يتحكم النظام الميكانيكي بالقدرة على إتمام المهام التي تشمل قوى وحركة. اشتق لفظ ميكانيكي من الكلمة اللاتينية ماكينا (machina)،[1] التي اشتقت بدورها من لفظ اليونانية الكلاسيكية: μαχανά (machana)، والإغريقية القديمة μηχανή ((mechane ويعني هذا "اختراع، آلة، محرك"[2]، و اشتقت هذه الكلمة من (μῆχος (mechos، و تعني "وسيلة أو إصلاح".[3]
يعرّف قاموس أكسفورد الأنجليزي،[4] "الميكانيكية" على أنها مهارة في التطبيق العملي لفن أو علم، خاص بطبيعة الآلة أو الآلات، و ترتبط بالحركة والقوى الفيزيائية أو تنتج عنها والخصائص التي يتم التعامل معها من قبل علم الميكانيكا. يتشابه تعريف قاموس ميريم ويبستر[5] مع التعريف السابق لصفة الميكانيكية، حيث يعرفها أنها مرتبطة بالآلات أو الأدوات.
يتكون النظام الميكانيكي من:
- مصدر للطاقة و مشغلات ميكانيكية تولد قوى و حركة.
- نظام أليات يحدد شكل الدخل إلى المشغل الميكانيكي، للحصول على خرج لتطبيق معين من القوى والحركة.
- نظام تحكم مزود بمجسات ليقارن خرج النظام بالأداء المرغوب به، ثم يعدل إشارة الدخل للمشغل الميكانيكي بناء على ذلك.
يمكن رؤية ذلك في محرك وات البخاري، حيث تنتج القدرة عن طريق تمدد البخار ليدفع المكبس ثم تحول ذراع التوصيل و الكامة الحركة الخطيةللمكبس إلى حركة دورانية لطارة تقود منظم الكرة الطائرة لتتحكم في صمام دخول البخار إلى إسطوانة المكبس.
يساعدنا فهم كيفية انتقال الطاقة خلال نظام ميكانيكي على فهم أداء الأجهزة المختلفة بداية من الرافعات و سلاسل التروس إلى السيارات و الأنظمة الألية.
مصادر الطاقة
في البداية، كان الجهد المبذول من الإنسان و الحيوان هو مصدر الطاقة الأساسي للألات، بينما كانت قوى الطاقة الطبيعية مثل الرياح و الماء هي من تدير الألات الكبيرة. و من أمثلة الألات المستخدمة:
الساقية
ظهرت النواعير في جميع أنحاء العالم منذ حوالي 300 عام قبل الميلاد، لتستخدم تدفق المياه في توليد حركة دورانية، تستخدم في طحن الحبوب و تشغيل الخشب، و إدارة ألات الغزل و النسيج. و في العصر الحديث، ظهرت التوربينات المائية التي تستخدم تدفق المياه من السدود لإدارة مولدات الكهرباء.
طاحونة الهواء
استخدمت طواحين الهواء الأولية طاقة الرياح لتوليد حركة دورانية، تستخدم لأجل عمليات الطحن. تدير أيضا توربينات الرياح الحديثة مولدات كهرباء، حيث تستخدم هذه الكهرباء لإدارة محركات كهربائية (مواتير) تشغل مشغلات الأنظمة الميكانيكية.
المحرك
اشتقت كلمة محرك من كلمة "إبداع" (ingenuity)، و ترجع أصلا إلى الإختراعات التي ربما تكون أجهزة فعلية و ربما لا. و يمكنك الأطلاع على تعريف قاموس ميريم ويبستر أيضا لكلمة محرك. يستخدم المحرك البخاري الحرارة لغلي الماء الموجود في وعاء ضغط، لينتج البخار، حيث يتم استخدامه في دفع مكبس أو إدارة تربينة. يمكن رؤية نفس نظرية العمل في أيوبيل بطل إسكندرية -تربينة بخارية نصف قطرية بسيطة، ليس بها ريش-. و يصنف المحرك البخاري كمحرك إحتراق خارجي.
بينما يصنف محرك السيارة كمحرك إحتراق داخلي لأنه يحرق الوقود (تفاعل كيميائي طارد للحرارة) داخل إسطوانة، و يستخدم الغازات الناتجة المتمددة في دفع مكبس. و في المحرك النفاث، يستخدم ضاغط لضغط الهواء، ثم يضاف إليه الوقود و يحرق في غرفة الإحتراق، ثم تدخل الغازات مرتفعة الضغط و الطاقة على تربينة غازية لتتمدد الغازات، ثم تخرج من التربينة إلى فوهة حيث تتحول طاقةالضغط المتبقية في الغازات إلى طاقة حركة، لتنتج قوة دفع تدفع الطائرة. و يصنف أيضا المحرك النفاث كمحرك إحتراق داخلي[6].
