أنظمة هوائية

علم الهوائيات (من اليونانية πνεῦμα pneuma 'الريح، النفس') هو استخدام الغاز أو الهواء المضغوط لخلق حركة ميكانيكية في الأنظمة الميكانيكية. ^{[ 1 ]}

تُستخدم الأنظمة الهوائية في الصناعة عادةً بالهواء المضغوط أو الغازات الخاملة المضغوطة. ويقوم ضاغط مركزي يعمل بالكهرباء بتشغيل الأسطوانات والمحركات الهوائية والمشغلات الهوائية وغيرها من الأجهزة الهوائية. ويُفضّل اختيار نظام هوائي يتم التحكم فيه عبر صمامات الملف اللولبي اليدوية أو الأوتوماتيكية عندما يُوفّر بديلاً أقل تكلفة وأكثر مرونة وأمانًا من المحركات الكهربائية والمشغلات الهيدروليكية .

تُستخدم أنظمة الهواء المضغوط أيضًا في طب الأسنان والبناء والتعدين وغيرها من المجالات . ^{[ 2 ]}

على الرغم من أن التاريخ المبكر لعلم الهواء المضغوط غير واضح تمامًا، إلا أن بنادق النفخ تُعتبر غالبًا أقدم جهاز هوائي، حيث ابتكرته بشكل مستقل مجموعات محلية مختلفة حول العالم. وتُعدّ المنافيخ شكلًا مبكرًا من ضواغط الهواء، وكانت تُستخدم بشكل أساسي في الصهر والتشكيل. ويُعتبر كتيسيبيوس الإسكندري أبو علم الهواء المضغوط، "الذي عمل في أوائل القرن الثالث قبل الميلاد، واخترع عددًا من الألعاب الميكانيكية التي تعمل بالهواء والماء والبخار المضغوط". وعلى الرغم من عدم وجود أي وثائق مكتوبة من قِبل كتيسيبيوس، يُعتقد أنه أثّر بشكل كبير على فيلو البيزنطي أثناء كتابة كتابه " التركيب الميكانيكي" ، وكذلك على فيتروفيوس في كتابه "في العمارة" . ^{[ 3 ]} في القرن الأول قبل الميلاد، جمع عالم الرياضيات اليوناني القديم هيرو الإسكندري وصفات لعشرات الآلات في كتابه "علم الهواء المضغوط" . ويُعتقد أن جزءًا كبيرًا من هذا العمل يُنسب إلى كتيسيبيوس. ^{[ 4 ]} ألهمت التجارب الهوائية الموصوفة في هذه الوثائق القديمة لاحقًا مخترعي عصر النهضة الذين ابتكروا جهاز قياس الحرارة الهوائي (الثرموسكوب) وجهاز قياس الحرارة الهوائي ، وهما جهازان يعتمدان على تسخين وتبريد الهواء لتحريك عمود من الماء لأعلى ولأسفل أنبوب. ^{[ 5 ] : 4-5}

اخترع الفيزيائي الألماني أوتو فون غيريك (1602-1686) مضخة التفريغ، وهي جهاز قادر على سحب الهواء أو الغاز من الوعاء المتصل بها. وقد أثبت قدرة مضخة التفريغ على فصل أزواج من أنصاف الكرات النحاسية باستخدام ضغط الهواء.

تستخدم الأنظمة الهوائية في المنشآت الثابتة، مثل المصانع، الهواء المضغوط لأنه يمكن توفير إمداد مستدام عن طريق ضغط الهواء الجوي . ^{[ 6 ]} عادةً ما تتم إزالة الرطوبة من الهواء، وتضاف كمية صغيرة من الزيت عند الضاغط لمنع التآكل وتزييت المكونات الميكانيكية.

لا داعي للقلق بشأن تسرب الغازات السامة من أنظمة الطاقة الهوائية الموصولة بشبكة المصنع، لأن الغاز المستخدم عادةً ما يكون هواءً. أي غاز مضغوط آخر غير الهواء يُشكل خطر الاختناق، بما في ذلك النيتروجين الذي يُشكل 78% من الهواء. الأكسجين المضغوط (حوالي 21% من الهواء) لا يُسبب الاختناق، ولكنه لا يُستخدم في الأجهزة التي تعمل بالهواء المضغوط لأنه يُشكل خطرًا للحريق، وأكثر تكلفة، ولا يُقدم أي ميزة أداء مقارنةً بالهواء. يمكن للأنظمة الأصغر أو المستقلة استخدام غازات مضغوطة أخرى تُشكل خطر الاختناق، مثل النيتروجين - والذي يُشار إليه غالبًا باسم النيتروجين الخالي من الأكسجين (OFN) عند توريده في أسطوانات.

