المضخّة ذات الأسطوانات السّتّ

المقدمة

الأهداف التّعليميّة

  • أن يقدّر الطّالب دور العلم والعلماء.
  • أن يفهم الطّالب مبدأ عمل المضخّة ذات الرّؤوس الستّة .
  • أن يوظّف الطّالب مبدأ عمل المضخّة في استخدامات إبداعيّة في صناعة الطّاقة البديلة.

الفكرة الإبداعيّة

    قامت تقنية المحرّكات والضّواغط الحديثة متعدّدة الأسطوانات على أساس أبدع أصوله، وصنّف علومه العالم تقيّ الدّين، وممّا يحسب له في هذا المجال اختراح آلة مائيّة تعمل فيها ستّ أسطوانات على التّوالي، فيتدفق الماء فيها بصورة منتظمة، واستخدم العالم تقيّ الدّين لأوّل مرّة ستّ أسطوانات على خطّ واحد، وأطلق عليها اسم "كتلة الأسطوانات"، كما استخدم ستة نتوءات موزعة بانتظام على محيط الدائرة، وأطلق عليها اسم "عمود الكامات".

قرن وعصر الاختراع

القرن العاشر الهجريّ /  القرن السّادس عشر الميلاديّ.

عصر الخلافة العثمانيّة.

المضخّة ذات الأسطوانات السّتّ في كتاب الطّرق السنيَّة في
الآلات الرّوحانيّة.

معلومات العالم

    كانت ولادة العالم تقيّ الدّين محمد بن معروف الشّامي سنة ( 932هـ/ 1525م ووفاته 993هـ/ 1585م ). وكان يلقّب بتقيّ الدّين الدّمشقيّ.  وكانت ولادته على ضفاف نهر بردى في مدينة دمشق، حيث نُسب إليها.  فهو دمشقيّ المولد، إلاّ أنّه نشأ بمكّة ثمّ اتّخذ مصر موطنًا له وذلك نظرًا لعمل أبيه الّذي كان يعمل قاضيًا في القاهرة والذي أراد أن يكون ابنه قاضيًا أيضًا. 

    استطاع تقيّ الدّين أن يحفظ القران الكريم عن ظهر قلب عندما أكمل العاشرة من عمره، وكذلك موطّأ مالك، بالإضافة إلى ما تعلّمه من مبادئ الحساب واللغة العربية.  وقد أراد له أبوه أن يكمل تعليمه على يد كبار العلماء؛ فانتقل به إلى القاهرة؛ ليكمل تعليمه على يد كبار شيوخ الأزهر. وهناك في منطقة الأزهر، حيث كنوز المخطوطات وكتب التّراث أخذ تقيّ الدّين يتصفّح تلك الكتب والمخطوطات في العلوم المختلفة كالرّياضيّات والفلك والطبيعة وعلم الحيل، فدعاه فضوله إلى معرفة ما بهذه الكتب من معلومات ومعارف.  فشرع يعيد ما يقرأه في تلك الكتب من تجارب عربيّة أو إغريقية الواحدة تلو الأخرى، وينقدها ويعدّل فيها ويعيد بعض رسوم آلاتها ممّا جعل ذلك كلّه يولّد لديه التّفكير بحيل هندسية جديدة. حصل على الإجازة في القضاء من الأزهر بعد وفاة والده حيث بدأ نجمه بالظّهور، وكان في العشرين من عمره، فسافر إلى القسطنطينيّة؛ لمقابلة السّلطان وشيخ الإسلام للحصول على إذن بمزاولة القضاء.  حصل على إذن من كليهما إلّا أنّ السّلطان أمره بالبقاء في القسطنطينيّة لسنوات أخرى نظرًا لصغر سنه. خلال إقامته في بيت شيخ الإسلام، رأى إبريقًا كبيرًا نحاسيًّا محكم الغطاء، له عنفة أي (أنبوب الصّبّ) فوق النّار، فأخذ البخار يندفع من عنفة الإبريق بقوة، فأمعن النّظر في ذلك وركّز عليه، فعرف من ذلك قوّة البخار.  وهنا كانت أولى ابتكاراته الهامّة الّتي تستخدم البخار، وهي آلة شواء تعمل بقوّة البخار وعدم الحاجة للإنسان في تحريك الشّواء. بعد مرور ثلاث سنوات، وكان صيته قد ذاع في القسطنطينيّة بمعرفته في علم الحيل، وانتشار آلته بين النّاس، عاد إلى القاهرة، وهناك اتّخذ ورشة صغيرة في حديقة بيته، يعمل بها في أوقات فراغه؛ لصنع نماذج لآلات هندسيّة، كما كان يقوم بتدريب فريق من جيل جديد من العمال هناك.

