آلة

الآلة نظام ديناميكي حراري يستخدم الطاقة لتطبيق القوى والتحكم في الحركة لأداء وظيفة معينة. يُستخدم هذا المصطلح عادةً للإشارة إلى الأجهزة الاصطناعية، مثل تلك التي تعمل بالمحركات ، وكذلك إلى الجزيئات الحيوية الكبيرة الطبيعية، مثل الآلات الجزيئية . يمكن تشغيل الآلات بواسطة الحيوانات أو الإنسان ، أو بواسطة قوى طبيعية كالرياح والماء ، أو بواسطة الطاقة الكيميائية أو الحرارية أو الكهربائية ، وتتضمن نظامًا من الآليات التي تُشكّل مدخلات المُشغّل لتحقيق تطبيق مُحدد لقوى الإخراج والحركة. كما يمكن أن تتضمن أجهزة كمبيوتر ومستشعرات لمراقبة الأداء وتخطيط الحركة، والتي تُسمى غالبًا بالأنظمة الميكانيكية.

حدد فلاسفة الطبيعة في عصر النهضة ست آلات بسيطة كانت بمثابة الأجهزة الأولية التي تحرك الحمل، وقاموا بحساب نسبة قوة الإخراج إلى قوة الإدخال، والمعروفة اليوم باسم الفائدة الميكانيكية . ^{[ 1 ]}

الآلات الحديثة أنظمة معقدة تتكون من عناصر هيكلية وآليات ومكونات تحكم ، وتتضمن واجهات لتسهيل الاستخدام. ومن الأمثلة على ذلك: مجموعة واسعة من المركبات ، مثل القطارات والسيارات والقوارب والطائرات ؛ والأجهزة المنزلية والمكتبية، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر وأنظمة معالجة الهواء والمياه في المباني ؛ بالإضافة إلى الآلات الزراعية وأدوات الآلات وأنظمة أتمتة المصانع والروبوتات .

كلمة " machine" الإنجليزية مشتقة من الكلمة اللاتينية " machina" عبر الفرنسية الوسطى ، ^{[ 2 ]} والتي بدورها مشتقة من الكلمة اليونانية ( الدورية: μαχανά makhana ، الأيونية: μηχανή mekhane ، وتعني "أداة، آلة، محرك"، ^{[ 3 ]} وهي مشتقة من الكلمة اليونانية " μῆχος mekhos " التي تعني "وسيلة، حل، علاج" ^{[ 4 ]} ). ^{[ 5 ]} أما كلمة "mechanical " (باليونانية: μηχανικός ) فتأتي من نفس الجذور اليونانية. يوجد معنى أوسع لكلمة "fabric" (نسيج، هيكل) في اللاتينية الكلاسيكية، ولكنه غير موجود في الاستخدام اليوناني. وقد ظهر هذا المعنى في الفرنسية في أواخر العصور الوسطى، وتم تبنيه من الفرنسية إلى الإنجليزية في منتصف القرن السادس عشر.

في القرن السابع عشر، كان مصطلح "آلة" يُستخدم أيضًا بمعنى المخطط أو المؤامرة، وهو المعنى الذي يُعبّر عنه الآن بالكلمة المشتقة " machination" . وقد تطور المعنى الحديث من خلال التطبيق المتخصص للمصطلح على آلات المسرح المستخدمة في المسرح ، وعلى آلات الحصار العسكرية ، وذلك في أواخر القرن السادس عشر وأوائل القرن السابع عشر. ويُرجع قاموس أكسفورد الإنجليزي المعنى الرسمي الحديث إلى معجم جون هاريس التقني (1704)، والذي ينص على ما يلي:

الآلة، أو المحرك، في علم الميكانيكا، هي أي شيء يمتلك قوة كافية لرفع أو إيقاف حركة جسم ما. تُعتبر الآلات البسيطة عادةً ستة أنواع، وهي: الميزان، والرافعة، والبكرة، والعجلة، والوتد، والبرغي. أما الآلات المركبة، أو المحركات، فهي لا تُحصى.

إن كلمة المحرك المستخدمة كمرادف (شبه) من قبل هاريس وفي اللغة اللاحقة مشتقة في النهاية (عبر الفرنسية القديمة ) من الكلمة اللاتينية ingenium التي تعني "الإبداع، والاختراع".

