الآلة ( Machine )
☰ جدول المحتويات
 |
 كيف تغير الآلة اتجاه الحركة |
صنع النّاسُ أنواعًا مختلفة من الآلات لأغراض مختلفة. فالقدامى صنعوا فؤوسًا حجرية لاستخدامها كأسلحة وكعدّة، وأعطت الآلات التي طُوّرت تدريجيًا النَّاس تحكُّمًا أكثر في البيئة المحيطة بهم. ولتشغيل هذه الآلات المطوّرة، سخّر الناس الطّاقة النّاتجة عن سقوط الماء، وكذلك الطّاقة النّاتجة عن احتراق الوقود والزيت والذَّرَّة. أما اليوم، فنحن نستخدم آلات عدّة لدرجة أن العصر الذي نعيشه يسمى أحيانًا بعصر الآلة.
مبادئ الآلات
تُنتج الآلة قوّةً وتتحكم في اتجاه وحركة هذه القوّة. ولكن لا تستطيع الآلة أن تخلق طاقة، فالعمل المنتج من قبل الآلة يكون دائمًا أقلَّ من الطّاقة التي استهلكتها الآلة. فالآلة فقط تحوّل نوعًا من الطاقة إلى نوع آخر، مثل الطّاقة الكهربائيّة يتمّ تحويلها إلى طاقةٍ ميكانيكية. وبعض الآلات، كمحرّك الديزل أو التوربين البخاري (العنفة البخارية)، تحوّل الطاقة مباشرة إلى حركة ميكانيكية.
على سبيل المثال، عندما يعبر البخار خلال عجلات التوربين فإنَّ طاقة هذا البخار تحوَّل إلى حركة دائريّة. ومن الممكن تحويل الطاقة الميكانيكية للتوربين إلى طاقة كهربائيّة عن طريق المولّد. أمّا بعض الآلات فتنقل فقط العمل الميكانيكي من جزء في الآلة إلى جزء آخر. وهذه الآلات تشمل الأنواع الستّة التي ستذكر لاحقًا. وقدرة الآلة على أداء العمل تقاس بعاملين هما: 1- الفعاليّة 2- الميزة الميكانيكية.
الفعاليّة:
فعاليّة (كفاية) الآلة هي النّسبة بين الطّاقة المنتجة والطّاقة المستهلكة من قبل الآلة. والآلات التي تنقل الطّاقة الميكانيكيّة فقط تكون فعاليتُها عادة حوالي 100%. ولكن بعض الآلات تكون فعاليّتها منخفضةً جدًّا تصل إلى 5%. وعمومًا لا توجد هناك أي آلة تعمل بفعالية 100% لأن احتكاك أجزاء هذه الآلة بعضها مع بعض يؤدي إلى استهلاك بعض الطّاقة، وجميع الآلات تنتج بعض الاحتكاك. ولهذا السّبب، فمن المستحيل إيجاد آلة دائمة الحركة. ★ تَصَفح: آلة الحركة الأبدية.والرافعة خيْرُ مثال على الآلة ذات الفعاليّة العالية. ★ تَصَفح: الرافعة. ولأن الطّاقة المستهلكة بالاحتكاك قليلة جدًا، فإن العمل المنتج يساوي تقريبًا الطّاقة المستهلكة من قبل الرّافعة. أما محرّك السّيارة ففعاليته منخفضة إلى حد 25% فقط، وذلك لأن معظم الطاقة النّاتجة عن احتراق الوقود تفقد في شكل حرارة تتسرب إلى الهواء.
