية الأدائية) ثم توجه ولج المحرك،
وأخيرًا قابلة لمُشغّل تتكون من عتلات وقواطع وشاشات عرض.

يمكن ملاحظة هذه المكونات في محرك واط البخاري (انظر الشكل المرفق) الذي يستجر الاستطاعة من تمدد البخار الذي يحرك المكبس. يحول العمود العامل (الذراع) مع المفصل والمرفق (أوالكرَنك) حركة المكبس الخطية إلى حركة دائرية لطارة الخرج. أخيرًا، يقود دورانُ الطارة منظمَ الطرد المركزي الذي يتحكم بصمام دخول البخار إلى أسطوانة المكبس.

تشير الصفة «ميكانيكي أوآلي» إلى إدخال المعنى الحرفي التطبيقي لفهمٍ أوفن، بالإضافة إلى كونه متعلقًّا بحركة أوقوى فيزيائية أوخواص أوعناصر كتلك التي يتعامل معها الميكانيكا أوناتجًا عنها بشكل مشابه، يُعرّف معجم ميريام ويبستر صفة «ميكانيكي أوآلي» بأنها متعلقة بالآلات أوالأدوات.

يشكل تدفق الاستطاعة عبر آلة طريقة لفهم أداء أجهزة تتراوح من العتلات والمجموعات المسننية إلى السيارات والأنظمة الروبوتية. خط الميكانيكي الفرنسي فرانز رويلوحتى «الآلة هي مجموعة من الأجسام المقاومة المرتبة بكيفية تصبح معها القوى الميكانيكية في الطبيعة مجبرة على أداء عمل ترافقه حركة حتمية معينة». لاحظ حتى القوى والحركة تتّحد لتعرّف مفهوم الاستطاعة.

صرح أويكر وزملاؤه بأنها نظام «يتكون عمومًا من مصدر استطاعة وميكانيزم للاستخدام المتحَكم به لهذه الاستطاعة».

مصادر الاستطاعة

كانت الجهود البشرية والحيوانية منشأ مصادر الاستطاعة للآلات البدائية.

الناعورة: ظهرت النواعير حول العالم قرابة عام 300 ق.م لاستعمال المياه الجارية لتوليد حركة دورانية، كانت تُستخدم لطحن الحبوب وتوفير الاستطاعة اللازمة لعمليات التحطيب وتشغيل المعادن والغزل والنسيج. تستخدم العنفات الحديثة المياه الجارية عبر سد لتشغيل مولدة كهرباء.

طاحونة الهواء: استخدمت الطواحين البدائية طاقة الرياح لتوليد حركة دورانية لعمليات الطحن. تشغّل العنفات الريحية الحديثة أيضًا مولدات كهرباء. هذه الكهرباء تستخدم بدورها لقيادة محركات تشكل مشغلات لأنظمة ميكانيكية.

المحرك أوالمحرك الحراري: حدثة محرك حراري بالإنجليزية مشتقة من حدثة «براعة» وكانت تشير بالأصل إلى المُتقِنات التي قد تكون أولا تكون أدوات مادية. انظر تعريف قاموس ميريام ويبستر لحدثة محرك. يستخدم المحرك البخاري الحرارة لغلي المياه المحتواة في وعاء ضغط؛ يقود البخار المتوسع المكبس أوالعنفة. يمكن رؤية هذا المبدأ في محرك هيرون الإسكندري (ويسمى كرة أيولوتيمنًا بالإله الإغريقي للرياح). يُدعى هذا محرك الاحتراق الخارجي.

يسمى محرك السيارة محرك الاحتراق الداخلي لأنه يحرق الوقود (تفاعل كيميائي منتج للحرارة أوإكزوثيرمي) داخل أسطوانة ويستفيد من الغازات المتمددة في تحريك مكبس. يستخدم المحرك النفاث عنفة لضغط الهواء الذي يحترق مع الوقود بحيث يتوسع عبر فوهة تمدد أوناشرة لتوفير قوة الدفع في الطائرة، وبذلكقد يكون أيضًا «محرك احتراق داخلي».

محطة الطاقة: تولد الحرارة الناتجة من احتراق الفحم والغاز الطبيعي في مرجل بخارًا يقود عنفة بخارية لتدير مولدة كهرباء. تستخدم محطة الطاقة النووية الحرارة من المفاعل النووي لتوليد البخار والاستطاعة الكهربائية. توزَّع هذه الاستطاعة عبر شبكة خطوط نقل للاستخدامات الصناعية والشخصية.

محركات الكهرباء أوالموتورات: تستخدم محركات الكهرباء إما التيار المستمر أوالمتناوب لتوليد الحركة الدورانية. المحركات المؤازرة الكهربائية هي المشغلات لنظم ميكانيكية تتراوح من النظم الروبوتية إلى الطائرات الحديثة.

قدرة المائع: تستعمل الأنظمة الهيدروليكية والنوماتيكية (أوأنظمة الحمل الهوائية) المضخات المقادة كهربائيًا لتحريك الماء أوالهواء على التوالي إلى أسطوانات لتغذية الحركة الخطية.

الآليات

يتكون الميكانيزم (أوالهجريبة الآلية) في نظام ميكانيكي من مكونات تدعى عناصر الآلة. توفر هذه العناصر بنية للنظام وتتحكم بحركتها.

المكونات البنيوية هي عادةً جوائز الإطارات والمحامل وأخاديد التثبيت والنوابض والأقفال ووصلات التثبيت والأغطية. يشكل لون الأغطية وشكلها وملمسها القابلة الجمالية والتشغيلية بين النظام الميكانيكية والمستخدمين.