الفأس اليدوي ، المصنوع من نحت الصوان لتشكيل إسفين ، يحوّل في يد الإنسان قوة وحركة الأداة إلى قوى فصل عرضية وحركة لقطعة العمل. يُعدّ الفأس اليدوي أول مثال على الإسفين ، وهو أقدم الآلات البسيطة الست الكلاسيكية ، التي استُوحيت منها معظم الآلات. أما ثاني أقدم آلة بسيطة فهي السطح المائل (المنحدر)، ^{[ 6 ]} الذي استُخدم منذ عصور ما قبل التاريخ لتحريك الأجسام الثقيلة. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

اختُرعت الآلات البسيطة الأربع الأخرى في الشرق الأدنى القديم . ^{[ 9 ]} اختُرعت العجلة، إلى جانب آلية العجلة والمحور، في بلاد ما بين النهرين (العراق الحديث) خلال الألفية الخامسة قبل الميلاد. ^{[ 10 ]} ظهرت آلية الرافعة لأول مرة منذ حوالي 5000 عام في الشرق الأدنى ، حيث استُخدمت في ميزان بسيط ، ^{[ 11 ]} ولتحريك الأجسام الكبيرة في التكنولوجيا المصرية القديمة . ^{[ 12 ]} استُخدمت الرافعة أيضًا في جهاز الشادوف لرفع المياه، وهو أول آلة رافعة ، والذي ظهر في بلاد ما بين النهرين حوالي 3000 قبل الميلاد ، ^{[ 11 ]} ثم في التكنولوجيا المصرية القديمة حوالي 2000 قبل الميلاد . ^{[ 13 ]} يعود تاريخ أقدم دليل على وجود البكرات إلى بلاد ما بين النهرين في أوائل الألفية الثانية قبل الميلاد، ^{[ 14 ]} ومصر القديمة خلال الأسرة الثانية عشرة (1991-1802 قبل الميلاد). ^{[ 15 ]} ظهر البرغي ، آخر الآلات البسيطة التي تم اختراعها، ^{[ 16 ]} لأول مرة في بلاد ما بين النهرين خلال العصر الآشوري الحديث (911-609) قبل الميلاد. ^{[ 14 ]} بُنيت الأهرامات المصرية باستخدام ثلاث من الآلات البسيطة الست، وهي : المستوى المائل، والوتد، والرافعة. ^{[ 17 ]}    

درس الفيلسوف اليوناني أرخميدس ووصف ثلاثًا من الآلات البسيطة حوالي القرن الثالث  قبل الميلاد: الرافعة، والبكرة، واللولب. ^{[ 18 ] [ 19 ]} اكتشف أرخميدس مبدأ الفائدة الميكانيكية في الرافعة. ^{[ 20 ]} حدد فلاسفة يونانيون لاحقون الآلات البسيطة الخمس الكلاسيكية (باستثناء المستوى المائل) وتمكنوا من حساب فائدتها الميكانيكية تقريبًا. ^{[ 1 ]} ذكر هيرو الإسكندري ( حوالي 10-75  ميلادي) في كتابه " الميكانيكا " خمس آليات يمكنها "تحريك الحمل": الرافعة، والرافعة ، والبكرة، والوتد، واللولب، ^{[ 19 ]} ووصف تصنيعها واستخداماتها. ^{[ 21 ]} مع ذلك، اقتصر فهم اليونانيين على علم السكون (توازن القوى) ولم يشمل علم الحركة (الموازنة بين القوة والمسافة) أو مفهوم الشغل .

ظهرت أولى الآلات العملية التي تعمل بالطاقة الهوائية ، وهي طاحونة الهواء ومضخة الهواء ، في العالم الإسلامي خلال العصر الذهبي الإسلامي ، في ما يُعرف اليوم بإيران وأفغانستان وباكستان، بحلول القرن التاسع  الميلادي. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} أما أول آلة عملية تعمل بالطاقة البخارية فكانت رافعة بخارية تُدار بواسطة توربين بخاري ، وقد وصفها تقي الدين محمد بن معروف عام 1551 في مصر العثمانية . ^{[ 26 ] [ 27 ]}

اختُرعت آلة حلج القطن  في الهند بحلول القرن السادس الميلادي، ^{[ 28 ]} واختُرعت عجلة الغزل في العالم الإسلامي في أوائل القرن الحادي عشر الميلادي، ^{[ 29 ]} وكلاهما كان أساسيًا لنمو صناعة القطن . كما كانت عجلة الغزل بمثابة مقدمة لآلة الغزل اليدوية . ^{[ 30 ]}

