قصة اختراع الالة البخارية كاملة
يمكنكم اخواني واخواتي المعلمين والمعلمات ان تقصوا على طلابكم باختصار او بقليل من التفصيل هذه
القصة فقد قصتها علينا معلمتنا وانا طالبة في الابتدائي وما زلت اقدر جهود العماء واتذكر
تلك القصة الى الان
مع التحية
تطور الالة البخارية
مقدمة :-
منذ نهاية القرن الثامن عشر كان التقدم والتطور في العلوم الطبيعية مصحوبا بتقدم سريع في
التكنولوجيا. ويمكن تتبع العلاقة المتبادلة بين تطور العلوم الطبيعية والتكنولوجيا على مدى تاريخ العصر الحديث
كله.ففي النصف الثاني من القرن الثامن عشر والنصف الاول من القرن التاسع عشر ظهرت وتطورت
الالات البخارية وظهر من الفيزياء علم جديد هو الديناميكا الحرارية. وبسبب الاستخدام الواسع للالات البخارية
في وسائل النقل سميت هذه الفترة الزمنية ب (( عصر البخار )) وفى نهاية القرن
التاسع عشر وبداية القرن العشرين ظهرت وتطورت الالات الكهربائية واخترع العديد والعديد من الاختراعات المدهشة
وبرز من الفيزياء علوم الفيزياء الكهربية وكان الاستخدام الواسع للطاقة الكهربائية سببا في تسمية هذه
الفترة الزمنية ب (( عصر الكهرباء )) وفى النصف الثاني من القرن العشرين استخدمت الطاقة
الذرية في الاغراض السلمية وبدا (( عصر الذرة )) وفى مطلع الستينات بدا غزو الفضاء
واعتبر النصف الثاني من القرن العشرين (( عصر الفضاء )) والان ومع الطور المذهل في
وسائل الاتصال وتبادل المعلومات يمكن اعتبار العصر الحالي (( عصر المعلوماتية )) ولذلك يتضح لنا
مدى الدور الذي تلعبه الفيزياء في جميع المجالات. وسبحان الله الذي علمنا ما لم نكن
نعلمه والحمد لله الذي فتح علينا بهذا العلم .
الالة البخارية
حداد ماهر الماني عام 1630م وطفل الماني يكون اتجاه العالم الى الالة البخارية على يديهما!!!
شيء لا يصدق ولكنها الحقيقة .. و القصة بكاملها هي : صنع الحداد في عام
1630م ابريقا رائعا له غطاء محكم لا يدخل من خلاله اي بعوضة او نملة واكثر
من صنع هذه الاباريق.
اشترت ام الطفل الالمانية هذا الابريق وكل صباح تطبخ الشاي والحليب فيه ثم ان بخار
الماء صار يدفع غطاء الابريق الى الاعلى فاذا ابعد عن النار هبط الغطاء، واذا اقترب
من النار ارتفع من جديد.
الطفل الصغير كان يفكر كل يوم وهو ذاهب الى المدرسة بهذا البخار والغطاء والحركة وكبرت
الفكرة لديه، ولما صار شابا عزم على تجربة طرق الحديد والنحاس لصنع مراوح تدور بالبخار،
لقد نجح في صنع اول الة بخارية قادرة على سحب دلاء الماء من الانهار ..
جاء كبار التجار اليه طالبين منه صنع الات بخارية وكان الشاب يسالهم: كم حصانا تستخدمه
لسحب الماء؟ ثم يصنع الالة بقدر الاحصنة ومن هنا انبعثت فكرة (حصان بخاري ميكانيكي) ..
وينجح (جول) وهو صديق لذاك الشاب في صنع الات بخارية اخرى.
فمن يصدق ان حدادا وطفلا يغيران مجرى تاريخ البشرية، فمن الالة البخارية صنعت الات النسيج
1720م والمراكب البخارية 1750 والقطارات 1807م والمولدات التي تدير وتنتج الكهرباء 1880م.
حقا المهارة تؤدي الى مهارة والابداع يولد ابداعا اخر .. فمهارة الحداد ولدت مهارة صنع
الالات البخارية.
