آلة

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 17 صور
الموسوعة الحرة

امرأة تشغل آلة طحن في ترسانة ووترتاون في أوائل القرن العشرين

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 .

أصل الكلمة

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".

تاريخ

تم العثور على فأس يدوي مصنوع من الصوان في وينشستر .

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 ]    

Three of the simple machines were studied and described by Greek philosopher Archimedes around the 3rd century BC: the lever, pulley and screw.[18][19] Archimedes discovered the principle of mechanical advantage in the lever.[20] Later Greek philosophers defined the classic five simple machines (excluding the inclined plane) and were able to roughly calculate their mechanical advantage.[1]Hero of Alexandria (c.10–75 AD) in his work Mechanics lists five mechanisms that can "set a load in motion"; lever, windlass, pulley, wedge, and screw,[19] and describes their fabrication and uses.[21] However, the Greeks' understanding was limited to statics (the balance of forces) and did not include dynamics (the tradeoff between force and distance) or the concept of work.

This ore crushing machine is powered by a water wheel.

The earliest practical wind-powered machines, the windmill and wind pump, first appeared in the Muslim world during the Islamic Golden Age, in what are now Iran, Afghanistan, and Pakistan, by the 9th century AD.[22][23][24][25] The earliest practical steam-powered machine was a steam jack driven by a steam turbine, described in 1551 by Taqi ad-Din Muhammad ibn Ma'ruf in Ottoman Egypt.[26][27]

The cotton gin was invented in India by the 6th century AD,[28] and the spinning wheel was invented in the Islamic world by the early 11th century,[29] both of which were fundamental to the growth of the cotton industry. The spinning wheel was also a precursor to the spinning jenny.[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 .

Bonsack's machine
تم اختراع آلة لف السجائر لجيمس ألبرت بونسك في عام 1880 وحصل على براءة اختراع في عام 1881.

The Industrial Revolution was a period from 1750 to 1850 where changes in agriculture, manufacturing, mining, transportation, and technology had a profound effect on the social, economic and cultural conditions of the times. It began in the United Kingdom, then subsequently spread throughout Western Europe, North America, Japan, and eventually the rest of the world.

Starting in the later part of the 18th century, there began a transition in parts of Great Britain's previously manual labour and draft-animal-based economy towards machine-based manufacturing. It started with the mechanisation of the textile industries, the development of iron-making techniques and the increased use of refined coal.[38]

Simple machines

Chambers' Cyclopædia (1728) has a table of simple mechanisms.[39] Simple machines provide a "vocabulary" for understanding more complex machines.

The idea that a machine can be decomposed into simple movable elements led Archimedes to define the lever, pulley and screw as simple machines. By the time of the Renaissance this list increased to include the wheel and axle, wedge and inclined plane. The modern approach to characterizing machines focusses on the components that allow movement, known as joints.

Wedge (hand axe): Perhaps the first example of a device designed to manage force and power is the hand axe, also called biface and Olorgesailie. A hand axe is made by chipping stone, generally flint, to form a bifacial edge, or wedge. A wedge is a simple machine that transforms lateral force and movement of the tool into a transverse splitting force and movement of the workpiece. The available power is limited by the effort of the person using the tool, but because power is the product of force and movement, the wedge amplifies the force by reducing the movement. This amplification, or mechanical advantage is the ratio of the input speed to output speed. For a wedge this is given by 1/tanα, where α is the tip angle. The faces of a wedge are modeled as straight lines to form a sliding or prismatic joint.

Lever: The lever is another important and simple device for managing power. This is a body that pivots on a fulcrum. Because the velocity of a point farther from the pivot is greater than the velocity of a point near the pivot, forces applied far from the pivot are amplified near the pivot by the associated decrease in speed. If a is the distance from the pivot to the point where the input force is applied and b is the distance to the point where the output force is applied, then a/b is the mechanical advantage of the lever. The fulcrum of a lever is modeled as a hinged or revolute joint.

