ساعة الفيل المائية

المقدمة

الأهداف التّعليميّة:

  • تقدير جهود العلماء المسلمين، وأهمية اختراعاتهم.
  • اتّباع المنهجيّة العلميّة في حلّ المشكلات وتصميم النّماذج والآلات.
  • تنمية مهارات التّفكير وتصميم نماذج مبسطة تحاكي الاختراعات الكبيرة.
  • تنمية المهارات اليدويّة والتّجريب المخبريّ وبناء القدرات.

الفكرة الإبداعيّة:

   تعتبر ساعة الفيل من بدائع ما صنع الإنسان إلى اليوم، فهي ساعة مائيّة على شكل فيل ضخم، تعمل عن طريق نظام ماء متدفق مخبّأ في بطن الفيل. بالإضافة إلى عناصر أخرى موزعة أعلى الفيل في هودج تصدر صوتًا وحركة كل نصف ساعة. بالإضافة الى الابتكار الميكانيكيّ الّذي يقدّمه هذا الاختراع. الفيل نفسه صُنع بطريقة تأخذ الألباب، حيث قام الجزريّ بتزيينه بطريقة فنية رفيعة المستوى، عن طريق تقسيمه إلى ستة أجزاء، كل جزء يحمل عناصر ثقافة معينة وهي: العربيّة والفرعونيّة والصينيّة والهنديّة والأفريقيّة والإغريقيّة.

قرن وعصر الاختراع:

القرن السّادس الهجريّ / القرن الثّاني عشر الميلاديّ.

عصر الخلافة العباسيّة.

رسم للاختراع من المخطوطات القديمة_ساعة الفيل من أعظم اختراعات الجزريّ.

صورة لأحد المجسمات الحديثة لساعة الفيل


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

    ساعة الفيل عبارة عن فكرة جهاز توقيت دقيق يعمل بالماء، وقد أصبحت المؤقّتات الحديثة المشابهة إلكترونية. ولا نستغرب قدرة هذا العالم وقيمة ما قدّمه إذا بلغنا أن الدّكتور فاروق الباز أحد العلماء المسلمين، والّذي عمل مع وكالة ناسا الفضائيّة يذكر أنّ اختراعات الجزريّ ما زالت تعزّز أنظمة وسائل النّقل الحديثة الخاصّة بنا، فقد كانت الآليّات اللّازمة للتّدوير، من الأعاجيب الهندسيّة في زمانه كما هي اليوم. وما زالت هي نفسها تستمر في تشغيل كل طائرة وقطار وسيّارة على هذا الكوكب.


مراجع الطالب
  • كتاب الجامع بين العلم والعمل النّافع في صناعة الحيل، الجزريّ. 
  • مقالة المسلمون وعلم الهندسة الميكانيكيّة، راغب السرجاني. 
  • الرّابط الأوّل

مراجع المحتوى
 
الهدف من النشاط
  • استقصاء آليّة عمل ساعة الفيل المائيّة من خلال تصميم نموذج بسيط مشابه.
الإعداد للعمل
  • كوّن فريق عمل مع مجموعة من زملائك؛ لتوزيع المهامّ فيما بينكم (مجموعة من 4-5 أشخاص).
البحث العلميّ

    كلّف عددًا من أفراد مجموعتك بمهمة البحث عن معلومات مفصّلة حول نموذج ساعة الفيل للجزري وآلية 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 الجهاز.

الشّبكة العنكبوتيّة ويمكن الاستعانة بالرّوابط التالية:

تجهيز الأدوات

أدوات النّشاط بسيطة وجميعها من البيئة، تتضّمن ما يأتي:

 

   
إناء بلاستيكيّ كبير سعته لا تقلّ عن 2 لتر ماء،
يستخدم بديلًا عن خزّان الماء داخل الفيل
  علبة معدنيّة صغيرة، يُعمل بها ثقب من أسفلها، وثقب في أعلاها عند الحافّة، تمثّل القدر. وعلبة أخرى أكبر منها لتمثّل الوعاء الذي تسقط به الكرة فتحدث صوتًا   خيوط وأسلاك معدنيّة وشريط لاصق، لتثبيت الأجزاء معًا
   
