التكنولوجيا والعلوم التطبيقية

آلية عمل “التوربين المائي” والتحديثات المستمرة له عبر الزمن

2016 عصر البخار

جون كلارك

KFAS

التكنولوجيا والعلوم التطبيقية

الدولاب المائي من أقدم آلات إنتاج الطاقة. استمر استخدام الدولاب المائي حتى القرن التاسع عشر، عندما انكسف وجهه تدريجياً بظهور الآلة البخارية – لكن هناك آلة أخرى تستخدم طاقة المياه – التوربين (أو العنفة) المائي – ومازال مستخدماً في المحطات الهيدروكهربائية لتسخير طاقة المياه الجارية.

يعتبر الدولاب المائي آلة ذات كفاءة متدنية في مجال توليد الطاقة نظراً لهدر جزءٍ كبيرٍ منها عند سقوط المياه على حواف المجاديف (أو الشفرات). لكن المجاديف، أو الشفرات، في التوربين المائي تحاط بصندوق لمنع المياه من الفيضان على الجانبين، وبذلك تحول طاقة المياه الجارية كلها إلى الشفرات.

صك المهندس الفرنسي كلود بوردن (١٧٩٠-١٨٧٣) مفردة التوربين عام ١٨٢٤، كما أن أغلبية التحسينات الأولى على التوربين المائي جرت في فرنسا. في عام ١٨٢٦ شمر طالب الهندسة الفرنسي بينو فورنيرو (١٨٠٢-٦٧)، وهو أحد تلامذة بوردن، ساعده للعمل على ابتكار توربين ناجح مدفوعاً برغبته للحصول على جائزة بمبلغ ٦,٠٠٠ فرنك فرنسي رصد لمن ينجح في المهمة.

فاز فورنيرو بالجائزة عام ١٨٣٣ بابتكاره آلة تنتج قدرة ٥٠ حصاناً ميكانيكياً. كان التوربين من نوع التوربينات التفاعلية ذات الدفع الخارجي ويحتوي دولابه على ٣٠ شفرة بطول ١٢ بوصة (٣٠ سم) لكلٍ منها. كما تبلغ سرعة دوران الدولاب ما يربو على ٢,٠٠٠ دورة في الدقيقة. بحلول عام ١٨٥٥ ظهرت بعض أنواع توربينات فورنيرو تنتج طاقة تقارب ٨٠٠ حصان ميكانيكي.

 

في حوالي عام ١٨٢٠ صمم عالم الرياضيات والمهندس الفرنسي جين – فكتور بونسلييه (١٧٨٨-١٨٦٧) توربين طرد مركزي ثبتت شفراته على مقربة من محور الدولاب ويوجه الماء نحو مركزه لإداراته. إشتهر التوربين بالتوربين الدوامي وسجل صامويل هاود (لصالح بونسلييه) براءة إختراعه في الولايات المتحدة عام ١٨٣٨.

وفي عام ١٨٤٠ استحدث المهندس الإيرلندي الأصل جيمس تومسون (١٨٢٢-٩٢) في إنجلترا طريقة للتحكم داخلياً في معدل سريان المياه إلى شفرات التوربين. من جانبه أجرى المهندس الأمريكي أوريا بويدن (١٨٠٤-٧٩) عدداً من التحسينات على التصميم الأصلي عام ١٨٤٤.

سجل تومسون براءة اختراع تصميمه في بلفاست عام ١٨٥٠. تكون التوربين الدوامي من دولاب في وضعٍ أفقي وشيد التصميم الأخوان وليامسون في إنجلترا.

 

هناك ثلاثة أنواع رئيسة من التوربينات الحديثة سميت بأسماء مخترعيها. ابتكر المهندس الأنجلو – أمريكي جيمس فرانسس (١٨١٥-٩٢) توربينه عام ١٨٤٩، وهو نوع تفاعلي شفراته محتواة كلياً داخل صندوق. لتوربين فرانسس دولاب أفقي مغمور تحت الماء ثبتت عليه ٢٤ شفرة محدودبة (منحنية أو معكوفة).

يحيط بشفرات الدولاب مجموعة من الزعانف المروحية تعمل دليلاً لتوجيه المياه الجارية نحو الشفرات. ويعمل توربين فرانسس بشكل أفضل تحت ظروف ضغط ماء متوسط. هاجر فرانسس من إنجلترا إلى الولايات المتحدة عام ١٨٣٣ حيث عمل في البداية في مجال تشييد السكك الحديدية. عين فرانسس عام ١٨٣٧ رئيس مهندسي هويسات وقنوات نهر ميرماك وصمم في وظيفته الجديدة توربينه بهدف إستغلال طاقة مياه النهر.

اخترع المهندس الأمريكي لستر بلتون (١٨٢٩-١٩٠٨) الدولاب المعروف باسمه عام ١٨٧٠، وذلك بتحسين دواليب المياه التي كانت تستخدم لتوفير الطاقة اللازمة لاّلات مناجم الذهب في كاليفورنيا. يعتبر توربين بلتون نوعاً من توربينات الدفع يتم فيه نفث المياه من فوهة لتسقط بقوة على شفرات التوربين المصممة على شكل دلاء وينتج عن ذلك دوران الدولاب.