    لم يكن تقيّ الدّين عالمًا، وفلكيًّا، ومهندسًا، ومخترعًا، وصانع ساعات الحائط والسّاعات اليدويّة، ورياضيًّا، وفيزيائيًّا، وخبيرًا زراعيًّا، وجنائيًّا، وطبيبًا وصيدليًّا فحسب، بل حاكمًا مسلمًا وحافظًا لمواقيت الصّلاة في المسجد، وفيلسوفًا مسلمًا وصاحب علم الكلام ومعلّم مدرسة. هذا العالم في المقابل حظي بتقدير واسع بسبب شهرة سمعته التي بلغت الآفاق، وعاصرت علماء عصره في الدّولة العثمانيّة، إذا اعتُبر أعظم عالم على وجه الأرض، فتحدّثت عنه الموسوعات بشتّى اللّغات في الشّرق والغرب.  ففي الشّرق تحدّث عنه حاجي خليفة في موسوعته المعروفة (كشف الظّنون) كما تحدّث عنه غيرها من الموسوعات في الشّرق.  وفي الغرب تحدّث عنه مؤرخو العلوم ومن بين أولئك العلماء: سوتر، وموردتمان، وسيفام تكلى، وسايلي، ونيدفي ،وفليدهاوس، وهاوسر، وويليامز.  كما أنّ هناك موسوعات في الغرب تحدّثت عن دور تقيّ الدّين في تكنولوجيا الهندسة الميكانيكيّة، ومن تلك الموسوعات: ( تاريخ الآداب العربيّة ) لبروكلمان، و( مقدّمة في تاريخ العلم ) لجورج سارتون، و( تاريخ التّكنولوجيا ) لسينجر، و( المهندسون والهندسة ) لبابسونز وغيرهم.  حتّى أنّ بعض مؤرخي العلم أطلقوا على القرن العاشر الهجريّ / السّادس عشر الميلاديّ الّذي عاش فيه تقيّ الدّين أطلقوا عليه ( عصر المضخّة ).


إسهامات العالم

    بعد مئة وسبعين عامًا من إنجاز تقيّ الدّين للمضخّة ذات الأسطوانات السّت، ذلك الإنجاز الّذي أتمّه تقيّ الدّين سنة 966هـ/ 1559م، استطاع نيوكومن بعد أن مهّد له إنجاز تقيّ الدّين من أن يخترع المحرّك البخاريّ.  وقد استطاع تقيّ الدّين أن يكمل حلقة مفقودة في تاريخ الهندسة الميكانيكيّة العربيّة بعد أن وضع كتابه (الطّرق السنيّة في الآلات الرّوحانيّة). وذلك نتيجة لوصفه لكثير من الآلات التي استخدمها النّاس بعد أن استجدّت في حياتهم ولم يرد ذكرها قبله في كتاب. بالإضافة إلى أعماله في السّاعات الميكانيكيّة المتعدّدة الأهداف؛ للسّاعات والدقائق والأيّام والشّهور ومنازل القمر، وسمّى السّاعة ( حقّ القمر ). ولم تكن السّاعات السّابقة من الدّقة بمكان وبما لا يكفي لاستخدامها في الأغراض الفلكيّة، اعتبرت تلك السّاعة (حقّ القمر) من أهمّ الابتكارات الفلكيّة في القرن العاشر الهجريّ / السّادس عشر الميلاديّ.

حقّ القمر  - ساعة فلكيّة وصفها تقيّ الدّين بن معروف
 الدّمشقيّ في كتابه " الطّرق السّنيّة في الآلات الرّوحانيّة".

مؤلفات العالم

    كان تقيّ الدّين قد وضع أكثر من 90 كتابًا في مواضيع مختلفة منها كتاب في الجبر عنوانه (كتاب النّسب المتشابكة).  ورسالة (بغية الطّلاب في علم الحساب).  وكتاب في الفلك عنوانه (سدرة منتهى الأفكار في ملكوت الفلك الدّوار)، سجّل فيه ما حقّقه من مشاهدات فلكيّة في مرصد اسطنبول. وقد وصف فيه الآلات الّتي استعملها، وما كان منها من اختراعه، مقتديًا بالعلّامة نصير الدّين الطّوسيّ، الّذي كان يعتبره المعلم الكبير.

