القفل الرّقميّ

المقدمة

الأهداف التّعليميّة:

  • أن يقدّر الطّالب جهود العلماء المسلمين، وأهميّة اختراعاتهم.
  • أن يتّبع الطّالب المنهجيّّة العلميّّة في حلّ المشكلات وتصميم النّماذج والآلات.
  • أن ينمّي الطّالب مهارات التّفكير وتصميم نماذج مبسّطة تحاكي الاختراعات الكبيرة.
  • أن ينمّي الطّالب المهارات اليدويّة والتّجريب المخبريّ وبناء القدرات.
  • أن يفسّر الطّالب الرّسوم المتعلّقة بالقفل الرّقميّ في مخطوطة الجزريّ.
  • أن يستخلص الطّالب وظيفة كلّ جزء في القفل الرّقميّ الّذي اخترعه الجزريّ.
  • أن يصّمم الطّالب قفلا رقميًّا من أدوات بسيطة.
  • أن يستخلص الطّالب الشّروط الّلازمة لفتح قفل الجزريّ.
  • أن يشرح الطّالب آليّة عمل القفل الرّقميّ.

الفكرة الإبداعيّة:

    إنّ الدّقة الّتي صنع بها الجزريّ الأقفال تضمن إمكانيّة تغيير الحروف الّتي ينفتح عندها القفل، فهي ثلاثة حروف لكلّ قفل، أي اثنا عشر حرفًا للصّندوق، ويمكن لصاحب الصّندوق (أو الخزنة) اختيار الحروف الّتي يريدها.

قرن وعصر الاختراع

القرن السّادس الهجريّ /القرن الثّاني عشر الميلاديّ

عصر الخلافة العبّاسيّة

القفل الرّقميّ
وضع الفتح: لوزات الصّفيحة تدخل في فرزات أغطية
الّشنابر الثّلاث الخاّصة بكلّ ثقب
صفحة من "الجامع بين العلم والعمل النّافع في صناعة الحيل"
يشرح فيه الجزريّ تركيب القفل

معلومات العالم

   تُعرف الأرض الواقعة بين نهري دجلة والفرات بأرض الجزيرة، وتقع شمال سوريّا، وتُعرف بجزيرة ابن عمر أيضًا. وإليها يُنسب الجزريّ. وهو بديع الزّمان أبو العزّ بن إسماعيل بن الرزّاز الملقّب بالجزريّ، نسبة لأرض الجزيرة السّابقة الذّكر، ولد في منطقة جزيرة ابن عمر شمال سوريّا سنة (530هـ /1136م)، وتوفي في بغداد سنة (602هـ /1206م)، تعلّم الهندسة وصناعة الآلات، وكان حريصًا على الجمع بين العلم والعمل. انتقل إلى ديار بكر للعمل مع حكّام بلاده سلاطين بني أرتق وذلك سنة 570هـ /1174م؛ ونتيجة لعمله المتميّز والمبدع حظي برعاية الحكّام، وأصبح كبير مهندسي الميكانيكا في البلاط بعد أن كان رئيسًا للمهندسين. كان الجزريّ حريصًا على طلب العلم بدليل أنّه كان يحثّ الآخرين على طلبه.

    لقد أنجز الجزريّ كثيرًا من الاختراعات ممّا جعله يؤلّف كتابًا بذلك سمّاه (الجامع بين العلم والعمل النّافع في صناعة الحيل)، وقد جمع في ذلك الكتاب أوصاف تلك الاختراعات وكيفيّة صنعها وعملها، ويُعدّ كتابه هذا من أفضل الكتب التي أُلّفت في ذلك الوقت ووصلت إلينا، وقد كان الكتاب زاخرًا بوصف الآلات الهيدروليكيّة والميكانيكيّة.