 

لتوربين بلتون دولاب بوضع عمودي مثبت على محور أفقي، ويعمل بكفاءة أعلى تحت ظرف ضغط المياه العالي. سجل بلتون براءة إختراعه عام ١٨٨٠ وباع في وقتٍ لاحقٍ حقوق الإختراع لشركة بلتون لدواليب المياه في سان فرانسسكو. تبلغ كفاءة التوربينات الحديثة لنوع بلتون حدوده ٩٠ في المئة.

كما أن توربين كابلان، وهو من ابتكار مهندس الميكانيكا النمساوي فكتور كابلان (١٨٧٦-١٩٣٤) عام ١٩١٣، توربين تفاعلي أيضاً مصمم للعمل تحت ضغط منخفض لتيارات المياه البطيئة.

 

يضم دولاب التوربين ثماني شفرات على الأقل تختلف في حزوزها، وبذلك تشبه الشفرات زعانف مراوح الدفع المنصوبة عمودياً في السفن.

ويعتبر توربين كابلان أكثر الأنواع استخداماً في المحطات الكهرومائية ومحطات طاقة المد الكهرومائية.

مجلة العلوم
‫‪الهرمونات الجنسية  تفسر سبب إصابة الرجال أكثر بالفيروس
قلم:       ميريديث وادمان
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
في يناير ذكرت إحدى أولى النشرات العلمية عن المصابين بفيروس كورونا المستجد  Novel coronavirus في ووهان بالصين، أن ثلاثة من كل أربعة أدخلوا المستشفى كانوا ذكورًا. ومنذ ذلك الوقت أكدت بيانات من مختلف أنحاء العالم أن الرجال يواجهون خطرًا أكبر للإصابة بمرض شديد أو الوفاة، وأن الأطفال مستَثْنَوْن بشكل كبير. مؤخرًا، توصل العلماء الذين يبحثون في الكيفية التي يؤدي  الفيروس بها إلى الوفاة ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪دراسات كبيرة تذوي آمال عقار الهيدروكسي كلوروكوين
قلم:      كاي كوبفرشميدت
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
تغطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر Pulitzer Center.
عبر ضباب مزاعم الاستغلال، والأمل، والمبالغة في الدعاية، والتسييس الذي يكتنف الدواء هيدروكسي كلوروكوين Hydroxychloroquine، دواء لعلاج الملاريا Malaria الذي أعلن عنه كعلاج لمرض كوفيد-19 COVID-19، تبدأ حاليا الصورة العلمية بالتجلي.
الهيدروكسي كلوروكوين الذي أثنى عليه رؤساء كمعجزة شفائية محتملة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪الإشكاليات الطبية لمرض كوفيد 19
. جمال المطر اختصاصي في أمراض الأذن والأنف والحنجرة، الكويت
تعد الكائنات الحية الدقيقة والفيروسات من العوامل الممرضة الشائعة للإنسان، ويتميز بعضها عن بعض بعدد من الخصائص والسمات. فبعض الفيروسات يصيب النباتات وبعضها يصيب الحيوانات، وهناك أنواع تصيب الإنسان مسببة له أمراضاً متنوعة مثل متلازمة عوز نقص المناعة المكتسبة الإيدز، والتهاب الكبد الفيروسي، والحصبة. ويشهد العالم حاليا أول جائحة يسببها فيروس كورونا الذي ينتمي إلى فصيلة فيروسات واسعة ... (قراءة المقال)
‫‪مجرة درب التبانة و جيرانها
لسلام عليكم .. في كثير من حلقات البرنامج السابقة تكلمنا عن اهم عناصر المجموعة الشمسية التي نعيش فيها من كواكب و أقمار و كيوكبات و احزمة .. و انتهينا بشرح عن بلوتو و حدود المجموعة الشمسية .. ولكن هذه المجموعة تقع و تدور ضمن كيان و محيط اكبر .. و هي المجرة التي نعيش فيها و تحوي الملايين و الملايين من النجوم المشابهة لشمسنا و غيرها من الشموس و نطلق عليها درب التبانة .. في هذه الحلقة سنسافر في رحلة كونية بعيدة نتعرف فيها على بنية المجرة و مكوناتها ... (قراءة المقال)
أخبار العلوم
‫‪التعديل الوراثي التخلّقي يصل إلى الحمض النووي الريبي
قلم: كين غاربر، في شيكاغو بولاية إلينوي
ترجمة: صفاء كنج
انتقلت فكرة تأثير الواسمات الكيميائية في الجينات على تعبيرها الخارجي دون تغيير تسلسل الحمض النووي اختصاراً: الحمض DNA من كونها مسألة مفاجئة في الماضي إلى أن صارت مادة مقبولة تُدرس في الكتب.