عصيٌّ خشبيّة لصناعة هيكل الهودج، تثبت من أسفلها
بالإناء البلاستيكيّ
 
علبة كرتون صغيرة لها فتحة جانبية لخروج الكرات،
​ تثبت بأعلى البرج لتمثل مستودع الكرات
  كرات زجاجيّة صغيرة عدد 4
       
مسطرة خشبيّة يثبت فيها ملعقة بلاستيكيّة، وتثقب من
وسطها للتّثبيت والدّوران، لتمثّل التّنين
       

 

تركيب الأدوات
  • يتمّ حساب الأطوال والمسافات بعمل مخطّط ورقيّ قبل البدء بتنفيذ النّموذج ودراسة كلّ القياسات.
  • يصنع من العصيّ برج يشبه الطّاولة، ويثبت من أسفله مع الإناء البلاستيكي الّذي يستخدم كمستودع للماء، باستخدام الأسلاك واللّاصق.
    • يتمّ تثبيت قاعدة في أعلى البرج بحيث سيتمّ وضع علبة الكرتون عليها.

      • يتمّ تجهيز علبة الكرتون بحيث يتمّ عمل فتحة جانبية فيها وتكون الفتحة في الجهة الأماميّة للعلبة.
            • تثبت علبة الكرتون في أعلى البرج المصنوع من العصيّ الخشبيّة.
              • تثبت المسطرة من محورها في منتصف البرج، ليسمح لها بالحركة كما يتحرّك الميزان أو الرافعة.
                • تلصق الملعقة البلاستيكيّة جيّدًا مع المسطرة وتثقب المسطرة من منتصفها.
                  • ويُدخل بها سلك معدنيّ يشكل محور دوران المسطرة. فيمكن للملعقة البلاستيكيّة أن تتحرّك للأسفل عند سقوط الكرة فيها، ثم تعود للأعلى بعد إفلات الكرة.
                  • ربط ثلاثة خيوط في الثّقب العلويّ للعلبة المعدنيّة الصغيرة، خيط يتّصل مع حافّة الإناء البلاستيكيّ الكبير، وخيط يتّصل بطرف المسطرة البعيد عن الملعقة والذي يكون في الأسفل دائمًا، وخيط يتّصل بسدّادة كرتونيّة صغيرة تغلق الفتحة في علبة الكرتون لتسمح بإفلات كرة واحدة.

                      تنفيذ النشاط
                      • يملأ الإناء البلاستيكيّ بالماء، وتوضع فيه العلبة المعدنية، ويقاس الزّمن اللّازم لإغراقها، ويعدّل الزّمن بزيادة اتّساع الثّقب السفليّ، إن كان يزيد عن نصف دقيقة.
                      • يتمّ اختبار وضع المسطرة بحيث تكون وضع سكونها متزنة والملعقة للأعلى، بحيث لو سقطت كرة زجاجيّة في الملعقة لتحركت المسطرة مثل حركة الرّافعة. مسقطة الكرة الزجاجية.
                      • يتمّ اختبار حركة المسطرة للأسفل بحيث تتمّ معايرة طول الخيط لضمان رفع العلبة المعدنيّة (القدر) من الماء وتفريغها لتعود طافية على السّطح. وتتمّ حركة المسطرة والملعقة كالرّافعة بفعل وزن الكرة الزجاجيّة. فتهبط الملعقة للأسفل ومعها الكرة، وعند سقوط الكرة في العلبة المعدنية الكبيرة يصدر الصوت، وتعود الملعقة متحركة إلى الأعلى، بانتظار زمن جديد تسقط بعده كرة ثانية.
                      • اختبار السّدادة الكرتونيّة لضمان فتح بوابة العلبة الكرتونيّة حال غرق القدر وسحبه للسدّادة بوساطة واحد من الخيوط الثّلاثة. (السدّادة: قطعة كرتون متحركة، ويثبت في السدّادة نابض صغير أو شريط مطاطيّ يعيد إغلاقها حتى لا تُسقط غير كرة واحدة فقط).
                      • تشغيل السّاعة بعد تنفيذ التّعديلات، ومراقبة دورة العمل حتّى نفاذ الكرات الزجاجيّة من المستودع.
                      المناقشة والنتائج
                      • راقب خطوات تركيب الجهاز، ودوّن أيّ ملاحظات، لإجراء التّعديلات الضروريّة.
                      • ناقش أعضاء المجموعة، في تغيير الأجزاء المختلفة لضمان الحصول على الحركات المطلوبة.
                      • ناقش إمكانيّة تعديل الزّمن الدّوريّ للسّاعة من خلال تعديل حجم الثّقب.
                      • ارصد أيّ أخطاء في الأدوات والتّركيب وطريقة العمل، وعدّل الممكن منها.
                      • اكتب تقريرًا يتضمن نتائج النّشاط، والتوصيات اللّازمة لبناء نموذج محسّن لساعة الفيل.
                      اخترع بنفسك
                      • صمم نموذجًا آخر تدخل فيه تعديلات على الأدوات حسب توفرها في البيئة المحليّة، وتعديلات في التّركيب حسب ما تراه مناسبًا لعمل السّاعة تقيس الزّمن وتخبرنا بمرور الوقت بشكل أفضل.
                      الهدف من النشاط
                      • أن يصنع الطّالب ساعة مائيّة متطورة تقيس الوقت على أساس تدفّق الماء من وعاء إلى آخر.
                      الإعداد للعمل
                      • كوّن فريق عملٍ مَع مجموعة من زملائك؛ لتوزيع المهامّ فيما بينكم (مجموعة من 2-3 أشخاص).
                      البحث العلميّ

