مطرقة بخارية

أشار جيمس وات (1736-1819) إلى إمكانية استخدام مطرقة بخارية في براءة اختراعه بتاريخ 28 أبريل 1784 لمحرك بخاري مُحسَّن. ^{[ 12 ]} وصف وات "مطارق أو طوابع ثقيلة، لتشكيل أو ختم الحديد أو النحاس أو المعادن الأخرى، أو مواد أخرى دون الحاجة إلى حركات دورانية أو عجلات، وذلك بتثبيت المطرقة أو الطابع المراد تشكيله إما مباشرةً على مكبس أو قضيب مكبس المحرك." ^{[ 13 ]} كان تصميم وات يتضمن أسطوانة في أحد طرفي عارضة خشبية ومطرقة في الطرف الآخر. لم تكن المطرقة تتحرك عموديًا، بل في مسار دائري. ^{[ 14 ]} في 6 يونيو 1806، قدم دبليو. ديفيريل، مهندس من مقاطعة سري، براءة اختراع لمطرقة أو طابع يعمل بالبخار. كانت المطرقة تُلحم بقضيب مكبس داخل أسطوانة. يُضخ البخار من غلاية أسفل المكبس، مما يرفعه ويضغط الهواء فوقه. ثم يتم إطلاق البخار، ويدفع الهواء المضغوط المكبس إلى الأسفل. ^{[ 13 ]}

في أغسطس 1827، مُنح جون هاغ براءة اختراع لطريقة تشغيل الرافعات والمطارق المائلة التي تعمل بواسطة مكبس داخل أسطوانة متذبذبة، حيث تُوفر طاقة الهواء القوة الدافعة. يتم إحداث فراغ جزئي في أحد طرفي أسطوانة طويلة بواسطة مضخة هواء تعمل بمحرك بخاري أو مصدر طاقة آخر، ويدفع الضغط الجوي المكبس إلى داخل ذلك الطرف من الأسطوانة. عند عكس اتجاه صمام، يتشكل الفراغ في الطرف الآخر، ويُدفع المكبس في الاتجاه المعاكس. ^{[ 15 ]} صنع هاغ مطرقة وفقًا لهذا التصميم لتسوية المقالي. بعد سنوات عديدة، عند مناقشة مزايا الهواء على البخار في توليد الطاقة، ذُكر أن مطرقة هاغ الهوائية "كانت تعمل بسرعة فائقة لدرجة أنه كان من المستحيل رؤية موضع المطرقة أثناء عملها، وكان تأثيرها أشبه بتطبيق ضغط مستمر". مع ذلك، لم يكن من الممكن التحكم في قوة الضربات. ^{[ 16 ]}

يبدو من المرجح أن المهندس الاسكتلندي جيمس ناسمييث (1808-1890) ونظيره الفرنسي فرانسوا بوردون (1797-1865) قد أعادا اختراع مطرقة البخار بشكل مستقل عام 1839، حيث سعى كلاهما لحل مشكلة واحدة تتعلق بتشكيل الأعمدة والمرفقات لمحركات البخار المتزايدة الحجم المستخدمة في القاطرات والقوارب ذات المجاديف. ^{[ 17 ]} ومع ذلك، يشير تقرير صدر عام 1847 إلى أن المخترع هو الأمريكي لويس كيرك. ^{[ 18 ]} في "سيرة ناسمييث الذاتية" التي كتبها صموئيل سمايلز عام 1883 ، وصف كيف نشأت الحاجة إلى عمود مجداف لسفينة إس إس غريت بريتن ، الباخرة الجديدة العابرة للمحيط الأطلسي التي صممها إسامبارد كينغدوم برونيل ، بقطر 30 بوصة (760 مم) ، وهو أكبر من أي عمود تم تشكيله سابقًا. ابتكر تصميمه لمطرقة البخار، ورسم مخططًا مؤرخًا في 24 نوفمبر 1839، لكن الحاجة المُلحة اختفت عندما تم إثبات جدوى المراوح اللولبية، وتم تحويل سفينة " غريت بريتن" إلى هذا التصميم. عرض ناسمييث تصميمه على جميع الزوار. ^{[ 19 ]} 