طُوِّرت أقدم الآلات القابلة للبرمجة في العالم الإسلامي. وكان جهاز التسلسل الموسيقي ، وهو آلة موسيقية قابلة للبرمجة ، أول نوع من الآلات القابلة للبرمجة. وكان أول جهاز تسلسل موسيقي عبارة عن عازف ناي آلي اخترعه الأخوان بنو موسى ، ووصفوه في كتابهم "الآلات البارعة" في القرن التاسع الميلادي. ^{[ 31 ] [ 32 ]} وفي عام 1206، اخترع الجزري آلات أوتوماتيكية وروبوتات قابلة للبرمجة . ووصف أربعة موسيقيين آليين ، من بينهم عازفو طبول ، يتم تشغيلهم بواسطة آلة طبول قابلة للبرمجة ، حيث يمكن برمجتهم لعزف إيقاعات وأنماط طبول مختلفة. ^{[ 33 ]}

خلال عصر النهضة ، بدأت دراسة ديناميكيات القوى الميكانيكية ، كما كانت تُسمى الآلات البسيطة، من منظور مقدار العمل المفيد الذي يمكنها إنجازه، مما أدى في النهاية إلى المفهوم الجديد للعمل الميكانيكي . في عام 1586، استنتج المهندس الفلمنكي سيمون ستيفن الفائدة الميكانيكية للمستوى المائل، وأُدرجت ضمن الآلات البسيطة الأخرى. وضع العالم الإيطالي غاليليو غاليلي النظرية الديناميكية الكاملة للآلات البسيطة في عام 1600 في كتابه "الميكانيكا". ^{[ 34 ] [ 35 ]} وكان أول من أدرك أن الآلات البسيطة لا تُنتج الطاقة ، بل تُحوّلها فقط. ^{[ 34 ]}

اكتشف ليوناردو دافنشي (1452-1519) القواعد الكلاسيكية للاحتكاك الانزلاقي في الآلات، لكنها ظلت غير منشورة في دفاتره. أعاد غيوم أمونتونس اكتشافها (1699)، وطوّرها شارل أوغستان دي كولوم (1785). ^{[ 36 ]}

حصل جيمس وات على براءة اختراع لآلية الحركة المتوازية الخاصة به في عام 1782، مما جعل محرك البخار مزدوج الفعل عمليًا. ^{[ 37 ]} وقد زود محرك بولتون ووات البخاري والتصاميم اللاحقة قاطرات البخار والسفن البخارية والمصانع بالطاقة .

كانت الثورة الصناعية فترة امتدت من عام 1750 إلى عام 1850، شهدت تغيرات في الزراعة والصناعة والتعدين والنقل والتكنولوجيا، مما كان له أثر بالغ على الأوضاع الاجتماعية والاقتصادية والثقافية في ذلك الوقت. بدأت هذه الثورة في المملكة المتحدة ، ثم انتشرت لاحقاً في جميع أنحاء أوروبا الغربية وأمريكا الشمالية واليابان ، ثم في نهاية المطاف إلى بقية أنحاء العالم.

ابتداءً من أواخر القرن الثامن عشر، بدأت بعض مناطق بريطانيا العظمى ، التي كانت تعتمد سابقاً على العمل اليدوي والحيوانات في اقتصادها، بالتحول نحو التصنيع الآلي. بدأ هذا التحول بميكنة صناعات النسيج، وتطوير تقنيات صناعة الحديد ، وزيادة استخدام الفحم المكرر . ^{[ 38 ]}

أدت فكرة إمكانية تفكيك الآلة إلى عناصر متحركة بسيطة إلى تعريف أرخميدس للرافعة والبكرة والبرغي كآلات بسيطة . وبحلول عصر النهضة، اتسعت هذه القائمة لتشمل العجلة والمحور والوتد والمستوى المائل . ويركز النهج الحديث في توصيف الآلات على المكونات التي تسمح بالحركة، والمعروفة بالمفاصل .

الإسفين (الفأس اليدوي): ربما يكون الإسفين أول مثال على أداة مصممة للتحكم في القوة والطاقة ، ويُسمى أيضًا الفأس ذو الوجهين أو الإسفين . يُصنع الإسفين بتكسير الحجر، وعادةً ما يكون الصوان، لتشكيل حافة ذات وجهين، أو إسفين . الإسفين آلة بسيطة تُحوّل القوة الجانبية وحركة الأداة إلى قوة قطع عرضية وحركة لقطعة العمل. الطاقة المتاحة محدودة بجهد الشخص الذي يستخدم الأداة، ولكن لأن الطاقة هي نتاج القوة والحركة، فإن الإسفين يُضخّم القوة عن طريق تقليل الحركة. هذا التضخيم، أو الميزة الميكانيكية ، هو نسبة سرعة الإدخال إلى سرعة الإخراج. بالنسبة للإسفين، تُعطى هذه النسبة بالمعادلة 1/tanα، حيث α هي زاوية رأس الإسفين. تُنمذج أوجه الإسفين كخطوط مستقيمة لتشكيل مفصل انزلاقي أو انزلاقي .