الميزة الميكانيكية:
في الآلات التي تنقل فقط الطاقة الميكانيكية، تعرف الميزة الميكانيكية بالنسبة بين القوّة الناتجة عن الآلة والقوة المستهلكة من قبل الآلة. ومن الممكن شرح ذلك عن طريق العتلة التي تعتبر نوعًا من أنواع الرّافعات. فعندما يكون طرف العتلة تحت الثّقل، لابد أن يتكئ جزء منها على دعامة، وكلما قربت نقطة الارتكاز من الثقل قلَّ الجهد المطلوب لرفع الحمل بالضّغط على طرف العتلة، وزادت الميزة الميكانيكية للعتلة. مثلاً، إذا كان وزن الحمل 200 كجم والمسافة من الحمل إلى نقطة الارتكاز هي ربع المسافة من المقبض إلى نقطة الارتكاز فإن الوزن المطلوب لرفع الحمل هو 50كجم، لذلك تكون الميزة الميكانيكية أربعة إلى واحد. ولكن المسافة التي يتحركها الثّقل هي فقط ربع المسافة بين المقبض ونقطة الارتكاز.ستّ آلات بسيطة
تتكوّن معظم الآلات من أجزاء عدّة، مثل التّروس ومحمل الكريّات، وهي تعمل مع بعضها بعضًا بطريقة معقّدة. وبغض النظر عن مدى تعقيد هذه الأجزاء، فإن جميع الآلات تعتمد بطريقة أو بأخرى على ستّة أنواع من الآلات البسيطة. هذه الأنواع السّتة من الآلات هي الذراع الرّافعة، والعجلة والمحور، والبكرة، والسّطح المنحدر، والإسفين، والقلاووظ.
 |
االذراع الرافعة واحدة من أوائل الآلات البسيطة. تكمن ميزتها في المسافة القصيرة بين نقطة الارتكاز والثقل، والمسافة الطويلة بين نقطة الارتكاز ونقطة بذل الجهد. |
الذراع الرّافعة:
هناك ثلاثة أنواع أساسيّة من الأذرعة الرافعة اعتمادًا على نقطة توصيل الجهد، وموقع الثقل، وعلى موقع نقطة ارتكاز الرّافعة. ففي الفئة الأولى من الرّافعات، مثل العتلة، تكون نقطة الارتكاز عادةً بين الثّقل والجهد المبذول. أمّا في الفئة الثّانية من الرّافعات، مثل عربة اليد ذات العجلة الواحدة، فإن الثقل يقع بين نقطة الارتكاز والجهد المبذول. أما الفئة الثّالثة من الرّافعات، فيكون موقع الجهد المبذول بين الثّقل ونقطة الارتكاز، فمثلاً، عندما يرفع شخصٌ كُرَةً في كفه، يكون موقع الثّقل على اليد ونقطة الارتكاز هي الكوع، فالساعد يوفّر القوّة التي تحمل الكرة إلى أعلى. ★ تَصَفح: الرافعة، الذراع. |
العجلة والمحور بها حبل متصل بالمحور لرفع الثقل وقبضة ذراع التدوير هي نقطة بذل الجهد. والجهد أصغر من الحمل لأنها بعيدة عن المحور الذي هو نقطة الارتكاز. |
العجلة والمحور:
العجلة والمحور رافعة معدّلة، ولكن باستطاعتها أن تحرّك الثّقل مسافة أبعد من الرّافعة. ففي المِرفاع الذي يستخدم لرفع الماء من البئر، فإن الحبل الذي يحمل الثّقل يكون ملفوفًا حول محور العجلة. ويبذل الجهد من خلال قبضة العمود المرفقي الموجود في جانب العجلة. ويكون مركز المحور هو نقطة الارتكاز، فالميزة الميكانيكية للمرفاع تعتمد على النّسبة بين نصف قطر المحور والمسافة بين مركز المحور وقبضة العمود المرفقي.لآلة العجلة والمحور استخداماتٌ مهمة لغرض نقل البضائع الثقيلة بالدّحرجة وليس بالانزلاق. فالعجلة نفسها تعتبر من أهم الاختراعات على مدى الوقت. فهي تستخدم بكثرة في جميع أنواع الآلات.