                         كلّف عددًا من أفراد مجموعتك بمهمّة البحث عن معلومات مفصّلة حول الساعات المائيّة في مختلف العصور وآليّة عملها، ويمكن الاستعانة بالمصادر التّالية أو أيّ مصادر أخرى:

                      مكتبة المدرسة أو أيّ مكتبة عامّة. 

                      الاطّلاع على المادّة النظريّة الّتي تصف ساعة الفيل. 

                      الشّبكة العنكبوتيّة ويمكن الاستعانة بالرّوابط التالية:

                      تجهيز الأدوات
                      وعاء بلاستيكي وعاء زجاجي شفّاف قطعة خشب قياس (60 × 2 × 2سم) قطعة فلّين

                      دبّوس براغي عينيّة عدد2 ، رقم 12 قلم مسطرة
                      دفتر لاصق  قلم خطّاط  وتد خشبي قياس (3 ملم × 91 سم)
                      مسمار منشار معدني مطرقة   ساعة مؤقت
                           
                      حامل حلقي      

                       

                      تنفيذ النشاط
                      • اختر وعاءين بنفس الحجم واحد شفّاف والآخر غير شفّاف، ويفضّل أن يكونا بحجم كبير (كلّما كبر حجم الوعاء زادت كمية المياه وبالتالي تعطي المزيد من الوقت).
                      • يجب أن تكون الأوعية فارغة ونظيفة وخالية من الثّقوب، قم بإجراء اختبار الماء؛ للتّحقق من عدم وجود تسرب وذلك بملء الأوعية بالماء ومراقبتهم لمدة ساعة حتى تتأكّد من عدم وجود أيّ ثقوب تُسربُ الماء.
                        • استخدم المنشار؛ لتحضر وتد خشبي بطول 60 سم، يجب أن يكون الوتد قويًّا وغير ثقيل بحيث يكفي لدفع الفلّين أو المواد الأخرى وجعلها طافية في الماء.
                          • قم بعمل ثقب في الجزء العلوي من قطعة الفلّين وذلك باستخدام المطرقة والمسمار، ثم ثبّت الوتد بإحكام في قطعة الفلّين بحيث لا تهتزّ أو تسقط.
                            • ثبّت اثنين من البراغي في وسط القطعة الخشبيّة بإحكام على مسافات متساوية بحدود ثلث المسافة. 
                            • استخدم المسطرة والقلم؛ لتحديد المسافة.
                            • استخدم المسمار والمطرقة؛ لعمل ثقب لوضع البراغي فيه.
                              • أدخل الوتد الخشبي من خلال ثقوب البراغي.
                              • تأكّد من أنّ الجزء العلوي من الوتد يمتد من خلال المسمار العلوي.
                              • الحد الاعلى من وتد التّعويم هو الجانب المعاكس للوتد المربوط بقطعة الفلّين.
                              • يجب عليك أيضًا التأكد من عدم وجود أي احتكاك أو توتر بين البراغي والوتد، فذلك من شأنه أن يقيّد قدرة الوتد على أن تطفو بحرية وأن تقيس بدقة.
                                • قم بعمل ثقب في الوعاء البلاستيكي العلوي باستخدام الدبوس ما يقرب (1.25 سم).
                                  • ثبت الوعاء العلوي على الحامل الحلقي، وثبت القطعة الخشبية على عمود الحامل باستخدام لاصق.
                                  • يجب أن تكون القطعة الخشبية مستقيمة وعمودية.
                                  • يجب أن يكون وتد التعويم داخل الوعاء الزجاجي الشّفاف.
                                  • يجب ضبط الأوعية أسفل بعضهما بحيث يخرج الماء من الوعاء العلوي إلى الوعاء السفلي ولا يرتطم بوتد التعويم.
                                  • قم بإجراء اختبار سريع عن طريق ملء الوعاء العلوي بالماء؛ للتحقق من أن كلّ شيء يعمل بشكل صحيح.
                                  • يجب أن يتحرك وتد التعويم صعودًا وهبوطًا دون الالتصاق بالبراغي أو الارتطام بالوعاء العلوي.

