أدوات

مبدأ عمل “الآلة البخارية”

2016 عصر الثورة العلمية

جون كلارك

KFAS

أدوات التكنولوجيا والعلوم التطبيقية

منذ زمن قدماء المصريين وحتى نهاية القرن السابع عشر ميلادي وفرت قوتا الرياح والمياه البديلان الوحيدان لقوة عضلات الإنسان والحيوان.

لكن الوضع تغير بشكل دراماتيكي مع اختراع الآلة البخارية التي شملت سلسلة من الأحداث والتطورات بدأت عام 1690 وتوجت عام 1765 بابتكارات جميس وات.

لم تستخدم آلات البخار الأولى ضغط البخار لتوفير القدرة لإدارتها، بل استخدمت ضغط الهواء الجوي. ولهذا السبب سميت تلك الآلات بالآت الهواء الجوي، وهو تعبير أدق دون شك.

كان الفيزيائي الفرنسي دينس بابن (١٦٤٧ – ١٧١٢) أول من ابتكر آلة الهواء وذلك خلال عمله في إنجلترا.

 

تتكون آلة الهواء من أسطوانة مفتوحة من الأعلى توضع بشكل عمودي مع مكبس مغلق يحتوي على الماء منطابقٍ بمقاييسه داخل الأسطوانة. وبتسخين قاعدة الأسطوانة يغلي الماء ليتحول بخاراً فيرفع ضغط البخار المكبس إلى الأعلى ليبقي مرتفعاً خلال فترة تبريد الأسطوانة.

يتكثف البخار داخل المبكس إلى ماء سائل فينتج بذلك فراغاً (خلاء) جزئياً داخل الأسطوانة. نتيجة لذلك يدفع الضغط الجوي المطبق على السطح العلوي للمكبس المكبس إلى الأسفل. وبربط حبل يمر على بكرة ملساء يمكن رفع حمل مربوط بالطرف الآخر من الحبل أو للعمل كمضخة.

سجل مهندس التعدين الإنجليزي توماس سيفري (حوالي ١٦٥٠ – ١٧١٥) عام ١٦٩٨ براءة اختراع آلة قريبة من آلة الهواء لكنها عملية أكثر فمثلت بذلك نواة مضخة البخار.

لم تحتو آلة سيفري مكبساً أو أجزاء أخرى قابلة للحركة، بل احتوت صمامات تفتح وتغلق يدوياً لتوفر تشغيلاً متواصلاً للآلة. استند مبدأ عمل الآلة على إمرار بخار ماء تنتجه غلاية إلى غرفة الشغل المزودة برشاشات تنفث رذاذ ماء بارد تعمل على تكثيف البخار.

 

وبفعل الفراغ (الخلاء) الجزئي الناشئ في الغرفة يرتفع الماء من خلال صمام ذي اتجاه واحد إلى الغرفة. بالسماح للبخار بالدخول إلى الغرفة مرة أخرى يندفع الماء خارج الغرفة وإلى الأعلى عبر صمام آخر أحادي الاتجاه.

في عام ١٧١٢ طور المهندس الإنجليزي توماس نيوكومون (١٦٦٣ – ١٧٢٩)، إلى حد الكمال، أول آلة تستخدم ضغط البخار لتشغيل مكبس. ونظراً لطريقة تصميم آلات نيوكومون أصطلح الناس على تسميتها بالآلة العمودية.

لم يتمكن نيوكومون من تسجيل براءة اختراع لآلته نظراً لتشابه عملها مبدئياً من عمل آلة سيفري، ولذلك كون الرجلان شركة لإنتاج آلات البخار.

 

بقي وضع تطور آلة البخار على حاله حتى عام ١٧٦٤ عندما استلم المهندس الإسكتلندي جيمس وات (١٧٣٦ – ١٨١٩) إحدى نماذج آلة نيوكومون لتصليحها. استرعى انتباه وات كمية الطاقة الكبيرة التي تهدر في تسخين الأسطوانات وتبريدها بعد ذلك.

وفي عام ١٧٦٥ هداه تفكيره إلى إضافة مكثف خارجي منفصل إلى آلة نيوكومون. علاوة على ذلك استخدم وات البخار لدفع المكبس إلى الأعلى وتياراً من البخار منخفض الضغط من الناحية الثانية لدفعه إلى الأسفل بعد ذلك. كانت نتيجة الفعل المزدوج للبخار رفع كفاءة الآلة بشكل كبير.