الرافعة: تُعدّ الرافعة أداةً أخرى مهمة وبسيطة للتحكم في القوة. وهي عبارة عن جسم يدور حول نقطة ارتكاز. ولأن سرعة النقطة الأبعد عن نقطة الارتكاز أكبر من سرعة النقطة القريبة منها، فإن القوى المؤثرة بعيدًا عن نقطة الارتكاز تتضاعف بالقرب منها نتيجةً لانخفاض السرعة. إذا كانت a هي المسافة من نقطة الارتكاز إلى النقطة التي تُطبّق عندها قوة الإدخال، و b هي المسافة إلى النقطة التي تُطبّق عندها قوة الإخراج، فإن a/b هي الفائدة الميكانيكية للرافعة. تُصوَّر نقطة ارتكاز الرافعة على أنها مفصل دوار .

العجلة: تُعدّ العجلة آلةً بدائيةً مهمة، مثل العربة . تستخدم العجلة قانون الرافعة لتقليل القوة اللازمة للتغلب على الاحتكاك عند سحب حمولة. ولتوضيح ذلك، لاحظ أن الاحتكاك المصاحب لسحب حمولة على الأرض يُقارب الاحتكاك في محمل بسيط يدعم الحمولة على محور العجلة. مع ذلك، تُشكّل العجلة رافعةً تُضخّم قوة السحب بحيث تتغلب على مقاومة الاحتكاك في المحمل.

وضع فرانز رولو تصنيفًا للآلات البسيطة لتوفير استراتيجية لتصميم آلات جديدة ، حيث جمع ودرس أكثر من 800 آلة أساسية. ^{[ 40 ]} وقد أدرك أن الآلات البسيطة الكلاسيكية يمكن تقسيمها إلى الرافعة والبكرة والعجلة والمحور، والتي تتكون من جسم يدور حول مفصل، والسطح المائل والوتد والبرغي، والتي هي بدورها عبارة عن كتلة تنزلق على سطح مستوٍ. ^{[ 41 ]}

تُعدّ الآلات البسيطة أمثلةً أوليةً على السلاسل أو الوصلات الحركية التي تُستخدم لنمذجة الأنظمة الميكانيكية ، بدءًا من المحرك البخاري وصولًا إلى أذرع الروبوت. تُعتبر المحامل التي تُشكّل نقطة ارتكاز الرافعة، والتي تسمح للعجلة والمحور والبكرات بالدوران، أمثلةً على زوج حركي يُسمى المفصل المفصلي. وبالمثل، يُعدّ السطح المستوي للمستوى المائل والوتد مثالين على زوج حركي يُسمى المفصل المنزلق. أما البرغي، فيُعرف عادةً بأنه زوج حركي خاص به يُسمى المفصل الحلزوني.

يُظهر هذا الإدراك أن المفاصل، أو الوصلات التي توفر الحركة، هي العناصر الأساسية للآلة. بدءًا من أربعة أنواع من المفاصل، وهي المفصل الدوار، والمفصل المنزلق، ومفصل الكامة، ومفصل التروس، والوصلات ذات الصلة مثل الكابلات والأحزمة، يمكن فهم الآلة على أنها مجموعة من الأجزاء الصلبة التي تربط هذه المفاصل، وتُسمى آلية . ^{[ 42 ]}

يتم دمج رافعتين، أو ذراعين، في آلية رباعية القضبان مستوية عن طريق توصيل وصلة تربط مخرج أحد الذراعين بمدخل الآخر. ويمكن إضافة وصلات أخرى لتشكيل آلية سداسية القضبان أو توصيلها على التوالي لتشكيل روبوت. ^{[ 42 ]}

يدير النظام الميكانيكي الطاقة لإنجاز مهمة تتضمن قوى وحركة. تتكون الآلات الحديثة من: (1) مصدر طاقة ومحركات تولد القوى والحركة، (2) نظام آليات يُشكل مدخلات المحرك لتحقيق تطبيق محدد لقوى وحركة المخرجات، (3) وحدة تحكم مزودة بمستشعرات تقارن المخرجات بهدف الأداء ثم توجه مدخلات المحرك، (4) واجهة للمشغل تتكون من أذرع ومفاتيح وشاشات عرض. يتضح هذا في محرك وات البخاري حيث تُستمد الطاقة من البخار المتمدد لتحريك المكبس. يحول ذراع التأرجح والوصلة والذراع المرفقي الحركة الخطية للمكبس إلى دوران بكرة الإخراج. وأخيرًا، يُحرك دوران البكرة منظم سرعة الكرة الطائرة الذي يتحكم في صمام إدخال البخار إلى أسطوانة المكبس.