ابتكر بوردون فكرة ما أسماه "بيلون" عام 1839، ورسم رسومات تفصيلية لتصميمه، وعرضها على جميع المهندسين الذين زاروا مصانع لو كروزوت المملوكة للأخوين أدولف ويوجين شنايدر . ^{[ 19 ]} مع ذلك، تردد الأخوان شنايدر في بناء آلة بوردون الجديدة والمبتكرة. زار بوردون ويوجين شنايدر مصانع ناسمييث في إنجلترا منتصف عام 1840، حيث اطلعا على رسم ناسمييث التخطيطي. أكد هذا لشنايدر جدوى الفكرة. ^{[ 17 ]} في عام 1840، بنى بوردون أول مطرقة بخارية في العالم في مصانع شنايدر وشركاه في لو كروزوت. بلغ وزنها 2500 كيلوغرام (5500 رطل) ووصل ارتفاعها إلى مترين (6 أقدام و7 بوصات) . حصل الأخوان شنايدر على براءة اختراع التصميم عام 1841. ^{[ 20 ]}   

زار ناسمييث لو كروزوت في أبريل 1842. وبحسب روايته، اصطحبه بوردون إلى قسم الحدادة لكي يرى، كما قال، "ابنه". قال ناسمييث: "ها هو ذا، حقًا – ابن عقلي النابض!" ^{[ 19 ]} بعد عودته من فرنسا عام 1842، صنع ناسمييث أول مطرقة بخارية له في مسبك باتريكروفت الخاص به في مانشستر ، إنجلترا ، بجوار خط سكة حديد ليفربول ومانشستر (الذي كان جديدًا آنذاك) وقناة بريدج ووتر . ^{[ 21 ]} في عام 1843، نشب خلاف بين ناسمييث وبوردون حول أسبقية اختراع المطرقة البخارية. تمكن ناسمييث، وهو مُروِّج بارع، من إقناع الكثيرين بأنه كان الأول. ^{[ 22 ]}

صُممت أول مطرقة بخارية لناسميث، الموصوفة في براءة اختراعه بتاريخ 9 ديسمبر 1842، لصالح مصانع لو مور في برادفورد. رفضت المصانع الآلة، لكنها قبلت في 18 أغسطس 1843 نسخةً مُحسّنة مزودة بتروس ذاتية التشغيل. ^{[ 23 ]} روبرت ويلسون (1803-1882)، الذي اخترع أيضًا المروحة اللولبية وكان مديرًا لمصانع ناسميث في بريدج ووتر، هو من اخترع الحركة ذاتية التشغيل التي مكّنت من ضبط قوة الضربة التي تُوجهها المطرقة - وهو تحسين بالغ الأهمية. ^{[ 24 ]} قال أحد الكُتّاب الأوائل عن تروس ويلسون: "... سأكون أكثر فخرًا لو قلت إنني مخترع تلك الحركة، من أن أقول إنني قدت فوجًا في واترلو..." ^{[ 23 ]} أصبحت مطارق ناسميث البخارية قادرة الآن على تغيير قوة الضربة عبر نطاق واسع. كان ناسميث مولعًا بكسر بيضة موضوعة في كأس نبيذ دون كسر الكأس، ثم يتبع ذلك ضربة تهز المبنى. ^{[ 21 ]}

بحلول عام 1868، أدخل المهندسون تحسينات إضافية على التصميم الأصلي. كان مطرقة البخار التي صممها جون كوندي لصالح شركة فولتون في غلاسكو، مزودة بمكبس ثابت وأسطوانة متحركة تُثبّت عليها المطرقة. كان المكبس مجوفًا، ويُستخدم لتوصيل البخار إلى الأسطوانة ثم إزالته. بلغ وزن المطرقة 6.5 طن، وشوطها 7.5 قدم (2.3 متر) . ^{[ 25 ]} استُخدمت مطارق البخار من تصميم كوندي في تشكيل أعمدة سفينة إس إس غريت إيسترن التابعة لإسامبارد كينغدوم برونيل . ^{[ 26 ]} وُصفت مطرقة هواء مضغوط عالية السرعة في مجلة الميكانيكيين عام 1865، وهي نسخة معدلة من مطرقة البخار تُستخدم في الأماكن التي لا تتوفر فيها طاقة البخار أو في البيئات شديدة الجفاف. ^{[ 27 ]} 