Wheel: The wheel is an important early machine, such as the chariot. A wheel uses the law of the lever to reduce the force needed to overcome friction when pulling a load. To see this notice that the friction associated with pulling a load on the ground is approximately the same as the friction in a simple bearing that supports the load on the axle of a wheel. However, the wheel forms a lever that magnifies the pulling force so that it overcomes the frictional resistance in the bearing.

Illustration of a Four-bar linkage from Kinematics of Machinery, 1876
The Kinematics of Machinery (1876) has an illustration of a four-bar linkage.

The classification of simple machines to provide a strategy for the design of new machines was developed by Franz Reuleaux, who collected and studied over 800 elementary machines.[40] He recognized that the classical simple machines can be separated into the lever, pulley and wheel and axle that are formed by a body rotating about a hinge, and the inclined plane, wedge and screw that are similarly a block sliding on a flat surface.[41]

Simple machines are elementary examples of kinematic chains or linkages that are used to model mechanical systems ranging from the steam engine to robot manipulators. The bearings that form the fulcrum of a lever and that allow the wheel and axle and pulleys to rotate are examples of a kinematic pair called a hinged joint. Similarly, the flat surface of an inclined plane and wedge are examples of the kinematic pair called a sliding joint. The screw is usually identified as its own kinematic pair called a helical joint.

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 ]

الأنظمة الميكانيكية

Boulton & Watt Steam Engine
محرك بولتون ووات البخاري، 1784

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 .

More recently, Uicker et al.[42] stated that a machine is "a device for applying power or changing its direction." McCarthy and Soh[46] describe a machine as a system that "generally consists of a power source and a mechanism for the controlled use of this power."

Power sources

Diesel engine, friction clutch and gear transmission of an automobile
Early Ganz Electric Generator in Zwevegem, West Flanders, Belgium

Human and animal effort were the original power sources for early machines.

Waterwheel:Waterwheels appeared around the world around 300 BC to use flowing water to generate rotary motion, which was applied to milling grain, and powering lumber, machining and textile operations. Modern water turbines use water flowing through a dam to drive an electric generator.

Windmill: Early windmills captured wind power to generate rotary motion for milling operations. Modern wind turbines also drives a generator. This electricity in turn is used to drive motors forming the actuators of mechanical systems.

Engine: The word engine derives from "ingenuity" and originally referred to contrivances that may or may not be physical devices.[47] A steam engine uses heat to boil water contained in a pressure vessel; the expanding steam drives a piston or a turbine. This principle can be seen in the aeolipile of Hero of Alexandria. This is called an external combustion engine.

An automobile engine is called an internal combustion engine because it burns fuel (an exothermic chemical reaction) inside a cylinder and uses the expanding gases to drive a piston. A jet engine uses a turbine to compress air which is burned with fuel so that it expands through a nozzle to provide thrust to an aircraft, and so is also an "internal combustion engine."[48]

Power plant: The heat from coal and natural gas combustion in a boiler generates steam that drives a steam turbine to rotate an electric generator. A nuclear power plant uses heat from a nuclear reactor to generate steam and electric power. This power is distributed through a network of transmission lines for industrial and individual use.

Motors:Electric motors use either AC or DC electric current to generate rotational movement. Electric servomotors are the actuators for mechanical systems ranging from robotic systems to modern aircraft.

Fluid Power:Hydraulic and pneumatic systems use electrically driven pumps to drive water or air respectively into cylinders to power linear movement.

Electrochemical: Chemicals and materials can also be sources of power.[49] They may chemically deplete or need re-charging, as is the case with batteries,[50] or they may produce power without changing their state, which is the case for solar cells and thermoelectric generators.[51][52] All of these, however, still require their energy to come from elsewhere. With batteries, it is the already existing chemical potential energy inside.[50] In solar cells and thermoelectrics, the energy source is light and heat respectively.[51][52]

Mechanisms

The mechanism of a mechanical system is assembled from components called machine elements. These elements provide structure for the system and control its movement.