                                      • قبل أن تتمكّن من استخدام الماء على مدار الساعة لمعرفة الوقت، تحتاج إلى معايرة العصا بحيث يمكنك استخدامها لقياس مرور الوقت.
                                      • ارسم علامة دائمة (خط) على طرف القطعة الخشبية فوق البرغي السفلي، وخط مطابق على الوتد الخشبي، هذه الخطوط هي نقطة البداية، وهذه العلامة تعني "0 ثانية.
                                      • حدّد توقيتًا معيّنًا على الساعة (من 30 إلى 60 دقيقة).
                                      • صبَّ الماء في الوعاء العلوي، وامنع المياه من الخروج من الثقب بإصبعك حتى ترسم علامة على الوعاء يبين مستوى الماء داخل الوعاء العلوي.
                                      • اترك الماء يتدفق من الثقب العلوي وشغل ساعة التوقيت وبعد مرور ساعة قم بعمل خط آخر على القطعة الخشبية؛ ليتناسب مع الخط الذي رسمته على الوتد الخشبي بعد أن تحرك للأعلى، ثم قم بقياس الخط بين العلامة الأولى والثانية على القطعة الخشبية، هذا الخط يمثل الكميّة الصحيحة للماء بالنسبة للزمن المنقضي.
                                      • كرر الخطوات كلّ فترة بين (30-60 دقيقة) حتى ينزل الماء كاملًا من الوعاء العلوي إلى الوعاء السفلي.
                                        • استخدام الساعة المائية في أي وقت تشاء، يجب أن تكون الساعة المائية الخاصة بك قادرة على معرفة مقدار الوقت المنقضي بدقة على أساس مستوى الماء، كما يظهر من المؤشر (المعايرة) الذي قمت برسمه على القطعة الخشبية.
                                          • سجل معدّل التدفق لكل دقيقة على دفترك.
                                          المناقشة والنتائج
                                          • سجل بيانات معدل التدفق في الجدول الآتي؟
                                          الرقم 1 ساعة
                                          القياس (قطرات/ دقيقة)
                                          2 ساعة
                                          القياس (قطرات/ دقيقة)
                                          3 ساعة
                                          القياس (قطرات/ دقيقة)
                                          1      
                                          2      
                                          3      
                                          • بعد ساعة، ستلاحظ أن وتد التعويم تحرك لفوق، ناقش مع زملائك سبب ذلك؟
                                          الرقم 1 ساعة
                                          القياس (سم)
                                          2 ساعة
                                          القياس (سم)
                                          3 ساعة
                                          القياس (سم)
                                          1      
                                          2      
                                          3      
                                          • اكتب تقريرًا مفصلًا عن وظيفة كل جزء في الساعة المائيّة ومبدأ العمل للساعة المائية في التجربة.
                                          • جد مع زملائك نسبة الخطأ في التجربة من خلال تكرارها عدَّة مرات.
                                          اخترع بنفسك
                                          • بناءً على مشاهدات ونتائج التجربة؛ فكّر في طريقة يمكن أن تصنع فيها ساعة مائيَّة تعمل بالكهرباء.