كانت مطارق البخار في مصانع بولينغ للحديد تُثبّت أسطوانة البخار في الجزء الخلفي من المطرقة، مما قلّل من ارتفاع الآلة. ^{[ 25 ]} صمّم هذه المطارق جون تشارلز بيرس، الذي حصل على براءة اختراع لتصميمه قبل سنوات من انتهاء صلاحية براءة اختراع ناسمييث. ^{[ 28 ]} اقترح ماري جوزيف فاركوت من باريس عددًا من التحسينات، بما في ذلك ترتيب يجعل البخار يعمل من الأعلى، مما يزيد من قوة الضرب، وتحسين ترتيب الصمامات، واستخدام النوابض والمواد لامتصاص الصدمات ومنع الكسر. ^{[ 25 ] [ 29 ]} اخترع جون رامسبوتوم مطرقة مزدوجة، بمكبسين يتحركان أفقيًا باتجاه قطعة حديد موضوعة بينهما. ^{[ 30 ]}

باستخدام نفس مبادئ التشغيل، طوّر ناسمييث آلة دقّ ركائز تعمل بالبخار . عند استخدامها لأول مرة في ديفونبورت ، أُجريت منافسة حامية. تمكّن محركه من دقّ ركيزة في أربع دقائق ونصف، مقارنةً باثنتي عشرة ساعة التي تتطلبها الطريقة التقليدية. ^{[ 31 ]} وسرعان ما تبيّن أن المطرقة ذات الارتفاع القصير نسبيًا أكثر فعالية من الآلة الأطول. إذ تستطيع الآلة الأقصر توجيه ضربات أكثر بكثير في فترة زمنية محددة، ما يؤدي إلى دقّ الركيزة بشكل أسرع، على الرغم من أن كل ضربة كانت أصغر حجمًا. كما أنها تُلحق ضررًا أقل بالركيزة. ^{[ 32 ]}

استندت آلات التثبيت التي صممها غارفورث وكوك إلى مطرقة البخار. ^{[ 33 ]} وذكر كتالوج المعرض الكبير الذي أقيم في لندن عام 1851 عن تصميم غارفورث: "بهذه الآلة، يستطيع رجل واحد وثلاثة صبية تثبيت المسامير بسهولة تامة وبأقصى قدر من المتانة، بمعدل ستة مسامير في الدقيقة، أو ثلاثمائة وستين مسمارًا في الساعة." ^{[ 34 ]} وشملت الأنواع الأخرى كسارات للمساعدة في استخراج خام الحديد من الكوارتز، ومطرقة لحفر ثقوب في صخور المحاجر لوضع شحنات البارود. ^{[ 33 ]} وذكر كتاب صدر عام 1883 عن ممارسات البخار الحديثة أن

يُعدّ استخدام البخار مباشرةً في مطارق الحدادة بلا شكّ أعظم تحسينٍ طرأ على آلات الحدادة؛ فهو لم يُبسّط العمليات التي كانت تُجرى قبل اختراعه فحسب، بل أضاف فروعًا عديدة، ووسّع فنّ الحدادة، إلى أغراضٍ ما كان ليُمكن تحقيقها لولا مطرقة البخار. ... تبدو مطرقة البخار ... مُلائمةً تمامًا لمختلف ظروف الطرق الآليّ، بحيث لا يبدو أن هناك ما يُمكن تحسينه أكثر من ذلك... ^{[ 35 ]}