The structural components are, generally, the frame members, bearings, splines, springs, seals, fasteners and covers. The shape, texture and color of covers provide a styling and operational interface between the mechanical system and its users.

The assemblies that control movement are also called "mechanisms."[45][42] Mechanisms are generally classified as gears and gear trains, which includes belt drives and chain drives, cam and follower mechanisms, and linkages, though there are other special mechanisms such as clamping linkages, indexing mechanisms, escapements and friction devices such as brakes and clutches.

The number of degrees of freedom of a mechanism, or its mobility, depends on the number of links and joints and the types of joints used to construct the mechanism. The general mobility of a mechanism is the difference between the unconstrained freedom of the links and the number of constraints imposed by the joints. It is described by the Chebychev–Grübler–Kutzbach criterion.

Gears and gear trains

The Antikythera mechanism (main fragment)

The transmission of rotation between contacting toothed wheels can be traced back to the Antikythera mechanism of Greece and the south-pointing chariot of China. Illustrations by the renaissance scientist Georgius Agricola show gear trains with cylindrical teeth. The implementation of the involute tooth yielded a standard gear design that provides a constant speed ratio. Some important features of gears and gear trains are:

Cam and follower mechanisms

A cam and follower is formed by the direct contact of two specially shaped links. The driving link is called the cam (also see cam shaft) and the link that is driven through the direct contact of their surfaces is called the follower. The shape of the contacting surfaces of the cam and follower determines the movement of the mechanism.

Linkages

Schematic of the actuator and four-bar linkage that position an aircraft landing gear

A linkage is a collection of links connected by joints. Generally, the links are the structural elements and the joints allow movement. Perhaps the single most useful example is the planar four-bar linkage. However, there are many more special linkages:

  • Watt's linkage is a four-bar linkage that generates an approximate straight line. It was critical to the operation of his design for the steam engine. This linkage also appears in vehicle suspensions to prevent side-to-side movement of the body relative to the wheels. Also see the article Parallel motion.
  • The success of Watt's linkage lead to the design of similar approximate straight-line linkages, such as Hoeken's linkage and Chebyshev's linkage.
  • The Peaucellier linkage generates a true straight-line output from a rotary input.
  • The Sarrus linkage is a spatial linkage that generates straight-line movement from a rotary input.
  • The Klann linkage and the Jansen linkage are recent inventions that provide interesting walking movements. They are respectively a six-bar and an eight-bar linkage.

Planar mechanism

A planar mechanism is a mechanical system that is constrained so the trajectories of points in all the bodies of the system lie on planes parallel to a ground plane. The rotational axes of hinged joints that connect the bodies in the system are perpendicular to this ground plane.

Spherical mechanism

A spherical mechanism is a mechanical system in which the bodies move in a way that the trajectories of points in the system lie on concentric spheres. The rotational axes of hinged joints that connect the bodies in the system pass through the center of these circle.

Spatial mechanism

A spatial mechanism is a mechanical system that has at least one body that moves in a way that its point trajectories are general space curves. The rotational axes of hinged joints that connect the bodies in the system form lines in space that do not intersect and have distinct common normals.

Flexure mechanisms

A flexure mechanism consists of a series of rigid bodies connected by compliant elements (also known as flexure joints) that is designed to produce a geometrically well-defined motion upon application of a force.

Machine elements

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.

المكونات الهيكلية

يؤدي عدد من عناصر الآلة وظائف هيكلية مهمة مثل الإطار والمحامل والوصلات والزنبركات والأختام.

أجهزة التحكم

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.

آلات الحوسبة

آلة حسابية
صُمم جهاز الحساب بواسطة تشارلز كزافييه توماس، حوالي عام 1820 ، لقواعد الحساب الأربع. صُنع الجهاز بين عامي 1866 و1870  ميلاديًا، وعُرض في متحف تيكنيسكا في ستوكهولم، السويد.

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 .