    إنّ كثيرًا من الكتب الّتي ألّفها علماء المسلمين تُرجمت إلى لغات عدّة، حتّى أنّ النُّسخ الأصليّة منها لا تزال موجودةً في متاحف أوروبا، وذلك نتيجة حرص الأوروبيّين على نقل أسس النّهضة العلميّة الّتي قامت عليها الحضارة العربيّة الإسلاميّة. وقد كان العالم الجزريّ واحدًا من أولئك الأعلام الّذين ساهموا في تأسيس تلك الحضارة. وباعتراف العديد من علماء الغرب، فإنّ الكثير من تصاميم الآلات الّتي ابتكرها الجزريّ قد نُقلت إلى أوروبا، حيث ظهرت التّروس القطعيّة لأوّل مرّة في مؤلّفات الجزريّ، وهي تلك الّتي نقلها عنه الأوروبيّون، وأدخلت فيما بعد في صناعة إحدى السّاعات الفلكيّة الّتي تُعرف باسم ساعة (جيوفاني ديدوندي).

    ترجع أهميّة التّصميمات الّتي ابتكرها الجزريّ والخاصّة بآلات رفع الماء، بأنه استفاد من الطّاقة الكامنة للماء المتحرّك في رفعه لمستويات أعلى من مستوى جريانه، عوضًا عن الاستعانة بالحيوانات لرفعه، كما كان شائعًا في ذلك الوقت.


إسهامات العالم

قدّم العالم الجزريّ تصميمات من أهمّها:

  • مضخّة ذات أسطوانتين متقابلتين، وهي تقابل حاليًا المضّخات الماصّة والكابسة.
  • نواعير رفع الماء لأعلى؛ وذلك نتيجة الاستفادة من الطّاقة الحركيّة للمياه الجارية في الأنهار.
  • مضخّة الزّنجير والدّلاء: وهي نوع من آلات السّقوط إذ تعطي مرورًا حركيًّا بفضل سقوط الماء على المفارق. وهذه الآلات تحتاج إلى رفع منسوب الماء وذلك عن طريق بناء السّدود.
  • صناعة السّاعات المائيّة والآلات ذاتيّة الحركة العاملة بالطّاقة الكامنة للماء، كما قام بتطوير آلات هيدروليكيّة كان قد ابتكرها علماء مسلمون.
  • قدّم وصفًا لعدد من الآلات الميكانيكيّة المختلفة من ضاغطة ورافعة وناقلة ومحرّكة، كما أنّه جاء بوصف مفصّل لتركيب ساعات دقيقة، أخذت اسمها من شكل خاصّ كان يظهر فوقها نحو ساعة القرد، وساعة الرّامي البارع، وساعة الكاتب، وساعة الفيل الّتي تُعتبر من أهمّ اختراعاته.

    لكلّ ما تقدّم: من خلال المؤلّفات وتصميم الآلات العديدة ووضع قواعد تركيبها ووصف آليّة عملها؛ اعتبر الجزريّ أوّل من وضع أسسًا علميّةً للاستفادة من الطّاقة الكامنة للمياه في مجالات عمليّة كثيرة.

إبريق من صنع الجزريّ، غطاؤه على شكل طير يصفّر لفترة قصيرة
عند استعمال الإبريق وقبل أن ينزل الماء
غاسل اليدين المجدول من اختراعات الجزريّ

 


مؤلفات العالم

    كلّف أحد سلاطين بني أرتق في ديار بكر الجزريّ بتصنيف كتاب يشرح فيه العديد من اختراعاته مع تزويدها بالرّسوم التّوضيحية وذلك أيام الخليفة العباسيّ أبو العباس أحمد النّاصر لدين الله سنة 576هـ /1181م. فقام بعمل أهمّ كتبه وهو (الجامع بين العلم والعمل النّافع في صناعة الحيل). وقد استغرق هذا العمل الجليل خمسًا وعشرين سنةً من البحث والدراسة. وقد قدّم الجزريّ في هذا الكتاب عددًا كبيرًا من الوسائل الميكانيكيّة والتّصاميم، وقد قام بتصنيف الآلات في ستّ فئات وذلك حسب طريقة صنعها واستخدامها، ممّا جعل ذلك كلّه أساسًا للتّصنيفات الأوروبيّة في عصر النّهضة. وقد تضمّن ذلك الكتاب دراساته وأبحاثه في السّاعات والآلات الرّافعة للماء والأثقال والفوّارات المائيّة. ما زال هذا الكتاب يزيّن الكثير من متاحف العالم: كالباب العالي في إسطنبول، ومتحف الفنون الجميلة في بوسطن، ومتحف اللّوفر في فرنسا، ومكتبة جامعة أوكسفورد. 