 |
البكرة تتكون من عجلة، بإطارها الخارجي مجرى يمر عليه حبل. وتستخدم البكرة لتغيير اتجاه الجهد المبذول على طرف الحبل. وتستخدم البكرة والبكارة بكرتين أو أكثر لتقليل مقدار الجهد المطلوب لرفع الثقل. |
البكرة:
عجلة يمرّ عليها حبل أو حزام. وتعتبر من أنواع ا لعجلة والمحور. الفعالية الميكانيكية للبكرة المفردة هي واحد، لأن القوّة المؤثرة في الحبل في الاتجاه السفلي تساوي الثقل المرفوع بالطرف الآخر من الحبل الذي يمر على البكرة. والأهمية الرئيسية للبكرة الواحدة هي استطاعتها تغيير اتجاه القوّة. على سبيل المثال، فالشّخص يستطيع بكل سهولة أن يشدّ الحبل إلى أسفل مستخدمًا وزن جسمه لكي يرفع ثقلاً. ولكي تزيد الفعاليّة الميكانيكيّة، فإن بكرة واحدة توصل بدعامة ثابتة وأخرى توصل إلى الثّقل ويسمح لها بالحركة الحرّة. ★ تَصَفح: البكرة. |
السطح المنحدر عملية زحلقة الثقل إلى أعلى وذلك أسهل بكثير من رفع الثقل مباشرة إلى أعلى. وكلما زاد طول السطح قل الجهد المطلوب، ولكن مقدار الجهد المطلوب لا يقل عن جهد حمل الثقل مباشرة إلى أعلى. |
السطح المنحدر (المستوى المائل):
السطح المنحدر جهاز بسيط قلّما يبدو كآلة على الإطلاق. فالشخص العادي لا يستطيع رفع صندوق وزنه 100كجم لمسافة متر واحد لحمله في مؤخرة شاحنة. ولكن بوضع لوح خشبي طوله 4م من الشاحنة إلى الأرض، يتسنّى للشخص رفع ذلك الصّندوق بسهولة. وإذا انعدم الاحتكاك، فإن القوة المطلوبة لرفع الصندوق ستكون 25كجم تمامًا، فالميزة الميكانيكية للسّطح المنحدر هي طول السّطح المنحدر مقسومًا على الارتفاع العمودي. وتزيد الميزة الميكانيكية كلمّا قلّ ظلّ السّطح المنحدر. ولكن يجب حمل الثّقل مسافة أطول. وبإضافة أسطوانات دوارة، يصبح من الممكن صنع ناقلة أسطوانات دوّارة للتّقليل من الاحتكاك ولزيادة الفعالية. ★ تَصَفح: المستوى المائل. |
الإسفين ينقل قوة عالية إلى جانبيه عندما يضرب بمطرقة، فالإسفين النحيف أو ذو الشكل الانسيابي يعتبر أكثر تأثيرًا من الإسفين الغليظ. والميزة الميكانيكية للإسفين ذات أهمية عالية. |
الإسفين:
مقارب للسطح المنحدر. ويستخدم لرفع حمل ثقيل لمسافة قصيرة أو لفصل الأخشاب. وتستخدم المطرقة لطرق وإيلاج الإسفين. ويعتمد مدى تأثير الإسفين على زاوية طرفه الضئيل. وكلما صغرتْ هذه الزّواية، قلّت القوّة المطلوبة لرفع ثقل معين. |
القلاووظ سطح حلزوني منحدر. والمرفاع اللولبي يتركب من الرافعة والقلاووظ. وباستطاعته رفع حمل ثقيل بجهد قليل. لذلك لديه ميزة ميكانيكية عالية للأغراض العملية. |
القلاووظ (المسمار الملولب):
هو في الواقع سطح منحدر ملفوف بشكل حلزوني حول عمود. والميزة الميكانيكية للقلاووظ هي تقريبًا النسبة بين محيطه والمسافة التي يتقدّمها في كل دورة.المرفاع اللولبي:
كالذي يستخدم في رفع المنازل والهياكل الأخرى، يجمع بين فائدة القلاووظ والرافعة، فالميزة الميكانيكية للمرفاع اللولبي عالية جدًّا، ويكفي قليل من الجهد لرفع حمل ثقيل. ★ تَصَفح: القلاووظ.آلات التصميم
طوّر المهندسون آلات متخصّصة وجديدة، وذلك بدمج مبادئ الآلات البسيطة، وغالبًا ما تكون أجزاء هذه الآلات مُوَحّدة القياس، لذلك من الممكن استخدام هذه الأجزاء في آلات مختلفة لتؤدي وظائف مختلفة جدًّا. بعض الأجزاء المعروفة التي توجد في الآلات تشمل: محمل الكريّات، والتروس والمكابس، وبكرات السيور والقضبان الموصلة، والصّمامات، ووصلات الحركة العامة، وأعمدة إدارة مرنة.