صنعت شركة شنايدر وشركاؤه 110 مطارق بخارية بين عامي 1843 و1867 بأحجام ومعدلات ضرب مختلفة، لكنها اتجهت نحو آلات أكبر حجماً لتلبية متطلبات المدافع الضخمة ومحاور المحركات والصفائح المدرعة، مع تزايد استخدام الفولاذ بدلاً من الحديد المطاوع. في عام 1861، دخلت مطرقة "فريتز" البخارية حيز التشغيل في مصانع كروب في مدينة إيسن بألمانيا. وبقوة ضرب تبلغ 50 طناً، ظلت لسنوات عديدة الأقوى في العالم. ^{[ 36 ]}

تُروى قصةٌ مفادها أن مطرقة فريتز البخارية سُميت نسبةً إلى عاملٍ يُدعى فريتز، قدّمه ألفريد كروب للإمبراطور ويليام عندما زار المصنع عام ١٨٧٧. أخبر كروب الإمبراطور أن فريتز كان يُتقن استخدام الآلة لدرجة أنه كان يستطيع إطلاق المطرقة دون أن يُلحق أي ضررٍ بالجسم الموضوع في مركز الكتلة. وضع الإمبراطور ساعته المرصعة بالألماس على الفور على الكتلة، وأشار إلى فريتز لبدء تشغيل المطرقة. عندما تردد العامل، قال له كروب: "فريتز، أطلق العنان!". امتثل العامل للأمر، ولم تُصب الساعة بأذى، فأهداها الإمبراطور إلى فريتز. أمر كروب بنقش عبارة "فريتز، أطلق العنان!" على المطرقة. ^{[ ٣٧ ]}

أدرك آل شنايدر في نهاية المطاف الحاجة إلى مطرقة ذات أبعاد هائلة. ^{[ 36 ]} كانت مطرقة كريزو البخارية مطرقة بخارية عملاقة بُنيت عام 1877 من قِبل شركة شنايدر وشركاه في مدينة لو كريزو الصناعية الفرنسية . وبقدرتها على توجيه ضربة تصل قوتها إلى 100 طن، كانت مطرقة كريزو الأكبر والأقوى في العالم. ^{[ 38 ]} بُنيت نسخة خشبية منها لمعرض إكسبو العالمي (1878) في باريس. وفي عام 1891، اشترت شركة بيت لحم للحديد الأمريكية حقوق براءة الاختراع من شنايدر، وصنعت مطرقة بخارية بتصميم مطابق تقريبًا ، ولكنها قادرة على توجيه ضربة تزن 125 طنًا. ^{[ 38 ]}

في نهاية المطاف، أصبحت مطارق البخار الضخمة عتيقة الطراز، وحلت محلها المكابس الهيدروليكية والميكانيكية. كانت المكابس تُطبق القوة ببطء وبمعدل ثابت، مما يضمن تجانس البنية الداخلية للمشغولات المعدنية، وخلوها من العيوب الداخلية الخفية. ^{[ 39 ]} كما كانت أقل تكلفة في التشغيل، إذ لا تتطلب تفريغ البخار، وأقل تكلفة بكثير في البناء، إذ لا تتطلب أساسات ضخمة وقوية.

يقف مطرقة كريوسوت البخارية، التي صُنعت عام ١٨٧٧، كنصب تذكاري في ساحة بلدة كريوسوت. ^{[ ٣٩ ]} وتقف مطرقة ناسمييث الأصلية مقابل مباني مصنعه (التي أصبحت الآن "مجمعًا تجاريًا"). كما توجد مطرقة بخارية أكبر من صنع ناسمييث وويلسون في حرم جامعة بولتون .

لا تزال المطارق البخارية تُستخدم لدقّ الركائز في الأرض. ^{[ 1 ]} يُعدّ البخار المُزوّد ​​بواسطة مولد بخار متداول أكثر كفاءة من الهواء. ^{[ 40 ]} مع ذلك، يُستخدم الهواء المضغوط اليوم غالبًا بدلًا من البخار. ^{[ 32 ]} وحتى عام 2013، استمرّ المصنّعون في بيع مطارق دقّ الركائز التي تعمل بالهواء/البخار. ^{[ 41 ]} كما يستمرّ مورّدو خدمات الحدادة في استخدام المطارق البخارية بأحجام مختلفة بناءً على تصاميم كلاسيكية. ^{[ 42 ]}