    وقد كانت اختراعات الجزريّ موضع إعجاب المهندسين وانبهارهم على مرّ العصور، لاسيّما وقد تُرجم الكتاب وغيره من كتب الجزريّ إلى عدّة لغات ممّا أكسبه شهرة كبيرة في الغرب. وقد قام بترجمة بعض فصوله إلى الألمانيّة كل من فيدمان (Weidman) وهاوسر (Hawser) في الرّبع الأوّل من القرن الرّابع عشر الهجريّ / القرن العشرين الميلاديّ. كما ترجمه دونالد هيل (Hill) المتخصّص في تاريخ التّكنولوجيا العربيّة إلى الإنجليزيّة. كما قام معهد التّراث العلميّ العربيّ في حلب بسورية سنة 1399هـ /1979م بإصدار النّص العربيّ، وقد قام بمراجعته وتحقيقه أحمد يوسف الحسن.

صورة من كتاب "الجامع بين العلم والعمل النّافع في صناعة الحيل"
لعبة موسيقيّة: من اختراعات الجزريّ في كتاب معرفة الحيل الهندسيّة

 


انتشار استخدامات الإسهام في نواحي الحياة

    مازالت صناعة الأقفال في تطوّر حتّى يومنا هذا، فتستخدم الأقفال غالبًا لحماية النّاس وحراسة ممتلكاتهم لما توفره من حماية للمنازل والمتاجر والمدارس والمصانع والمصارف والمستودعات والدّوائر الحكومية، وقد تعدّدت أنواع المفاتيح الّتي تفتح الأقفال، فمنها المفتاح المعدنيّ والخشبيّ والكهربائيّ والإلكترونيّ أو غير ذلك.


مراجع الطالب
  • كتاب حضارة العرب، نومان سميث.
  • مقالة المسلمون وعلم الهندسة الميكانيكيّة، راغب السرجاني.
  • كتاب معرفة الحيل الهندسية، الجزريّ.
  • كتاب الجامع بين العلم والعمل النّافع في صناعة الحيل، الجزريّ.
  • كتاب العالم الرَّقميّ، غدير باسم.
  • الرّابط الأوّل

مراجع المحتوى
الهدف من النشاط
  • أن يفسر الطّالب كيفية عمل القفلَ الرَّقْميّ، وأن يستنتج احتمالات أن ينفتح صدفةً.
الإعداد للعمل
  • يُنفّذ النّشاط مجموعة مكوّنة من طالبين أو ثلاثة.
  • يجمع الطّلاب معلومات نظريّة عن القفل الرَّقميّ، واستخداماته العمليّة.
  • تُصنّف الأقفال الرّقميّة في مجموعات حسب عدد الأرقام أو الحروف.
  • يطّلع الطّلاب على موضوع الاحتمالات في الرّياضيات، ويُربط الموضوع مع درجة السّريّة في استعمال الأقفال.
البحث العلميّ

    قم بتكليف عدد من أفراد مجموعتك بمهمّة البحث عن معلومات مفصّلة حول القفل الرّقميّ، ويمكن الاستعانة بالمصادر التّالية أو أيّة مصادر أخرى تراها موثقّةً علميًّا:

  • مكتبة المدرسة أو أيّة مكتبة عامة.
  • الشّبكة العنكبوتيّة.
تجهيز الأدوات
  • قفل رقميّ صغير (محلات الألعاب أو المكتبات).
  • مفكّ وبعض الأدوات الأخرى الخاصّة لفكّ وإصلاح الأقفال، مثل الكمّاشة وغيرها.
نماذج مختلفة من الأقفال الرقميّة
 
كماشة مفك  

 