الآلات الجزيئية

الريبوسوم هو آلة بيولوجية تستخدم ديناميكيات البروتين .

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 ]

تأثير

الميكنة والأتمتة

استُخدمت هذه الرافعة المنجمية التي تعمل بالطاقة المائية لرفع الخام. هذه اللوحة الخشبية مأخوذة من كتاب "De re metallica" لجورج باور (الاسم اللاتيني: جورجيوس أغريكولا ، حوالي عام 1555 )، وهو كتاب مدرسي مبكر في مجال التعدين يحتوي على العديد من الرسومات والأوصاف لمعدات التعدين.

الميكنة (أو الميكنة في اللغة الإنجليزية البريطانية ) هي تزويد المشغلين البشريين بآلات تساعدهم في أداء المهام العضلية أو تغنيهم عن العمل العضلي. في بعض المجالات، تشمل الميكنة استخدام الأدوات اليدوية. أما في الاستخدام الحديث، كالهندسة والاقتصاد، فتشير الميكنة إلى آلات أكثر تعقيدًا من الأدوات اليدوية، ولا تشمل الأجهزة البسيطة كطاحونة الحصان أو الحمار غير المسننة. تُعتبر عادةً آلات هي تلك التي تُحدث تغييرات في السرعة، أو تغييرات من أو إلى حركة ترددية إلى دورانية، باستخدام وسائل مثل التروس والبكرات والأحزمة والأعمدة والكامات والمرفقات . بعد انتشار الكهرباء ، عندما لم تعد معظم الآلات الصغيرة تعمل يدويًا، أصبحت الميكنة مرادفة للآلات المُحركة. [ 59 ]

الأتمتة هي استخدام أنظمة التحكم وتقنيات المعلومات لتقليل الحاجة إلى العمل البشري في إنتاج السلع والخدمات. وفي سياق التصنيع ، تُعدّ الأتمتة خطوة متقدمة عن الميكنة . فبينما تُزوّد ​​الميكنة المشغلين بالآلات لمساعدتهم في أداء المهام البدنية الشاقة، تُقلّل الأتمتة بشكل كبير من الحاجة إلى الجهد الحسي والذهني البشري. وتلعب الأتمتة دورًا متزايد الأهمية في الاقتصاد العالمي وفي حياتنا اليومية.

الأوتوماتا

الآلة ذاتية التشغيل (جمعها: آلات ذاتية التشغيل) هي آلة تعمل ذاتيًا. تُستخدم الكلمة أحيانًا لوصف الروبوت ، وتحديدًا الروبوت المستقل . تم تسجيل براءة اختراع لآلة لعبة ذاتية التشغيل في عام 1863. [ 60 ]

الميكانيكا

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.

ديناميكيات الآلات

يبدأ التحليل الديناميكي للآلات بنموذج الجسم الصلب لتحديد ردود الفعل عند المحامل، وعند هذه النقطة تُؤخذ تأثيرات المرونة في الحسبان. يدرس ديناميكيات الجسم الصلب حركة أنظمة الأجسام المترابطة تحت تأثير القوى الخارجية. إن افتراض أن الأجسام صلبة، أي أنها لا تتشوه تحت تأثير القوى المؤثرة، يُبسط التحليل عن طريق اختزال المعلمات التي تصف تكوين النظام إلى انتقال ودوران أطر مرجعية متصلة بكل جسم. [ 62 ] [ 63 ]

تُحدد ديناميكيات نظام الجسم الصلب بمعادلات حركته ، والتي تُشتق إما باستخدام قوانين نيوتن للحركة أو ميكانيكا لاغرانج . ويُحدد حل هذه المعادلات كيفية تغير شكل نظام الأجسام الصلبة مع مرور الوقت. ويُعد صياغة وحل ديناميكيات الجسم الصلب أداةً مهمةً في المحاكاة الحاسوبية للأنظمة الميكانيكية .