تمثل التطور التالي في زيادة ضغط البخار في الآلة – ما يعرف بحسب المصطلح المستخدم اليوم «البخار الشديد». لكن هذا التطور لم يكن ليحدث لولا التطور في صنع الأسطوانات المناسبة لتكون أكثر التصاقاً بجدران المكابس وتطور غلاياتٍ أكثر أماناً تحت ظرف الضغط العالي للبخار.

 

تحققت هذه الانجازات عام ١٨٠٠ عندما انتهت مدة صلاحية براءة اختراع وات. في العام التالي بدأ المخترع الإنجليزي ريتشارد ترفثك (١٧٧١ – ١٨٣٣) إنتاج الآلات مزدوجة الفعل تستخدم البخار عالي الضغط. استبعد ترفثك المكثف الخارجي واستخدم البخار المهدور ليسخن تيار الماء الداخل إلى الغلاية.

وخلال أربع سنوات أنتج ٥٠ آلة من النوع الجديد استخدم معظمها في المناجم البريطانية وفي بيرو وأجزاء أخرى من أمريكا الشمالية في وقت لاحق.

من سمات آلات البخار الأولى حركة المكابس عمودياً (إلى الأعلى والأسفل). لكن، وباستثناء المضخات، كانت المحركات الصناعية بحاجة إلى مصدر للحركة الدورانية. واعتمد عمل هذه المحركات، قبل دخول عصر آلة البخار، على دواليب المياه.

بحلول عام 1781 نجح وات في ابتكار المسننات المعروفة بمسننات الشمس والكواكب التي ساهمت في توفير حركة دورانية للآلات المتصلة بها.

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)
التقدم العلمي
‫‪النظائر المشعة وفوائدها الطبية
لمهندس أمجد قاسم
ترتبط كلمة الإشعاعات لدى كثير من الناس بالأخطار والكوارث النووية، إلا أن الحقيقة تدحض بعض تلك المزاعم، فعلى الرغم من أخطار بعضها، فإن لكثير من تلك الإشعاعات دوراً مفيداً للإنسان، وقدمت خدمات جليلة على امتداد نحو قرن من الزمن. علماً أنه في كل لحظة تخترق أجسامنا آلاف الأنواع من الأشعة، ولم يعرف الإنسان ماهيتها حتى وقت قريب نسبياً، بعد أن تنبه عدد من الباحثين لها، وجرى الكشف عن أنواعها وهويتها وفوائدها وأضرارها.
الإشعاع ... (قراءة المقال)
‫‪علوم و فنون انترسلتر - الجزء الأول
لسلام عليكم .. في الحلقة الماضية تكلمنا عن اهم الأفلام التي صنعت في مجال الفضاء و الكونيات .. واستعرضت قائمة من ١٠ أفلام تكلمت فيها باختصار عن كل فلم و اهم مميزاته العلمية والفنية .. و كان فلم انتيرستيلر قد حل في المركز الاول و قد وعدت بان اخصص حلقة كاملة لشرح اهم المفاهيم العلمية التي طرحت في الفلم ..ولكن بعد مراجعة تفاصيل الفلم تبين انه من الأفضل ان اقسم المفاهيم التي سأطرحها الى حلقتين  .. حلقة أولى سأتكلم بنبذة بسيطة عن بذور ولادة هذا الفلم ... (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)
التقدم العلمي
‫‪أسلحة جيش الطين الصيني
الحفريات أظهرت جيشا كاملا من الجنود مع أسلحتهم البرونزية والخيول بالحجم الطبيعي ربما دفنوا قبل نحو 2000 عام. خصائص التربة التي دفنت فيها الأسلحة ولاسيما الأسُّ الهيدروجيني القلوي المعتدل وحجم الجسيمات الصغير تساعد على الحماية من تآكل المعادن.  نورا واصل كاتبة علمية، اليمن
   على مدار عقود عديدة ساد اعتقاد مفاده أنه منذ أكثر من ألفي عام، في عهد تشين شيهوانغداي، الذي أعلن نفسه أول إمبراطور للصين في عام 221 قبل الميلاد، طوّرت تقنية ... (قراءة المقال)