تركيب الأدوات
  • توزيع عدد من الأقفال الرّقميّة على مجموعات الطّلاب، قفل لكلّ ثلاثة أو أربعة طلاب.
تنفيذ النشاط
  • يتفحّص الطّالب القفل، ويعدّ الحلقات الّتي تحتوي الحروف أو الأرقام، ويذكر عددها.
  • ينظّم جدولًا على ورقة عمل، ويكتب فيه عدد الحلقات وعدد الأرقام أو الحروف في كلّ حلقة، ويكتب في خلايا الجدول الأرقام أو الحروف الواردة في كلّ حلقة.
  • يحاول الطّالب حصر عدد الاحتمالات الّتي يحاول فيها فتح قفل وهو مغلق والرّقم مجهول، بحيث يستنتج تلك العلاقة بأن يتمّ إرشاده أن يبدأ بالأرقام (صفر، صفر، صفر) ثمّ يأخذ بزيادة رقم واحد في الحلقة الأوّلى، مع إبقاء الرّقم صفر في الحلقتين الثّانية والثّالثة.
  • بعد شعور الطّالب بأنّ عدد هذه المحاولات كثير جدًّا، وربّما لن يتوصّل إلى نتيجة، نخبره بأنّ العدد المجهول في الحلقة الأخيرة هو (3 مثلًا) ونطلب منه حصر الاحتمالات في حالة السّماح بتحريك حلقتين فقط.
  • بعد شعور الطّالب بأنّ عدد هذه المحاولات كثير، ولن يتوصّل إلى نتيجة، نخبره بأنّ العدد المجهول في الحلقة الوسطى هو ( 3 أيضًا) ونطلب منه حصر الاحتمالات في حالة السّماح بتحريك الحلقة الأوّلى فقط، عندها سيتمكن معظم الطّلبة من فتح القفل؛ لأّنه سيجرّب كلّ واحد عشر محاولات أولها سيكون (صفر،3 ،3) وآخرها سيكون ( 9، 3، 3)، وسوف ينفتح القفل حتمًا ضمن المحاولات العشر.

يُطرح السّؤال: كيف يعمل القفل؟

  • يمكن القيام بفكّ قفل صغير باستخدام الأدوات الّلازمة من قبل المعلم أو عدد من الطّلبة ممّن لديهم الخبرة الكافية، مع الاهتمام بوسائل السّلامة والحرص على عدم إيذاء الطّلبة.
  • ثمّ يتمّ إطْلاع الطّلاب على القطع الّتي توجد داخل القفل.
  • يتفحّص الطّلبة قطع القفل، ويحاولون استنتاج كيفيّة عمله، وكيفيّة إجراء تغيير الأرقام السّريّة الّتي ينفتح عندها القفل.

 

المناقشة والنتائج

مناقشة الطّلبة في إجابات الأسئلة الآتية:

  • ما أكبر عدد من المحاولات التي تمكّننا من فتح القفل في حالة وجود حلقة واحدة مجهولة، وما علاقة هذا العدد بعدد الأرقام في تلك الحلقة (صفر، 1، 2، 3، 4، 5، 6، 7، 8، 9)؛ أي عشرة أرقام؟
  • ما أكبر عدد من المحاولات الّتي تمكّننا من فتح القفل في حالة وجود حلقتين مجهولتين، وما علاقة هذا العدد بعدد الأرقام في تلكما الحلقتين (عشرين رقمًا)؟
  • ما أكبر عدد من المحاولات الّتي تمكّننا من فتح القفل في حالة وجود ثلاث حلقات مجهولة، وما علاقة هذا العدد بعدد الأرقام في تلك الحلقات؛ أي ثلاثين رقمًا؟

 

اخترع بنفسك
  • فكّر في الأشياء الّتي يمكن أن تضع القفل عليها، ثم استكشف طرقاً أخرى أكثر أماناً من الأقفال يمكنك أن تحفظ بها حاجياتك.
الهدف من النشاط
  • أن يصنع الطّالب صندوقًا عليه قفل يُفتح بأرقام سريّة.
الإعداد للعمل
  • ينفّذ النّشاط مجموعة مكوّنة من أربعة طلّاب أو أكثر.
  • يطّلع الطّلاب على المعلومات الّتي قدّمها (الجزريّ) في صناعة الأقفال، ويطّلعوا على آليّة العمل، والفيديو المرئيّ للاختراع.
  • تحضير الموادّ الضروريّة لصناعة الصّندوق والقفل، ووضع خطّة إجرائيّة؛ لتنفيذ العمل، تتضمّن مراحل العمل وتوزيع المهمّات على الطّلاب.
  • يُحضر الطّلاب بعض الأقفال البسيطة من السّوق المحليّ، لمحاولة فهم كيفيّة عملها.