المحرك البخاري
المحرك البخاري الة تعمل بطاقة تمدد البخار. ويستخدم البخار في دفع المكابس التي تدير عجلات
القاطرات القوية، او يمكن استخدامه في تدوير توربينات ضخمة تحرك مولدات كهربائية، وعابرات محيطات عملاقة.
وتدار بالبخار ايضا المضخات الكبيرة، ومعدات الحفر وانواع اخرى كثيرة من الالات القوية.
كان ابتكار المحرك البخاري في القرن الثامن عشر قد مكن من ظهور الصناعة الحديثة. وحتى
ذلك الوقت كان الناس يعتمدون على قوة عضلاتهم او قوة الحيوان او قوة الرياح او
قوة المياه. ولكن محركا بخاريا واحدا يمكنه ان يقوم بعمل مئات الخيول. ويستطيع المحرك ان
يمد كل الالات في مصنع ما بالقدرة اللازمة. وتستطيع القوة البخارية ان تجر قطار شحن
محملا بالبضائع الثقيلة، مسافات طويلة خلال يوم واحد. وقد وفرت البواخر البخارية وسيلة انتقال امنة
وسريعة.
كيف تعمل محركات البخار
كيف يعمل المحرك البخاري البخار يشغل الالة بالدفع اولا على احد اوجه المكبس ثم على
الوجه الاخر. ويوجه صمام منزلق البخار من وجه الى اخر. وفي الشكل (الى اليسار) يدخل
البخار من الجانب الايسر للاسطوانة ويدفع المكبس الى اليمين. وحالما يتحرك المكبس يدير ذراعه الحذافة
مقدار نصف دورة. وحين يصل المكبس للناحية اليمنى من الاسطوانة (في الشكل اعلاه) يتحرك الصمام
المنزلق ويدفع البخار ليسري خلف المكبس مرة اخرى. يوجه البخار المكبس على التحرك الى الجهة
اليسرى. وعندئذ يجذب ذراع المكبس الحذافة لتكمل دورة واحدة، ويخرج البخار في الناحية اليسرى من
الاسطوانة عبر مخرج العادم.
لا ينتج المحرك البخاري القدرة، ولكنه يستخدم البخار لتحويل طاقة الحرارة الناشئة عن احتراق الوقود
الى حركة دورانية او حركة الى الامام والخلف، لاداء شغل معين. ولكل الة بخارية فرن
يحرق فيه الفحم الحجري او الزيت او الخشب او اي وقود اخر لانتاج طاقة حرارية.
وفي محطات القدرة الذرية يحل المفاعل محل الفرن، وتنشا الحرارة من انشطار الذرات. انظر: المفاعل
النووي. ولكل الة بخارية مرجل (غلاية) تتم داخله احالة الماء الى بخار. ويتمدد البخار او
ياخذ حجما اكبر من حجم الماء عدة مرات. ويمكن استخدام طاقة التمدد هذه بطريقتين: 1-
لدفع مكبس الى الامام والخلف 2- لادارة توربين.
المحركات البخارية المكبسية. لها مكابس تتحرك للامام وللخلف في اسطوانات. وهناك انظمة عديدة من الصمامات
تسمح بدخول البخار الى الاسطوانة، ودفع المكبس اولا في اتجاه ثم في الاتجاه الاخر قبل
تصريف البخار الى العادم. وعادة ماتسمى هذه المحركات بالمحركات الترددية، بسبب حركة مكابسها جيئة وذهابا.
وتتطلب المطارق البخارية التي تستخدم في دفع خوازيق الارض او في طرق المعادن مثل هذا
النوع من الحركةبيد ان القاطرة تتطلب حركة دورانية لادارة عجلاتها. ويتم الحصول على هذه الحركة
بتوصيل المكابس الى عمود مرفقي. وفى بعض المحركات البخارية الترددية وتسمى المحركات المركبة ينساب البخار
خلال اربع اسطوانات ويقوم بتشغيل اربعة مكابس.
التوربينات البخارية. تنتج التوربينات البخارية حركة دورانية. ولتوربين البخار عدة مجموعات من العجلات ذات الريش
المركبة على عمود طويل. ويدخل البخار من ناحية، فيدير العجلات ذات الريش اثناء اندفاعه عليها.