حركيات الآلات

يتطلب التحليل الديناميكي للآلة تحديد حركة أجزائها المكونة، أو حركياتها ، وهو ما يُعرف بالتحليل الحركي. ويفترض أن النظام عبارة عن مجموعة من مكونات صلبة، مما يسمح بنمذجة الحركة الدورانية والانتقالية رياضياً كتحويلات إقليدية، أو تحويلات صلبة . وهذا يُمكّن من تحديد موضع وسرعة وتسارع جميع النقاط في المكون انطلاقاً من هذه الخصائص لنقطة مرجعية، بالإضافة إلى الموضع الزاوي والسرعة الزاوية والتسارع الزاوي للمكون.

تصميم الآلات

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.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 آشر، أبوت بايسون (1988). تاريخ الاختراعات الميكانيكية . الولايات المتحدة: منشورات كوريير دوفر. ص  98. ISBN 978-0-486-25593-4تمت أرشفة النسخة الأصلية بتاريخ 2016-08-18 .
  2. ↑ قاموس التراث الأمريكي ، الطبعة الجامعية الثانية. شركة هوتون ميفلين، 1985.
  3. ↑ "μηχανή" مؤرشف بتاريخ 29-06-2011 في Wayback Machine ، هنري جورج ليدل، روبرت سكوت، معجم يوناني-إنجليزي ، على مشروع بيرسيوس
  4. ↑ "μῆχος" مؤرشف بتاريخ 29-06-2011 في Wayback Machine ، هنري جورج ليدل، روبرت سكوت، معجم يوناني-إنجليزي ، على مشروع بيرسيوس
  5. ↑ قواميس أكسفورد، آلة
  6. ↑ كارل فون لانغسدورف (1826) علم الآلات ، نقلاً عن رولو، فرانز (1876). حركية الآلات: ملامح نظرية الآلات . ماكميلان. ص 604 . 
  7. ↑ تيريز ماكغواير، ضوء على الأحجار المقدسة ، في كون، ماري أ.؛ تيريز بنديكت ماكغواير (2007). ليس محفورًا في الحجر: مقالات عن الذاكرة الطقسية والروح والمجتمع . مطبعة جامعة أمريكا. ص 23. ISBN  978-0-7618-3702-2.
  8. ↑ داتش، ستيفن (1999). "إنجازات ما قبل الإغريق" . إرث العالم القديم . صفحة البروفيسور ستيف داتش، جامعة ويسكونسن في غرين باي. مؤرشفة من الأصل في 21 أغسطس 2016. تم الاطلاع عليها في 13 مارس 2012 .
  9. ↑ موري، بيتر روجر ستيوارت (1999). مواد وصناعات بلاد ما بين النهرين القديمة: الأدلة الأثرية . آيزنبراونز . ISBN 9781575060422.
  10. ↑ دي تي بوتس (2012). دليل علم آثار الشرق الأدنى القديم . ص 285. 
  11. 1 2 بايبتيس، إس إيه؛ سيكاريلي، ماركو (2010). عبقرية أرخميدس - 23 قرنًا من التأثير على الرياضيات والعلوم والهندسة: وقائع مؤتمر دولي عُقد في سيراكيوز، إيطاليا، 8-10 يونيو 2010. سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا . ص 416. ISBN  9789048190911.
  12. ↑ كلارك، سومرز؛ إنجلباخ، ريجينالد (1990). البناء والعمارة المصرية القديمة . شركة كورير . الصفحات 86-90 . ISBN  9780486264851.
  13. ↑ فايلا، غراهام (2006). تكنولوجيا بلاد ما بين النهرين . مجموعة روزن للنشر . ص 27. ISBN  9781404205604.
  14. 1 2 موري، بيتر روجر ستيوارت (1999). مواد وصناعات بلاد ما بين النهرين القديمة: الأدلة الأثرية . آيزنبراونز . ص 4. ISBN  9781575060422.
  15. ↑ أرنولد، ديتر (1991). البناء في مصر: فن البناء الحجري الفرعوني . مطبعة جامعة أكسفورد. ص 71. ISBN  9780195113747.
  16. ↑ وودز، مايكل؛ ماري ب. وودز (2000). الآلات القديمة: من الأوتاد إلى دواليب المياه . الولايات المتحدة: كتب القرن الحادي والعشرين. ص 58. ISBN  0-8225-2994-7.
  17. ↑ وود، مايكل (2000). الآلات القديمة: من الأنين إلى الكتابة على الجدران . مينيابوليس ، مينيسوتا: دار نشر رونستون. ص 35، 36. ISBN  0-8225-2996-3.