 

البحث العلميّ

    كلّف عددًا من أفراد مجموعتك بمهمّة البحث عن معلومات مفصّلة حول نموذج القفل الرَّقْميّ وآليّة عملها، ويمكن الاستعانة بالمصادر التّالية أو أيّة مصادر أخرى:

مكتبة المدرسة أو أيّة مكتبة عامّة للبحث عن كتاب (الجامع بين العلم والعمل النّافع في صناعة الحيل) للجزريّ.

الاطّلاع على المادّة النظريّة الّتي تصف القفل.

الشّبكة العنكبوتيّة ويمكن الاستعانة بالرّابط التّالي:

تجهيز الأدوات
ألواح من الخشب المعاكس سماكة
8 ملم، أو 12 , أو 18 ملم
صندوق جاهز مسامير براغٍ
لاصق أخشاب قطع معدنيّة دائريّة مثقوبة (رونديلات) قلم خاصّ بالكتابة على أقراص الكمبيوتر المضغوطة (CD) مثقب (درل)
مِنقلة فرجار مِسطرة أنبوب قطره الخارجيّ نحو 1,5 سم، وطوله نحو 3 سم، ويتّسع من الدّاخل لقلم الرّصاص العاديّ
     
قطعة من قلم الرّصاص طولها 3,5 سم.      
تنفيذ النشاط
  • ارسم دائرةً على الواجهة الأماميّة لغطاء الصّندوق قطرها 6 سم، وداخلها دائرة قطرها 4 سم وداخلها دائرة قطرها 2 سم، بحيث تكون جميعها متّحدة المركز باستخدام الفرجار والمسطرة.
  • اعمل ثقبًا في الدّائرة الأولى، فرّغها باستخدام مثقب (درل) مناسب.
  • قسّم المساحة بين الدّائرتين الخارجيّة والوسطى إلى ستّة عشر جزءًا باستخدام المِسطرة والمِنقلة، وكتابة حرف في كلّ جزء.
  • اصنع ثقبًا مستطيلًا على يسار الدّوائر المرسومة في واجهة الصّندوق، بحيث يكون طول هذا الشّقّ سنتمترًا واحدًا وعرضه 3 ملم (يمكن أن يتحرّك فيه مسمار أو برغيّ بسهولة).
  • قصّ قطعة خشبيّة على شكل دائرة قطرها 4 سم واعمل ثقبًا في مركزها قطره 1,5 سم، أو أقل بقليل، ثم ارسم دائرةً قطرها 2,5 سم على القطعة واكتب الحروف السّتّة عشر عليها، ثم ألصق قطعتي خشب صغيرتين، واحدة تعمل كمؤشر، والثّانية أكبر بقليل كمقبض للتّحريك.
 