    أمّا كتاب الطّرق السّنيّة في الآلات الرّوحانيّة والذي ألّفه عام (957هـ/ 1551م) والذي يقع في ستة فصول، فقد تحدّث فيه عن السّاعات المائيّة، وآلات رفع الأوزان، وآلات رفع الماء، والنّوافير، وآلات النّفخ الموسيقيّة المتتابعة في العزف، والطّبول الغلاية، وآلات الرّيّ، والمرذاذ الذّاتيّ الحركة، والّذي يعمل بقوّة البخار.

المضخّة الحلزونية آلة زمر دائم ومعه نقارات
فوارات

   وقد ألّف أوّل كتاب عثمانيّ يتحدث عن الآلات ذاتيّة الحركة، وهو  كتاب (الكواكب الدّريّة في وضع البنكمات الدوريّة)، وذلك عام (963هـ/ 1556م).  كما ناقش أنواعًا مختلفة من السّاعات الميكانيكيّة من وجهة نظر المنظور الهندسيّ – الآليّ.

ونذكر من مؤلفاته :

  • كتاب السّاعات المائيّة.
  • رسالة في عمل ميزان الطّبيب: كتاب عن اتّزان الموائع، والأوزان والمقاييس، والوزن النّوعي للموادّ.  وصف الكتاب مقياس أرخميدس، وبقية الآلات الّتي ابتكرت من قبل الفيزيائيّين المسلمين.
  • نور حدقة الإبصار ونور حقيقة النّظر.
  • كتيب آلات المشاهدة للإمبراطور.
  • شجرة نابك لتطرّف الأفكار.
  • رسالة في تأثير انكسار الضّوء على الأفق والاختلافات في الآراء بين حفّاظ المواقيت.
  • رسالة في الاختلاف بين الآفاق الحقيقيّة والمرئيّة.
  • الآلات الرّصديّة للزّيج الشّاهنشاهيّة.
  • فوائد في استخراج منطقة الكرة ومعرفة الجيب.

انتشار استخدامات الإسهام في نواحي الحياة

    تكمن أهميّة استخدام المضخّة، الّتي تعتبر من أهمّ المعدّات الميكانيكيّة في الحياة، في قدرتها على نقل الموائع وحركتها من موقع إلى آخر. ولا يخلو أيّ محرّك توربينيّ منها، سواء العاملة على الطّاقة الاعتياديّة أو البديلة. وأهمّ استخداماتها تكون في الرّيّ والزّراعة، وإنتاج الطّاقة الكهربائيّة، والحركيّة، والنّقل، والتّكنولوجيا المختلفة. كما يُعتبر المفهوم الدّيناميكيّ المتقدّم لتجنّب التّقطيع، واتّباع التّتابع هو البنية الأساسيّة التي قامت عليها الضّواغط متعدّدة الأسطوانات، وتقنية المحرّكات الحديثة.


مراجع الطالب
  • موسوعة علماء العرب، عبد السلام السيد. 
  • سلسلة علماء العرب، تقي الدين أبو التكنولوجيا، سليمان فياض و اسماعيل ذياب. 
  • الرّابط الأوّل

مراجع المحتوى
  • موسوعة علماء العرب، عبد السّلام السّيد. 
  • سلسلة علماء العرب، تقي الدّين أبو التّكنولوجيا، سليمان فياض وإسماعيل ذياب. 
الهدف من النشاط
  • أن يصنع الطّالب مضخّةً مائيةً يدويةً باستخدام أدوات بسيطة.
الإعداد للعمل
  • ينفَّذُ هذا النّشاط بشكل فردي.
البحث العلميّ

كلّف عددًا من أفراد مجموعتك بمهمّة البحث عن معلومات مفصّلة حول المضخّات المائية وأنواعها وطرق تصنيعها، ويمكن الاستعانة بالمصادر التالية أو أيّ مصادر أخرى:

  • مكتبة المدرسة أو أيّ مكتبة عامّة.
  • الشبكة العنكبوتية.
تجهيز الأدوات
مصّاصة مقصّ قطع خشبيّة رفيعة
 
كوب ماء لاصق  

 