  18. ↑ أسيموف، إسحاق (1988)، فهم الفيزياء ، نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: بارنز أند نوبل، ص 88، ISBN  978-0-88029-251-1تمت أرشفة هذا النص من النسخة الأصلية بتاريخ 2016-08-18.
  19. 1 2 تشيو، واي سي (2010)، مقدمة في تاريخ إدارة المشاريع ، دلفت: إيبورون للنشر الأكاديمي، ص 42، ISBN  978-90-5972-437-2تمت أرشفة هذا النص من النسخة الأصلية بتاريخ 18 أغسطس 2016.
  20. ↑ أوستديك، فيرن؛ بورد، دونالد (2005). بحث في الفيزياء . تومسون بروكس/كول. ص 123. ISBN  978-0-534-49168-0أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 28-05-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-05-2008 .
  21. ↑ ستريزاك، فيكتور؛ إيغور بينكوف؛ تويفو بابيل (2004). "تطور تصميم واستخدام وحسابات قوة الخيوط اللولبية والوصلات الملولبة" . ندوة HMM2004 الدولية حول تاريخ الآلات والآليات . دار نشر كلوير الأكاديمية. ص 245. ISBN  1-4020-2203-4أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 7 يونيو 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 مايو 2008 .
  22. ↑ أحمد ي حسن ، دونالد روتليدج هيل (1986). التكنولوجيا الإسلامية: تاريخ مصور ، ص 54. مطبعة جامعة كامبريدج . ISBN 0-521-42239-6.
  23. ↑ لوكاس، آدم (2006)، الرياح، الماء، العمل: تكنولوجيا الطحن القديمة والوسيطة ، دار بريل للنشر، ص 65، رقم ISBN  90-04-14649-0
  24. ↑ إلدريج ، فرانك (1980). آلات الرياح ( الطبعة الثانية). نيويورك: دار ليتون للنشر التعليمي، ص 15. ISBN   0-442-26134-9.
  25. ↑Shepherd, William (2011). Electricity Generation Using Wind Power (1 ed.). Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. p. 4. ISBN 978-981-4304-13-9.
  26. ↑Taqi al-Din and the First Steam Turbine, 1551 A.D.Archived 2008-02-18 at the Wayback Machine, web page, accessed on line 23 October 2009; this web page refers to Ahmad Y Hassan (1976), Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, pp. 34–5, Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo.
  27. ↑Ahmad Y. Hassan (1976), Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, p. 34–35, Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo
  28. ↑Lakwete, Angela (2003). Inventing the Cotton Gin: Machine and Myth in Antebellum America. Baltimore: The Johns Hopkins University Press. pp. 1–6. ISBN 9780801873942.
  29. ↑Pacey, Arnold (1991) [1990]. Technology in World Civilization: A Thousand-Year History (First MIT Press paperback ed.). Cambridge MA: The MIT Press. pp. 23–24.
  30. ↑Žmolek, Michael Andrew (2013). Rethinking the Industrial Revolution: Five Centuries of Transition from Agrarian to Industrial Capitalism in England. BRILL. p. 328. ISBN 9789004251793. The spinning jenny was basically an adaptation of its precursor the spinning wheel
  31. ↑Koetsier, Teun (2001), "On the prehistory of programmable machines: musical automata, looms, calculators", Mechanism and Machine Theory, 36 (5), Elsevier: 589–603, doi:10.1016/S0094-114X(01)00005-2.