ظاهرة التعديل الوراثي التخلقي Epigenetics، وصلت إلى الحمض النووي الريبي المرسال اختصاراً: الجزيء mRNA، وهو الجزيء الذي يحمل المعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى مصانع تصنيع البروتين في ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هل تنجح هيئة الخدمات الصحية في مشروع تتبع الاتصالات الذي تعده؟
جرّب الفرع الرقمي لهيئة الخدمات الصحية الوطنية اختصاراً: الفرع NHSX تطبيقا App سيخبرك ما إذا خالطت أي شخص ظهرت عليه أعراض كوفيد -19. ولكن ما هي التكلفة المترتبة على خصوصيتك جراء ذلك؟
إن أحد التحديات الكبيرة التي تطرحها مكافحة فيروس كوفيد-19 COVID-19 هو أنه معدٍ قبل ظهور أي أعراض على الأشخاص المصابين به. ويمكن أن يساعد تتبع الأشخاص الذين اختلطوا بالمصاب على الحد من انتشار الفيروس، من خلال معرفة عدد الأشخاص الذين ربما نقل إليهم المريض ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪العناكب تفكّر بشباكها، متحدّية مفاهيمنا عن الذكاء
قلم:    ديفيد روبسون
ترجمة: آية علي
هناك ذكاء غريب يعيش بيننا. تمتلك هذه المخلوقات نوعًا استثنائيا من الوعي يشمل عقولًا تتجاوز حجم أجسادها. ومع ذلك، وبفضل جهلنا وغرورنا، يكون دافعنا الفوري قتلها.
هذا ليس خيالا. فهذه الأدمغة الغريبة تختبئ بالفعل في ظلال منازلنا وحدائقنا: العناكب. لطالما افترضنا أنها، مثلها مثل العديد من اللافقاريات Invertebrates، تكاد تكون آليّة Automata، وتفتقر إلى حياة داخلية. ولكننا نكتشف الآن أن بعض العناكب ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هذه الجينات لا تكذب
دم راذرفورد AdamRutherford@ عالم الوراثيات وكاتب ومذيع. يقدم مجلة BBC Radio 4 الأسبوعية الرائدة داخل العلم Inside Science، ويشارك في عرض الحالات الغريبة لراذرفورد وفراي Curious Cases Of Rutherford & Fry مع الدكتورة هانا فراي Hannah Fry. أجرت المقابلة مساعدة تحرير BBC Science Focus  إيمي باريت Amy Barrett.
ما الذي دفعك إلى كتابة هذا الكتاب؟ تلتقي في هذا الكتاب ثلاثة أمور مهمة في حياتي الشخصية والمهنية. الأول هو أنني اختصاصي بعلم ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هل تشعر الأسماك بالملل في أحواض الأسماك؟
وكاس هندمارش، شمال ستافوردشايرLukas Hindmarch, North Staffordshire
نحن نعلم أن طبيعة حوض السمك سيكون لها تأثير في دماغها وسلوكها. وعندما يُربّى سمك السلمون الصغير في حوض ممل؛ فإنها تطور مخيخاً Cerebellum صغير الحجم جزء من الدماغ ينظم الحركة مقارنة بسمك السلمون الذي توضع في حوضه صخور ونباتات لاستكشافها. كما صار سمكُ القد المربى في أحواض مزينة أفضلَ في تعلم كيفية اصطياد الفرائس، وكذلك في التعافي بشكل أسرع من الإجهاد بعد تعريضه لهجوم من حيوان ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هل شفرةُ الحلاقةِ المزودة بشفرات أكثر أفضل فعلاً؟
ولين رولي، عبر البريد الإلكتروني Colin Rowley, Via email
عندما تكون شفرة الحلاقة متعددة الشفرات ترفع الشفرة الأولى الشعر قليلاً وهي تقطعه. وقبل أن تتاح للشعر فرصة للعودة إلى داخل الجلد، تصله الشفرة التالية وتقطع مزيداً منه. وينتج من هذا حلاقة ليست في مستوى بشرتك فحسب، لكن في الواقع تحته قليلاً. ومن الطبيعي أن يخضع ذلك لقانون الإنتاجية المتناقصة Law of diminishing returns، لكن شفرة الحلاقة ذا الشفرات الإضافية توزع أيضاً ضغط خرطوشة الشفرة ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هل يمكننا إنقاذ الحشرات؟
ارني تشيسترتون Marnie Chesterton هي مقدّمة برنامج هل يمكنني إنقاذ الحشرات؟ يمكن متابعة الحلقة من برنامج CrowdScience على bbcworldservice.com/crowdscience
انضممنا للعاملين في برنامج كراود ساينس CrowdScience علم التعهيد الجماعي في قناة BBC الإذاعية للإجابة عن أسئلتكم في موضوع واحد. يمكنكم الاستماع لبرنامج كراود ساينس مساء كل جمعة على قناة BBC الإذاعية، أو الاستماع عبر الانترنت على الرابط bbcworldservice.com/crowdscience
هل يمكن للحشرات ... (قراءة المقال)