تدعى المجموعات التي تتحكم بالحركة أيضًا «الميكانيزمات» أو«الهجريبات الآلية». تصنف الآليات بشكل عام إلى المسننات والمجموعات المسننية، وهي تتضمن السيور الناقلة وسلاسل النقل، وآليات الكامة والتابع والسلاسل الحركية لكن هناك آليات خاصة أخرى مثل الوصلات الماسكة وآليات أقراص التقسيم (تسمى أيضًا الصليب المالطي أومحرك جينيف) وآلية ميزان الساعة والأجهزة الاحتكاكية كالمكابح والقوابض.

يعتمد عدد درجات حرية آلية ما، أودرجة طلاقتها، على عدد الوصلات والمفاصل وأنواع المفاصل المستخدمة في تكوين الهجريبة الآلية. الحرية الحركية العامة لآلية ما هي الفرق بين الحرية غير المقيدة للوصلات وعدد القيود المطبقة بسبب المفاصل. وتُوصّف وفق معيار تشيبتشيف-غروبلر-كوتزباخ.

المسننات والمجموعات المسننية

يمكن تتبع مبدأ نقل الحركة الدورانية بين عجلات مسننة متلامسة إلى آلية أنتيكيثيرا في اليونان والعربة المتجهة جنوبًا في الصين. تظهر الشروحات التي رسمها عالم عصر النهضة جيورجيوس أغريكولا مجموعاتٍ مسننية بأسنان أسطوانية. نتج عن تطبيق السن الإنفليوتي تصميم معياري للمسننات يوفر نسبة سرعة ثابتة. من بعض المزايا المهمة للمسننات والمجموعات المسننية:

تُعهد نسبة السرعة والربح الميكانيكي (نسبة التضخيم أونسبة التخفيض) للمجموعة المسننية بأنها نسبة دوائر المستوى للمسننات المتزاوجة.
توفر الأنظمة الكوكبية المتداخلة (تدعى أيضًا المسننات التداورية أومتحدة المركز) نسب تخفيض كبيرة في المجموعات المسننية المتراصة.
من الممكن تصميم أسنان مسننية لمسننات غير دائرية، ومع ذلك تستطيع نقل العزم بسلاسة.
تحسب نسب السرع للسيور الناقلة وجنازير النقل (تدعى أيضًا سلاسل النقل) بنفس طريقة حساب النسب المسننية. انظر مسننات الدراجات.

آليات الحدبات والتوابع

تتشكل آلية الحدبة (الكامة) والتابع بالتلامس المباشر بين وصلتين لهما أشكال خاصة. تدعى الوصلة القائدة باسم الحدبة أوالكامة (انظر أيضًا عمود الحدبات) وتدعى الوصلة المقودة بواسطة التماس المباشر بين سطحي الوصلتين باسم التابع. يحدد شكل سطحي التماس بين الحدبة والتابع حركة الهجريبة الآلية.

الهجريبات المرفقية

الهجريبة المرفقية هي مجموعة من الوصلات المرتبطة بواسطة مفاصل. بصورة عامة، الوصلات هي العناصر البنيوية والمفاصل تسمح بالحركة. من الممكنقد يكون المثال الأكثر فائدة هوالهجريبة رباعية الوصلات المرفقية المستوية (تدعى اختصارًا رباعية القضبان) لكن هناك الكثير من الهجريبات المرفقية الخاصة:

هجريبة واط المرفقية هي هجريبة رباعية القضبان ترسم خطًا مستقيمًا تقريبًا. كانت اكتشافًا ضروريًا لعمل محرك واط البخاري. ظهرت هذه الهجريبة المرفقية أيضًا في أنظمة تعليق المركبات لمنع الحركة الجانبية للجسم بالنسبة للعجلات. انظر أيضًا منطقة الحركة المتوازية.
أدى نجاح هجريبة واط المرفقية إلى تصميم هجريبات أخرى ترسم خطوطًا مستقيمة تقريبية مثل هجريبة هويغنز وهجريبة تشيبيشيف.
ينتج عن هجريبة بوسيليير خرج على شكل خط مستقيم حقيقي من ولج على شكل حركة دائرية.
هجريبة ساروس هي هجريبة مرفقية فراغية ترسم حركة مستقيمة من ولج على شكل حركة دائرية.
هجريبتا كلان ويانسين اختراعان حديثان يولدان حركات تحاكي المشي بشكل مثير للاهتمام. وهما هجريبتان سداسية القضبان وثمانية القضبان على التوالي.

انظر أيضاً

آلة الفائدة الميكانيكية

مراجع

^ Chambers, Ephraim (1728), "Table of Mechanicks", Cyclopaedia, A Useful Dictionary of Arts and Sciences, London, England, Volume 2, صفحة 528, Plate 11 CS1 maint: ref=harv (link).
^ "mechanical". Oxford English Dictionary (3rd ed.). Oxford University Press. September 2005. (Subscription or UK public library membership required.)
^ Merriam-Webster Dictionary Definition of mechanical نسخة محفوظة 2011-10-20 على مسقط واي باك مشين.
↑ Reuleaux, F., 1876 نسخة محفوظة 2013-06-02 على مسقط واي باك مشين. (trans. and annotated by A. B. W. Kennedy), reprinted by Dover, New York (1963)
^ J. J. Uicker, G. R. Pennock, and J. E. Shigley, 2003, Theory of Machines and Mechanisms, Oxford University Press, New York.
^ "Internal combustion engine", Concise Encyclopedia of Science and Technology, Third Edition, Sybil P. Parker, ed. McGraw-Hill, Inc., 1994, p. 998 .
^ J. J. Uicker, G. R. Pennock, and J. E. Shigley, 2003, Theory of Machines and Mechanisms, Oxford University Press, New York.