تنفيذ النشاط
  •  قم بدفع قطعة خشبيّة من الطرف المدبب من خلال مركز المصّاصة.
  • قم بقص نصف المصّاصة من الطرف على بعد ثلثي المسافة من المنتصف (مكان وجود قطعة الخشب).
  • قم بثني طرفي المصّاصة معًا باتّجاه الطرف المدبب للقطعة الخشبيّة.
  • ثبّت طرفي المصّاصة بالقطعة الخشبيّة باستخدام اللّاصق.
  • ضع المضخّة في كوب ماء من الطرف المدبب لقطعة الخشب، ثم قم بتدويرها، ماذا تلاحظ؟
  • قم بزيادة سرعة تدوير المضخّة ثم سجل ملاحظاتك.
المناقشة والنتائج
  • ناقش مع زملائك مبدأ عمل المضخّة التي قمت بصنعها.
  • فسّر سبب خروج الماء من طرفي الماصة، ماذا تسمي القوة التي تدفع السّائل للخارج؟ ابحث عن المضخّات التي تستخدم نفس المبدأ في الحياة اليومية.
اخترع بنفسك
  • بناءً على مشاهدات ونتائج التجربة، فكّر في طريقة تصنع فيها مضخّة مائية يمكن أن تستفيد منها في الأعمال المنزليّة.
الهدف من النشاط
  • صنع مضخّة كهربائيّة.
الإعداد للعمل
  • كوّن فريق عمل مع مجموعة من زملائك؛ لتوزيع المهام فيما بينكم (مجموعة من 4-5 أشخاص).
البحث العلميّ

كلّف عددًا من أفراد مجموعتك بمهمة البحث عن معلومات مفصّلة حول المضخّات وطرق تصنيعها، ويمكن الاستعانة بالمصادر التّالية أو أيّ مصادر أخرى:

مكتبة المدرسة أو أيّ مكتبة عامّة للبحث عن المضخّات لضخّ الماء.

الشّبكة العنكبوتيّة، ويمكن الاستعانة بالرّوابط التّالية:

تجهيز الأدوات

اعتمادًا على المعلومات التي يتمّ جمعها؛ لتصنيع المضخّات يتمّ تجهيز الأدوات اللّازمة:

  • أسطوانة بلاستيكيّة  قطرها  5 سم مفرّغة وطولها 20 سم لها قاعدة مغلقة، والقاعدة الأخرى مفتوحة.
  • ملفّ حلزونيّ له محور بارز من أحد طرفيه، وبقطر الأسطوانة البلاستيكيّة (5 سم) محورها بطول 18 سم.
  • قصبة خشبيّة  بطول 5 سم.
  • ماتور كهربائيّ صغير 12 Volt.
  • دورق ماء + لاصق.

أسطوانة دورق ماء قصبة خشبية
لاصق ماتور صغير ملف حلزوني

 

ملاحظة:   يتمّ الاستعانة بمشرف المختبر؛ لتجهيز الأدوات السّابقة على منضدة المختبر بعد أخذ احتياطات السّلامة العامّة.

تركيب الأدوات

بمساعدة أفراد المجموعة، وبالاستعانة بالصّورة يتمّ تنفيذ الخطوات الآتيّة:

  • اعمل على ثقب القاعدة المغلقة للأسطوانة بثقب صغير يكفي لمرور محور الملفّ الحلزونيّ.
  • على بعد 2 سم من قاعدة الأسطوانة البلاستيكيّة وعلى الجهة الجانبيّة، اعمل ثقبًا يكفي لمرور القصبة الخشبيّة.
  • مرّر القصبة الخشبيّة  من خلال الثّقب الجانبيّ، ثم اعمل على لصق الحوافّ بمادة لاصقة؛ لمنع تسرب الماء.
  • ضع الملفّ الحلزونيّ داخل الأسطوانة من خلال القاعدة المفتوحة بحيث يتمّ تمرير محوره من خلال القاعدة الأخرى المثقوبة.
  • تأكّد من بروز محور الملفّ الحلزونيّ من خلال غطاء الأسطوانة.
  • اربط الماتور الكهربائيّ بطرف محور الملفّ الحلزونيّ البارزة.
تنفيذ النشاط
  • ضع القاعدة الأخرى من الأسطوانة داخل الماء في الدّورق.
  • اعمل على تشغيل الماتور الكهربائيّ، ولاحظ خروج الماء من فوّهة القصبة الخشبيّة الخارجيّة.
  • سجل ملاحظاتك حول كيفيّة انتقال الماء عبر المضخّة.
المناقشة والنتائج
  • ناقش مع أفراد مجموعتك الملاحظات الّتي تم تسجيلها أثناء عمل المضخّة.
  • قارن بين المضخّة الّتي صنعتها مع المضخّة المائيّة الّتي تعتمد على جريان الماء كمصدر للطّاقة.
  • اكتب بمساعدة أفراد مجموعتك تقريرًا عن أهميّة استخدام المضخّات في نواحي الحياة المختلفة.
اخترع بنفسك
  • بناءً على مشاهدات ونتائج التّجربة ومبدأ العمل، فكّر مع أفراد مجموعتك بطريقة للتّوصل إلى عمل مضخّة تعمل على الطّاقة البديلة، والتّوصّل لفكرة اختراع جديد يناسب عصرنا الحالي.