محطة الطاقة
في المحطات البخارية تستخدم الحرارة الناتجة عن إحتراق الفحم و الغاز الطبيعي في الغلاية، لتوليد البخار اللازم لإدارة تربينة غازية و التي بدورها تدير مولد كهرباء. بينما في محطات الطاقة النووية، تستخدم الحرارة المتولدة من المفاعلات النووية في توليد البخار، و من ثم استخدامه في توليد الكهرباء. يتم توزيع الطاقة الكهربية المنتجة من خلال شبكة من خطوط النقل إلى الاستخدام الفردي و الاستخدام الصناعي.
المواتير
تستخدم المواتير الكهربية إما التيار المتردد أو التيار المستمر لتوليد حركة دورانية. تستخدم المواتير المؤازرة (Servo motors) لتشغيل الأنظمة الميكانيكية بداية من الأنظمة الألية إلى الطائرات الحديثة.
طاقة المائع
تستخدم الأنظمة الهيدروليكية و أنظمة الهواء المضغوط، مضخات كهربية لضخ الماء -في حالة النظام الهيدروليكي- أو الهواء داخل إسطوانات لتوليد حركة خطية.
الأليات
تتكون إليه (Mechanism) نظام ميكانيكي من مجموعة أجزاء تُسمى بعناصر الألة. هذه العناصر تمثل هيكل النظام كما تقوم بالتحكم في حركته.
بشكل عام، تكون أجزاء الهيكل عبارة عن مكونات الأطار،كراسي تحميل (رولمان بلي)، يايات، عوازل، مثبتات و أغطية. يمثل شكل و لون و ملمس الأغطية، الواجهة التصميمية و التشغيلية بين النظام الميكانيكي و مستخدميه.
تُسمى أيضا تجميعة الأجزاء التي تتحكم بالحركة "الأليات"[7][8]. و يمكن تصنيف أليات التحكم في الحركة بشكل عام إلى:
- تروس
- سلاسل التروس، و تشمل محركات السير
- حدبة (كامة)
- أليات التوابع و الوصلات.
كما يوجد هناك بعض الأليات الخاصة مثل:
- وصلات الشد
- محرك جنيف
- ميزان الساعة
و ألات الاحتكاك مثل المكابح و التعشيق بالسيارة (Clutch).
تعتمد عدد درجات الحرية -عدد حركاتها المختلفة- أو التحركية للألية على عدد الوصلات و المفاصل و أنواع المفاصل المستخدمة لبناء الألية. تعرف التحركية العامة للألية أنها عدد الحركات الغير مقيدة للوصلات و عدد القيود الموضوع بواسطة المفاصل. و توصف درجة الحرية بواسطة معيار شيبيشيف جربلر كوزباك.
أجهزة التحكم
تجمع أجهزة التحكم بين المستشعرات و المنطق و المشغلات الميكانيكية، للمحافظة على أداء مكونات الألة. ربما أفضل متحكم معروف، هو منظم الكرة الطائرة (Fkyball governor) للمحرك البخاري. الأمثلة على هذه الأجهزة تتراوح من منظم الحرارة، الذي يقوم بفتح صمام الماء البارد عند ارتفاع درجة الحرارة، إلى نظام التحكم في السرعة في السيارات. و لقد استبدلت ألات التحكم المبرمجةالمبدلات الكهربية -المفاتيح- (Relay) (تستخدم في فصل و تمرير الإشارة) و أليات التحكم الخاصة، بحاسب ألي مبرمج. و تعتبر محركات السيرفو التي تعمل على استجابة عمود الدوران للإشارة الكهربية، هي ما جعلت الأنظمة الألية ممكنة.
مقالات ذات صلة
مراجع
- The American Heritage Dictionary, Second College Edition.
- "μηχανή", Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus project نسخة محفوظة 19 يناير 2017 على موقع واي باك مشين.
- "μῆχος", Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus project نسخة محفوظة 19 يناير 2017 على موقع واي باك مشين.
- Oxford English Dictionary
- Merriam-Webster Dictionary Definition of mechanical
- "Internal combustion engine", Concise Encyclopedia of Science and Technology, Third Edition, Sybil P. Parker, ed. McGraw-Hill, Inc., 1994, p. 998 .
- Reuleaux, F., 1876 The Kinematics of Machinery, (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.