  32. ↑Kapur, Ajay; Carnegie, Dale; Murphy, Jim; Long, Jason (2017). "Loudspeakers Optional: A history of non-loudspeaker-based electroacoustic music". Organised Sound. 22 (2). Cambridge University Press: 195–205. doi:10.1017/S1355771817000103. ISSN 1355-7718.
  33. ↑Professor Noel Sharkey, A 13th Century Programmable Robot (Archive), University of Sheffield.
  34. 12Krebs, Robert E. (2004). Groundbreaking Experiments, Inventions, and Discoveries of the Middle Ages. Greenwood Publishing Group. p. 163. ISBN 978-0-313-32433-8أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 28-05-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21-05-2008 .
  35. ↑ ستيفن، دونالد؛ لويل كاردويل (2001). العجلات والساعات والصواريخ: تاريخ التكنولوجيا . الولايات المتحدة: دبليو دبليو نورتون وشركاه. الصفحات 85-87 . ISBN  978-0-393-32175-3تمت أرشفة النسخة الأصلية بتاريخ 2016-08-18 .
  36. ↑ أرمسترونغ-هيلوفري، برايان (1991). التحكم في الآلات ذات الاحتكاك . الولايات المتحدة: سبرينغر. ص 10. ISBN  978-0-7923-9133-3تمت أرشفة النسخة الأصلية بتاريخ 2016-08-18 .
  37. ↑ بينوك، جي آر، جيمس وات (1736-1819)، شخصيات بارزة في علم الآليات والآلات، تحرير إم. سيكاريلي، سبرينغر، 2007، رقم ISBN 978-1-4020-6365-7(مطبوع) 978-1-4020-6366-4 (عبر الإنترنت).
  38. ↑ بيك ب.، روجر (1999). التاريخ العالمي: أنماط التفاعل . إيفانستون، إلينوي: ماكدوغال ليتل.
  39. ↑ تشامبرز، إفرايم (1728)، "جدول الميكانيكا"، الموسوعة، قاموس مفيد للفنون والعلوم ، المجلد 2، لندن، إنجلترا، ص 528، اللوحة 11  .
  40. ↑ مون، إف سي ، مجموعة رولو للآليات الحركية في جامعة كورنيل، 1999. مؤرشف في 18 مايو 2015 على موقع Wayback Machine.
  41. ↑ هارتنبرغ، آر إس وج. دينافيت (1964) التركيب الحركي للروابط مؤرشف في 2011-05-19 في Wayback Machine ، نيويورك: ماكجرو هيل، رابط عبر الإنترنت من جامعة كورنيل .
  42. 1 2 3 4 J. J. Uicker, GR Pennock, and JE Shigley, 2003, Theory of Machines and Mechanisms , Oxford University Press, New York.
  43. ↑ "ميكانيكي" . قاموس أكسفورد الإنجليزي ( الطبعة الإلكترونية). مطبعة جامعة أكسفورد. (يشترط الاشتراك أو عضوية المؤسسة المشاركة .)
  44. ↑ تعريف قاموس ميريام-ويبستر لكلمة "ميكانيكي" (مؤرشف بتاريخ 20 أكتوبر 2011 في أرشيف الإنترنت )
  45. 1 2 رولو، ف.، 1876 حركيات الآلات مؤرشفة في 2013-06-02 في آلة Wayback (ترجمة وتعليق أ.ب.و. كينيدي)، أعيد طبعه بواسطة دوفر، نيويورك (1963)
  46. ↑ JM McCarthy و GS Soh، 2010، التصميم الهندسي للوصلات، مؤرشف في 2016-08-19 في Wayback Machine Springer، نيويورك.
  47. ↑ تعريف قاموس ميريام-ويبستر للمحرك
  48. ↑"Internal combustion engine", Concise Encyclopedia of Science and Technology, Third Edition, Sybil P. Parker, ed. McGraw-Hill, Inc., 1994, p. 998.
  49. ↑Brett, Christopher M. A; Brett, Ana Maria Oliveira (1993). Electrochemistry: principles, methods, and applications. Oxford; New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855389-2. OCLC 26398887.
  50. 12Crompton, T. R. (2000-03-20). Battery Reference Book. Elsevier. ISBN 978-0-08-049995-6.
  51. 12"Solar Cells -- Performance And Use".