تشير الصفة "ميكانيكي" إلى المهارة في التطبيق العملي لفن أو علم، وكذلك إلى ما يتعلق بالحركة أو القوى الفيزيائية أو الخصائص أو العوامل أو ما ينتج عنها، كما هو الحال في علم الميكانيكا . ^{[ 43 ]} وبالمثل، يُعرّف قاموس ميريام-ويبستر ^{[ 44 ]} "ميكانيكي" بأنه ما يتعلق بالآلات أو الأدوات.

يُتيح تدفق الطاقة عبر الآلة فهم أداء الأجهزة، بدءًا من الروافع وسلاسل التروس وصولًا إلى السيارات وأنظمة الروبوتات. كتب الميكانيكي الألماني فرانز رولو ^{[ 45 ]} : "الآلة هي مجموعة من الأجسام المقاومة مُرتبة بحيث يُمكن إجبار القوى الميكانيكية للطبيعة على القيام بعمل مصحوب بحركة مُحددة". لاحظ أن القوى والحركة تتحدان لتعريف القدرة .

وفي الآونة الأخيرة، ذكر أويكر وآخرون ^{[ 42 ]} أن الآلة هي "جهاز لتطبيق الطاقة أو تغيير اتجاهها". ويصف مكارثي وسوه ^{[ 46 ]} الآلة بأنها نظام "يتكون عمومًا من مصدر طاقة وآلية للتحكم في استخدام هذه الطاقة".

كان الجهد البشري والحيواني المصادر الأصلية للطاقة للآلات المبكرة.

الدواليب المائية: ظهرت الدواليب المائية في أنحاء العالم حوالي عام 300  قبل الميلاد لاستخدام المياه المتدفقة لتوليد حركة دورانية، والتي استُخدمت في طحن الحبوب، وتشغيل عمليات قطع الأخشاب، والتشغيل الآلي، والنسيج . أما التوربينات المائية الحديثة فتستخدم المياه المتدفقة عبر السد لتشغيل مولد كهربائي .

طواحين الهواء: كانت طواحين الهواء القديمة تستغل طاقة الرياح لتوليد حركة دورانية لعمليات الطحن. كما تقوم توربينات الرياح الحديثة بتشغيل مولد كهربائي. وتُستخدم هذه الكهرباء بدورها لتشغيل المحركات التي تُشكل مشغلات الأنظمة الميكانيكية.

المحرك: كلمة "محرك" مشتقة من كلمة "إبداع"، وكانت تشير في الأصل إلى الاختراعات التي قد تكون أجهزة مادية أو غير مادية. ^{[ 47 ]} يستخدم المحرك البخاري الحرارة لغلي الماء الموجود في وعاء ضغط؛ ويدفع البخار المتمدد مكبسًا أو توربينًا. يمكن ملاحظة هذا المبدأ في آلة " إيوليبيل " التي صنعها هيرو الإسكندري. يُطلق على هذا النوع من المحركات اسم محرك الاحتراق الخارجي .

يُطلق على محرك السيارة اسم محرك احتراق داخلي لأنه يحرق الوقود ( تفاعل كيميائي طارد للحرارة ) داخل أسطوانة ويستخدم الغازات المتمددة لدفع مكبس . أما محرك الطائرة النفاثة فيستخدم توربينًا لضغط الهواء الذي يُحرق مع الوقود ، فيتمدد عبر فوهة لتوفير قوة الدفع للطائرة ، ولذلك فهو أيضًا "محرك احتراق داخلي". ^{[ 48 ]}

محطة توليد الطاقة: تُولّد الحرارة الناتجة عن احتراق الفحم والغاز الطبيعي في المرجل بخارًا يُشغّل توربينًا بخاريًا لتدوير مولد كهربائي . تستخدم محطة الطاقة النووية الحرارة الناتجة عن مفاعل نووي لتوليد البخار والطاقة الكهربائية . تُوزّع هذه الطاقة عبر شبكة من خطوط النقل للاستخدام الصناعي والشخصي.

