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.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]