  52. 12Fernández-Yáñez, P.; Romero, V.; Armas, O.; Cerretti, G. (2021-09-01). "Thermal management of thermoelectric generators for waste energy recovery". Applied Thermal Engineering. 196 117291. Bibcode:2021AppTE.19617291F. doi:10.1016/j.applthermaleng.2021.117291. ISSN 1359-4311.
  53. ↑Robert L. Norton, Machine Design, (4th Edition), Prentice-Hall, 2010
  54. ↑Satir, Peter; Søren T. Christensen (2008-03-26). "Structure and function of mammalian cilia". Histochemistry and Cell Biology. 129 (6): 687–93. doi:10.1007/s00418-008-0416-9. PMC 2386530. PMID 18365235. 1432-119X.
  55. ↑Kinbara, Kazushi; Aida, Takuzo (2005-04-01). "Toward Intelligent Molecular Machines: Directed Motions of Biological and Artificial Molecules and Assemblies". Chemical Reviews. 105 (4): 1377–1400. Bibcode:2005ChRv..105.1377K. doi:10.1021/cr030071r. ISSN 0009-2665. PMID 15826015.
  56. ↑Bu Z, Callaway DJ (2011). "Proteins MOVE! Protein dynamics and long-range allostery in cell signaling". Protein Structure and Diseases. Advances in Protein Chemistry and Structural Biology. Vol. 83. pp. 163–221. doi:10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7. ISBN 9780123812629. PMID 21570668.
  57. ↑Marras, A., Zhou, L., Su, H., and Castro, C.E. Programmable motion of DNA origami mechanisms, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015Archived 2017-08-04 at the Wayback Machine
  58. ↑McCarthy, C, DNA Origami Mechanisms and Machines | Mechanical Design 101, 2014Archived 2017-09-18 at the Wayback Machine
  59. ↑Jerome (1934) gives the industry classification of machine tools as being "other than hand power". Beginning with the 1900 U.S. census, power use was part of the definition of a factory, distinguishing it from a workshop.
  60. ↑"U.S. Patent and Trademark Office, Patent# 40891, Toy Automaton". Google Patents. Retrieved 2007-01-07.
  61. ↑A. P. Usher, 1929, A History of Mechanical InventionsArchived 2013-06-02 at the Wayback Machine, Harvard University Press (reprinted by Dover Publications 1968).
  62. ↑B. Paul, Kinematics and Dynamics of Planar Machinery, Prentice-Hall, NJ, 1979
  63. ↑L. W. Tsai, Robot Analysis: The mechanics of serial and parallel manipulators, John-Wiley, NY, 1999.

Further reading

  • Oberg, Erik; Franklin D. Jones; Holbrook L. Horton; Henry H. Ryffel (2000). Christopher J. McCauley; Riccardo Heald; Muhammed Iqbal Hussain (eds.). Machinery's Handbook (26th ed.). New York: Industrial Press Inc. ISBN 978-0-8311-2635-3.
  • Reuleaux, Franz (1876). The Kinematics of Machinery. Trans. and annotated by A. B. W. Kennedy. New York: reprinted by Dover (1963).
  • Uicker, J. J.; G. R. Pennock; J. E. Shigley (2003). Theory of Machines and Mechanisms. New York: Oxford University Press.
  • Oberg, Erik; Franklin D. Jones; Holbrook L. Horton; Henry H. Ryffel (2000). Christopher J. McCauley; Riccardo Heald; Muhammed Iqbal Hussain (eds.). Machinery's Handbook (30th ed.). New York: Industrial Press Inc. ISBN 9780831130992.