المحركات: تستخدم المحركات الكهربائية التيار المتردد أو التيار المستمر لتوليد الحركة الدورانية. تُعد المحركات المؤازرة الكهربائية هي المشغلات للأنظمة الميكانيكية التي تتراوح من الأنظمة الروبوتية إلى الطائرات الحديثة .

الطاقة السائلة: تستخدم الأنظمة الهيدروليكية والهوائية مضخات تعمل بالكهرباء لدفع الماء أو الهواء على التوالي إلى الأسطوانات لتشغيل الحركة الخطية .

الكيمياء الكهربائية: يمكن أن تكون المواد الكيميائية مصادر للطاقة أيضًا. ^{[ 49 ]} قد تستنفد هذه المواد كيميائيًا أو تحتاج إلى إعادة شحن، كما هو الحال مع البطاريات ، ^{[ 50 ]} أو قد تُنتج الطاقة دون تغيير حالتها، كما هو الحال في الخلايا الشمسية والمولدات الكهروحرارية . ^{[ 51 ] [ 52 ]} ومع ذلك، فإن كل هذه المصادر لا تزال تتطلب مصدرًا آخر للطاقة. ففي البطاريات، يكون مصدر الطاقة هو الطاقة الكيميائية الكامنة الموجودة بداخلها. ^{[ 50 ]} أما في الخلايا الشمسية والمولدات الكهروحرارية، فيكون مصدر الطاقة هو الضوء والحرارة على التوالي. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

تتكون آلية النظام الميكانيكي من مكونات تسمى عناصر الآلة . توفر هذه العناصر بنية للنظام وتتحكم في حركته .

تتكون المكونات الهيكلية عموماً من عناصر الإطار، والمحامل، والوصلات المسننة، والزنبركات، والحلقات المانعة للتسرب، والمثبتات ، والأغطية. يوفر شكل الأغطية وملمسها ولونها واجهة تصميمية وتشغيلية بين النظام الميكانيكي ومستخدميه.

تُسمى التجميعات التي تتحكم في الحركة أيضًا " الآليات " . ^{[ 45 ] [ 42 ]} تُصنف الآليات عمومًا على أنها تروس وسلاسل تروس ، والتي تشمل محركات السيور ومحركات السلاسل ، وآليات الكامات والمتابعات ، والوصلات ، على الرغم من وجود آليات خاصة أخرى مثل وصلات التثبيت، وآليات الفهرسة ، وآليات الإفلات ، وأجهزة الاحتكاك مثل الفرامل والقوابض .

يعتمد عدد درجات حرية الآلية، أو حركتها، على عدد الوصلات والمفاصل وأنواع المفاصل المستخدمة في بنائها. وتُعرَّف الحركة العامة للآلية بأنها الفرق بين حرية الوصلات غير المقيدة وعدد القيود المفروضة عليها من المفاصل، ويتم وصفها بمعيار تشيبيشيف-غروبلر-كوتزباخ .

التروس وسلاسل التروس

يمكن تتبع نقل الدوران بين عجلات مسننة متلامسة إلى آلية أنتيكيثيرا اليونانية والعربة الصينية التي تشير إلى الجنوب . تُظهر رسومات العالم جورجيوس أغريكولا، أحد علماء عصر النهضة ، سلاسل تروس ذات أسنان أسطوانية. وقد أدى استخدام السن الحلزوني إلى تصميم تروس قياسي يوفر نسبة سرعة ثابتة. من أهم خصائص التروس وسلاسل التروس ما يلي:

• تحدد نسبة دوائر الخطوة للتروس المتزاوجة نسبة السرعة والميزة الميكانيكية لمجموعة التروس.
• توفر مجموعة التروس الكوكبية نسبة تخفيض عالية للتروس في حزمة صغيرة الحجم.
• من الممكن تصميم أسنان التروس للتروس غير الدائرية ، ومع ذلك لا تزال تنقل عزم الدوران بسلاسة.
• يتم حساب نسب السرعة في أنظمة نقل الحركة بالسلسلة والحزام بنفس طريقة حساب نسب التروس. انظر تروس الدراجات .

الروابط

الوصلة هي مجموعة من الوصلات المتصلة بمفاصل. عمومًا، تُمثل الوصلات العناصر الهيكلية، بينما تسمح المفاصل بالحركة. ولعلّ المثال الأكثر فائدة هو الوصلة الرباعية المستوية . مع ذلك، توجد أنواع أخرى كثيرة من الوصلات الخاصة .

