آلة

آلة
الآلة هي جهاز يستعمل الطاقة ليؤدي عملا ما. فالمصانع تستخدم آلات الثقب الكبيرة، والمخارط، والمكابس لتصنيع المنتجات التي نستخدمها. وتعتمد الأعمال على الآلات الكاتبة، 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 دخل المحرك،
وأخيرًا واجهة 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 (أو الكرَنك) 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 أو آلي» إلى إدخال المعنى الحرفي التطبيقي لعلمٍ أو فن، بالإضافة إلى كونه متعلقًّا بحركة أو قوى فيزيائية أو خواص أو عناصر كتلك التي يتعامل معها الميكانيكا أو ناتجًا عنها بشكل مشابه، يُعرّف معجم ميريام ويبستر صفة «ميكانيكي أو آلي» بأنها متعلقة بالآلات أو الأدوات.
يشكل تدفق الاستطاعة عبر آلة طريقة لفهم أداء أجهزة تتراوح من العتلات والمجموعات المسننية إلى السيارات والأنظمة الروبوتية. كتب الميكانيكي الفرنسي فرانز رويلو أن «الآلة هي مجموعة من الأجسام المقاومة المرتبة بطريقة تصبح معها القوى الميكانيكية في الطبيعة مجبرة على أداء عمل ترافقه حركة حتمية معينة». لاحظ أن 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 أو المحرك الحراري: كلمة محرك حراري بالإنجليزية مشتقة من كلمة «براعة» وكانت تشير بالأصل إلى المُتقِنات التي قد تكون أو لا تكون أدوات مادية. انظر تعريف قاموس ميريام ويبستر لكلمة محرك. يستخدم المحرك البخاري الحرارة لغلي المياه المحتواة في وعاء ضغط؛ يقود البخار المتوسع المكبس أو العنفة. يمكن رؤية هذا المبدأ في محرك هيرون الإسكندري (ويسمى كرة أيولو تيمنًا بالإله الإغريقي للرياح). يُدعى هذا محرك الاحتراق الخارجي.
يسمى محرك السيارة محرك الاحتراق الداخلي لأنه يحرق الوقود (تفاعل كيميائي منتج للحرارة أو إكزوثيرمي) داخل أسطوانة ويستفيد من الغازات المتمددة في تحريك مكبس. يستخدم المحرك النفاث عنفة لضغط الهواء الذي يحترق مع الوقود بحيث يتوسع عبر فوهة تمدد أو ناشرة لتوفير قوة الدفع في الطائرة، وبذلك 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 أو الموتورات: تستخدم محركات الكهرباء إما التيار المستمر أو المتناوب لتوليد الحركة الدورانية. المحركات المؤازرة الكهربائية هي المشغلات لنظم ميكانيكية تتراوح من النظم الروبوتية إلى الطائرات الحديثة.
قدرة المائع: تستعمل الأنظمة الهيدروليكية والنوماتيكية (أو أنظمة الرفع الهوائية) المضخات المقادة كهربائيًا لتحريك الماء أو الهواء على التوالي إلى أسطوانات لتغذية الحركة الخطية.
الآليات
يتكون الميكانيزم (أو التركيبة 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 الواجهة الجمالية والتشغيلية بين النظام الميكانيكية والمستخدمين.
تدعى المجموعات التي تتحكم بالحركة أيضًا «الميكانيزمات» أو «التركيبات 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 أو محرك جينيف) وآلية ميزان الساعة والأجهزة الاحتكاكية كالمكابح والقوابض.
يعتمد عدد درجات حرية آلية ما، أو درجة طلاقتها، على عدد الوصلات والمفاصل وأنواع المفاصل المستخدمة في تكوين التركيبة 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:
تُعرف نسبة السرعة والربح الميكانيكي (نسبة التضخيم أو نسبة التخفيض) للمجموعة المسننية بأنها نسبة دوائر الخطوة للمسننات المتزاوجة.
توفر الأنظمة الكوكبية المتداخلة (تدعى أيضًا المسننات التداورية أو متحدة 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 أو الكامة (انظر أيضًا عمود الحدبات) وتدعى الوصلة المقودة بواسطة التماس المباشر بين سطحي الوصلتين باسم التابع. يحدد شكل سطحي التماس بين الحدبة والتابع حركة التركيبة الآلية.
التركيبات المرفقية
التركيبة المرفقية هي مجموعة من الوصلات المرتبطة بواسطة مفاصل. بصورة عامة، الوصلات هي العناصر البنيوية والمفاصل تسمح بالحركة. ربما يكون المثال الأكثر فائدة هو التركيبة رباعية الوصلات المرفقية المستوية (تدعى اختصارًا رباعية القضبان) لكن هناك العديد من التركيبات المرفقية الخاصة:
تركيبة واط المرفقية هي تركيبة رباعية القضبان ترسم خطًا مستقيمًا تقريبًا. كانت اكتشافًا ضروريًا لعمل محرك واط البخاري. ظهرت هذه التركيبة المرفقية أيضًا في أنظمة تعليق المركبات لمنع الحركة الجانبية للجسم بالنسبة للعجلات. انظر أيضًا مقالة الحركة المتوازية.
أدى نجاح تركيبة واط المرفقية إلى تصميم تركيبات أخرى ترسم خطوطًا مستقيمة تقريبية مثل تركيبة هويغنز وتركيبة تشيبيشيف.
ينتج عن تركيبة بوسيليير خرج على شكل خط مستقيم حقيقي من دخل على شكل حركة دائرية.
تركيبة ساروس هي تركيبة مرفقية فراغية ترسم حركة مستقيمة من دخل على شكل حركة دائرية.
تركيبتا كلان ويانسين اختراعان حديثان يولدان حركات تحاكي المشي بشكل مثير للاهتمام. وهما تركيبتان سداسية القضبان وثمانية القضبان على التوالي.
انظر أيضاً
آلة الفائدة الميكانيكية
مراجع
هندسة تطبيقية