  • أحضر أنبوبًا كرتونيًّا أو بلاستيكيًّا قطره الخارجيّ نحو 1,5 سم، ومن الدّاخل يتّسع لقلم الرّصاص العاديّ، بحيث يدور فيه بسهولة، نأخذ قطعةً من الأنبوب طولها نحو 3 سم، يساوي سمك جدران الصّندوق وجدران الغطاء. أحضر قطعةً من قلم رصاص طولها 3,5 سم.
  •  اعمل قرصين من الخشب أو الورق المقوّى، سمك كلٍّ منهما نحو نصف سم، وقطره 4 سم، ويُعمل في كلّ منهما فرز مثلث بعمق نصف سم، اعمل ثقبًا في أحد القرصين قطره مساوٍ لقطر الأنبوب البلاستيكيّ، وثقبًا في القرص الثّاني مساوٍ لقطر قلم الرّصاص.
  • قصّ قطعة خشب طولها 15 سم، وعرضها 7 سم، وسمكها لا يقلّ عن سنتمتر واحد، اصنع في وسطها فتحةً على شكل دائرتين متجاورتين قطر كلٍّ منها 1,6 سم، ثمّ افتح الدّائرتين على بعضهما واصنع على الزّوايا أربع فتحات مستطيلة طول كلّ فتحة 1 سم وعرضها يتّسع للبرغيّ، ثبّت فيها مسمارين.
  • ثبّت القطعة الخشبيّة داخل الصّندوق بحيث تكون فتحتها الّتي في الوسط منطبقة على فتحة الصّندوق، وثبّت القطعة بأربعة براغي، وضع لكلّ برغيّ حلقة معدنية، ولا تشدّ البراغي حتّى تتمكّن القطعة الخشبيّة من الحركة يَمنة ويَسرة بسهولة.
  • ألصق أحد القرصين الخشبيّين المفروزين بالأنبوب البلاستيكيّ، ثمّ ألصق القرص المفروز الثّاني في طرف قطعة قلم الرّصاص، وانتظر فترةً كافيةً حتّى تجفّ وتقوى.
  • أدخل الأنبوب البلاستيكيّ الّذي تمّ لصقه في الثّقب المشترك للقطعة الخشبيّة والصندوق، من الدّاخل إلى الخارج، ثمّ أدخل قطعة قلم الرّصاص في فتحة الأنبوب البلاستيكيّ.
  • عند بروز طرف أنبوب البلاستيك من خارج الصّندوق يُلصق به القرص ذو الحروف. مع مراعاة اتّجاه الفرز أن يكون مقابلًا للمسمار، واختيار حرف على جدار الصّندوق؛ ليشكّل أحد حرفي الشّيفرة (ج).
  • وعند بروز طرف قلم الرّصاص من أنبوب البلاستيك من الخارج، تُلصق به قطعة خشب عرضيّة (بالّلون الأحمر). مع مراعاة اتّجاه الفرز أن يكون منطبقًا على الفرز السّابق، ومقابلّا للمسمار، واختيار حرف على القرص الأزرق؛ ليشكّل ثاني حرفي الشّيفرة (ي).
  • خذ قطعةً خشبيّةً بارتفاع 3 سم، واصنع لها لسان، وتُثبّت على الواجهة الأماميّة للغطاء من الدّاخل، باستخدام برغيّين صغيرين، حتّى يُمسك لسانها بمسمار؛ ليتمّ الإقفال.
  • ثبّت برغيًّا في الشّقّ الّذي في الجهة الأمامية للصّندوق، بحيث يثبّت في الصّفيحة الدّاخلية المتحركة، ويمكن تحريك تلك الصّفيحة من خلال البرغيّ، ويتحرّك البرغيّ في واجهة الصّندوق بسهولة.
  • صورة من الدّاخل تبيّن وضع الّلسان المثبّت في غطاء الصّندوق من الدّاخل، وتبيّن مسمار التّثبيت والقطعة الخشبيّة المتحرّكة والأقراص المفروزة وجميعها داخل الصّندوق، على واجهة الصّندوق الأماميّة من الدّاخل.
  • إذا أزيحت الصّفيحة نحو اليسار والمسمارين متحرّكين معها، فدخل أحد المسمارين في لسان التّثبيت في الغطاء، والمسمار الثّاني دخل في فرزي القرصين، يصبح القفل مغلق. 

 

المناقشة والنتائج

مناقشة الطّلبة في إجابات الأسئلة الآتية:

  • ما عدد الاحتمالات الّتي ينبغي تجريبها لفتح الصّندوق عن طريق المحاولة والخطأ؟
  • هل يمكن إضافة المزيد من الأمان والسّرّية لهذا القفل؟ وضّح كيف يمكن ذلك.
  • ما فائدة استخدام قرص من ستّة عشر حرفًا؟ وهل يُعدّ ذلك أفضل من استخدام قرص من عشرة أرقام؟ وضّح ذلك.
  • هل تختلف مكونات القفل الذي اخترعه الجزري عن مكونات الأقفال الرقمية الأخرى؟ وضّح ذلك.

 

اخترع بنفسك
  • صمّم صندوقًا يُستخدم لإغلاقه قفلان، ولفتح كلّ قفل منهما ثلاثة حروف، أو اكتشف طرق أخرى أكثر أمانًا من الأقفال.