• تُعدّ وصلة وات آلية رباعية القضبان تُولّد خطًا مستقيمًا تقريبًا. وقد كانت هذه الوصلة أساسية لعمل تصميمه لمحرك البخار. كما تُستخدم هذه الوصلة في أنظمة تعليق المركبات لمنع الحركة الجانبية للهيكل بالنسبة للعجلات. انظر أيضًا مقال الحركة المتوازية .
• أدى نجاح وصلة وات إلى تصميم وصلات خطية تقريبية مماثلة، مثل وصلة هوكين ووصلة تشيبيشيف .
• تُنتج وصلة بوسيليه خرجًا مستقيمًا حقيقيًا من مدخل دوار.
• وصلة ساروس هي وصلة مكانية تولد حركة خطية مستقيمة من مدخل دوراني.
• تُعدّ وصلة كلان ووصلة جانسن اختراعات حديثة توفر حركات مشي مثيرة للاهتمام. وهما عبارة عن وصلة سداسية وثمانية قضبان على التوالي.

تُسمى المكونات الميكانيكية الأساسية للآلة عناصر الآلة . تتكون هذه العناصر من ثلاثة أنواع أساسية: (1) المكونات الهيكلية مثل أعضاء الإطار، والمحامل، والمحاور، والوصلات، والمثبتات ، والأختام، ومواد التشحيم، (2) الآليات التي تتحكم في الحركة بطرق مختلفة مثل سلاسل التروس ، ومحركات السيور أو السلاسل ، والوصلات ، وأنظمة الكامات والمتابعات ، بما في ذلك المكابح والقوابض ، (3) مكونات التحكم مثل الأزرار، والمفاتيح، والمؤشرات، والمستشعرات، والمشغلات، ووحدات التحكم الحاسوبية. [ ^{53 ] على الرغم من أن الأغطية لا تُعتبر عادةً عنصرًا من} عناصر الآلة، إلا أن شكلها وملمسها ولونها تُشكل جزءًا مهمًا منها، إذ توفر واجهة تصميم وتشغيل بين المكونات الميكانيكية للآلة ومستخدميها.

تجمع وحدات التحكم بين أجهزة الاستشعار والمنطق والمحركات للحفاظ على أداء مكونات الآلة. ولعل أشهرها منظم سرعة الكرة الطائرة لمحرك البخار. وتتنوع أمثلة هذه الأجهزة من منظم الحرارة الذي يفتح صمامًا لتبريد الماء عند ارتفاع درجة الحرارة، إلى وحدات التحكم في السرعة مثل نظام تثبيت السرعة في السيارة. وقد حلت وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة محل المرحلات وآليات التحكم المتخصصة باستخدام حاسوب قابل للبرمجة. أما المحركات المؤازرة التي تحدد موضع العمود بدقة استجابةً لأمر كهربائي، فهي المحركات التي تجعل الأنظمة الروبوتية ممكنة.

قام تشارلز باباج بتصميم آلات لجدولة اللوغاريتمات والوظائف الأخرى في عام 1837. ويمكن اعتبار محرك الفرق الخاص به آلة حاسبة ميكانيكية متقدمة ، ومحركه التحليلي سلفًا للحاسوب الحديث ، على الرغم من عدم اكتمال أي من التصاميم الأكبر حجمًا في حياة باباج.

يُعدّ كلٌّ من جهاز الحساب وجهاز الحساب الآلي من الحواسيب الميكانيكية التي سبقت الحواسيب الرقمية الحديثة . وتُعرف النماذج المستخدمة لدراسة الحواسيب الحديثة باسم آلة الحالة وآلة تورينج .