وتستخدم التوربينات البخارية في ادارة المولدات الكهربائية ورفاسات البواخر
المحركات البخارية الاولى. اعتمدت على قدرة تكثف البخار الى سائل لا على قدرته على التمدد.
فعندما يتكثف البخار الى سائل فان الاخير ياخذ حيزا اقل مما يحتاجه البخار. ولو ان
عملية التكثف هذه قد حدثت في قارورة محكمة او اناء فانه ينتج تفريغا جزئيا او
عملية شفط، وكلاهما ينتج شغلا مفيدا.
وفي عام 1698م ابتكر الانجليزي توماس سافري (1650 – 1715م) اول محرك بخاري عملي، وكان
له مضخة لسحب الماء من المناجم. ولم تحتو مضخة سافري على اجزاء متحركة، الا صمامات
تعمل باليد. وعندما تدار الصمامات فانها تسمح للبخار بالدخول الى الاناء المحكم. وكان يصب ماء
بارد على جدران الاناء حتى يبرد؛ ومن ثم يتكثف البخار. عندئذ يفتح صمام حتى يتم
شفط الماء اعلى الانبوبة بفعل تفريغ الهواء في الاناء.
وفي عام 1712م اخترع الحداد البريطانى توماس نيوكومن (1663 – 1729م) محركا بخاريا. وكان لمحرك
نيوكومن دعامة افقية كبيرة متزنة في الوسط مثل الارجوحة. وتعلق مكبس داخل اسطوانة من احدى
نهايتي الدعامة. وعندما يسمح للبخار بالاندفاع الى الاسطوانة، فان البخار كان يدفع المكبس الى اعلى
خافضا النهاية الاخرى للدعامة. عندئذ يرش رذاذ الماء البارد داخل الاسطوانة فيتكثف البخار ويسحب التفريغ
المكبس الى اسفل مرة اخرى، وبذلك ترتفع النهاية الاخرى للدعامة والتي ربطت بمكبس المضخة داخل
البئر.
محرك واط. عندما بدا المهندس الاسكتلندي جيمس واط (1736 – 1819) تجاربه عام 1763م كان
محرك نيوكومن البخاري ذائع الانتشار. وكان ذلك حافزا لجيمس واط على التفكير لانه كان يستهلك
كميات هائلة من البخار، وكميات اخرى كبيرة من الوقود. وقد راى واط ان التسخين والتبريد
المترددين اضاعا حرارة زائدة. عندئذ اخترع واط محركا بخاريا بمكثف واسطوانة منفصلين، وبذا تظل الاسطوانة
ساخنة على الدوام. ووفر هذا النظام ثلاثة ارباع تكلفة الوقود، وذلك لفقدان كمية قليلة من
البخار خلال تكثفه بدخوله الاسطوانة الباردة.
سجل واط اول براءة لاختراع المحرك البخاري في عام 1769م، واستمر بعد ذلك في اجراء
تحسينات على الته. ولعل من افضل التحسينات التي ادخلها استخدام مبدا الفعل المزدوج. وفي المحركات
التي تبنى على هذا المبدا فان البخار يستخدم اولا على ناحية من المكبس ثم على
الناحية الاخرى. وتعلم واط ايضا ان يغلق طريق البخار عندما تمتلئ الاسطوانة جزئيا، وادى ذلك
الى تمدد البخار الموجود اصلا في الاسطوانة لتكملة مهمة المكبس. ويعتقد كثير من الناس خطا
ان واط اخترع المحرك البخاري، ولكنه قام فقط بادخال تحسينات على التصميمات السابقة التي ابتكرها
نيوكومن وخفض تكلفة استخدام محركات البخار المكثفة، وبذلك صار ممكنا استخدام هذه المحركات في اعمال
اخرى غير الضخ.
المحركات البخارية الحديثة. كانت اهم التحسينات في السنوات التي تلت نيوكومن وواط تطوير محركات قادرة
على استخدام بخار ذي ضغط عال. وحتى ذلك الوقت لم يختبر واط محركه عند ضغط
عال خوفا من الانفجار. فلم يزد الضغط في محركاته عن الضغط الجوي او مايوازى 100
كيلو باسكال.