تُستخدم الأدوات الهوائية المحمولة والمركبات الصغيرة، مثل آلات حروب الروبوتات وغيرها من تطبيقات الهواة، غالبًا بواسطة ثاني أكسيد الكربون المضغوط ، نظرًا لتوافر حاويات مصممة خصيصًا لحفظه، مثل عبوات صودا ستريم وطفايات الحريق، ولأن التحول بين حالتي السائل والغاز يُتيح الحصول على كمية أكبر من الغاز المضغوط من حاوية أخف وزنًا مقارنةً بالهواء المضغوط. يُعد ثاني أكسيد الكربون غازًا خانقًا، وقد يُشكل خطرًا للتجمد في حال عدم تهويته بشكل صحيح.

تُعدّ كلٌّ من أنظمة الهواء المضغوط وأنظمة الهيدروليكا تطبيقاتٍ للطاقة السائلة . تستخدم أنظمة الهواء المضغوط غازًا سهل الانضغاط كالهواء أو غازًا نقيًا مناسبًا، بينما تستخدم أنظمة الهيدروليكا وسائط سائلة غير قابلة للانضغاط نسبيًا كالزيت. تستخدم معظم تطبيقات الهواء المضغوط الصناعية ضغوطًا تتراوح بين 80 و100 رطل لكل بوصة مربعة (550 إلى 690 كيلو باسكال ) . أما تطبيقات الهيدروليكا فتستخدم عادةً ضغوطًا تتراوح بين 1000 و5000 رطل لكل بوصة مربعة (6.9 إلى 34.5 ميجا باسكال) ، ولكن قد تتجاوز التطبيقات المتخصصة 50000 رطل لكل بوصة مربعة (340 ميجا باسكال) . ^{[ 7 ]}      

تُستخدم أنظمة المنطق الهوائي (التي تسمى أحيانًا أنظمة التحكم المنطقي الهوائي) أحيانًا للتحكم في العمليات الصناعية، وتتكون من وحدات منطقية أساسية مثل:

• والوحدات​
• أو وحدات
• وحدات الترحيل أو التعزيز
• وحدات الإغلاق
• وحدات المؤقت
• مضخمات السوائل التي لا تحتوي على أجزاء متحركة سوى الهواء نفسه

يُعدّ المنطق الهوائي طريقة تحكم موثوقة وفعّالة للعمليات الصناعية. في السنوات الأخيرة، حلت أنظمة التحكم الإلكترونية محل هذه الأنظمة إلى حد كبير في المنشآت الجديدة نظرًا لصغر حجمها، وانخفاض تكلفتها، ودقتها العالية، وميزاتها الأكثر قوة. ولا تزال الأجهزة الهوائية تُستخدم حيثما تكون تكلفة التحديث أو عوامل السلامة هي العامل الحاسم. ^{[ 8 ]}

يُعدّ مجال الروبوتات المرنة مجالاً آخر تُفيد فيه تقنية المنطق الهوائي . فمن خلال إدخال مكونات منطقية هوائية أبسط في الروبوتات المرنة، يُمكن استبدال المكونات الصلبة باهظة الثمن أو تقليل عددها، مما يُخفّض تكاليف تصنيع أنظمة الروبوتات المرنة. ^{[ 9 ]}

• الهواء المضغوط
• تشقق الأوزون – يمكن أن يؤثر على موانع التسرب الهوائية
• نظام هيدروليكي هوائي
• تاريخ الطاقة الهوائية

• برايان إس. إليوت، دليل تشغيل الهواء المضغوط ، شركة ماكجرو هيل للنشر، 2006، رقم ISBN 0-07-147526-5.
• هيريش ميستري، أساسيات هندسة الهواء المضغوط ، منشورات كريت سبيس الإلكترونية، 2013، رقم ISBN 1-49-372758-3.

• أربع طرق لتعزيز كفاءة الأنظمة الهوائية