يتفاعل جزيء الميوسين الحيوي مع الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) والأدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP) ليرتبط بالتناوب مع خيوط الأكتين، مُغيرًا شكلها بطريقة تُولّد قوة، ثم ينفصل عنها ليعيد شكله الأصلي. هذا هو المحرك الجزيئي الذي يُسبب انقباض العضلات. وبالمثل، يحتوي جزيء الكينيسين الحيوي على جزأين يرتبطان وينفصلان بالتناوب مع الأنيبيبات الدقيقة، مما يُؤدي إلى تحرك الجزيء على طول الأنيبيبات الدقيقة ونقل الحويصلات داخل الخلية. أما الداينين ، فينقل الحمولة داخل الخلايا باتجاه النواة، ويُنتج حركة الأهداب والأسواط . في الواقع، يُعدّ الهدب المتحرك آلة نانوية تتألف من أكثر من 600 بروتين في مركبات جزيئية، يعمل العديد منها بشكل مستقل كآلات نانوية. تسمح الروابط المرنة لمجالات البروتين المتحركة المتصلة بها باستقطاب شركائها الرابطين وتحفيز التغاير الفراغي بعيد المدى عبر ديناميكيات مجال البروتين . ^{[ 54 ]} تُعدّ آلات بيولوجية أخرى مسؤولة عن إنتاج الطاقة، مثل إنزيم ATP synthase الذي يستغل الطاقة من تدرجات البروتونات عبر الأغشية لتحريك حركة تشبه التوربين تُستخدم لتخليق ATP ، عملة الطاقة في الخلية. ^{[ 55 ]} وهناك آلات أخرى مسؤولة عن التعبير الجيني ، بما في ذلك بوليميرازات الحمض النووي DNA لتضاعف الحمض النووي DNA ، وبوليميرازات الحمض النووي RNA لإنتاج mRNA ، والجسيم الرابط لإزالة الإنترونات ، والريبوسوم لتخليق البروتينات . هذه الآلات وديناميكياتها النانوية أكثر تعقيدًا بكثير من أي آلات جزيئية تم بناؤها اصطناعيًا حتى الآن. ^{[ 56 ]} ويُنظر إلى هذه الجزيئات بشكل متزايد على أنها آلات نانوية .

استخدم الباحثون الحمض النووي لبناء روابط رباعية القضبان ذات أبعاد نانوية . ^{[ 57 ] [ 58 ]}

يذكر أوشر ^{[ 61 ]} أن رسالة هيرو الإسكندري في الميكانيكا ركزت على دراسة رفع الأثقال. أما اليوم، فتشير الميكانيكا إلى التحليل الرياضي للقوى وحركة النظام الميكانيكي، وتتضمن دراسة حركية وديناميكية هذه الأنظمة.

يشير تصميم الآلات إلى الإجراءات والتقنيات المستخدمة لمعالجة المراحل الثلاث لدورة حياة الآلة :

1. الاختراع، الذي يتضمن تحديد الحاجة، وتطوير المتطلبات، وتوليد المفاهيم، وتطوير النماذج الأولية، والتصنيع، واختبار التحقق؛
2. تتضمن هندسة الأداء تحسين كفاءة التصنيع، وتقليل متطلبات الخدمة والصيانة، وإضافة ميزات وتحسين الفعالية، واختبار التحقق؛
3. إعادة التدوير هي مرحلة إيقاف التشغيل والتخلص من المواد والمكونات، وتشمل استعادة وإعادة استخدام المواد والمكونات.

• آلة
• نظام التروس
• تاريخ التكنولوجيا
• الوصلة (الميكانيكية)
• قائمة شركات تصنيع المعدات الميكانيكية والكهربائية والإلكترونية حسب الإيرادات
• الآلية (الهندسة)
• الميزة الميكانيكية
• مخطط الأتمتة
• مخطط الآلات
• القوة (الفيزياء)
• الآلات البسيطة
• تكنولوجيا
• العمل الافتراضي
• العمل (الفيزياء)

• أوبيرغ، إريك؛ فرانكلين د. جونز؛ هولبروك ل. هورتون؛ هنري هـ. ريفيل (2000). كريستوفر ج. مكولي؛ ريكاردو هيلد؛ محمد إقبال حسين (محررون). دليل الآلات (الطبعة 26  ). نيويورك: دار النشر الصناعية. ISBN 978-0-8311-2635-3.
• رولو، فرانز (1876). حركيات الآلات . ترجمة وتعليق أ.ب.و. كينيدي. نيويورك: أعيد طبعه بواسطة دوفر (1963).
• أويكر، جيه جيه؛ جي آر بينوك؛ جيه إي شيجلي (2003). نظرية الآلات والآليات . نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد.

• أوبيرغ، إريك؛ فرانكلين د. جونز؛ هولبروك ل. هورتون؛ هنري هـ. ريفيل (2000). كريستوفر ج. مكولي؛ ريكاردو هيلد؛ محمد إقبال حسين (محررون). دليل الآلات (الطبعة الثلاثون  ). نيويورك: دار النشر الصناعية. ISBN 9780831130992.

• الوسائط المتعلقة بالآلات في ويكيميديا ​​كومنز
• اقتباسات متعلقة بالآلة على ويكي الاقتباس
• مجموعة رولو للآليات والآلات – جامعة كورنيل