مقدمه

ماشین هر وسیله مکانیکی یا وسیله الکتریکی است، که با انتقال یا اصلاح انرژی ، انسان را در انجام کارهایش ، یا در بهتر انجام شدن کارهایش یاری دهد، یا خود آنها را انجام می‌دهد. ساز و کارها و ماشینهای مکانیکی ، حتی قبل از آن که اطلاعات مکتوبی در دسترس باشد، برای تقویت توانائیهای نوع بشر ، دائما در حال استفاده بوده. تفاوت عمده ابزار ساده با ماشینها یا مکانیزمهای ساده ، وجود یک منبع قدرت و بعضی اوقات ، در کارکرد مستقل می‌باشد. ابزار قدرتمند امروزی ، ماشین ابزارهای خودکار ، و ماشین آلات قدرتمندی که توسط انسان هدایت می‌شوند، این تعریف را پیچیده کرده‌اند. هر دستگاهی که بتواند انجام کاری را آسان کند، ماشین نامیده می‌شود.

انواع ماشینها

ماشینها برای انجام کار ، صورتی از انرژی را به کار مکانیکی تبدیل می‌کنند. به غیراز ماشینهای ساده انواع دیگر ماشینها عبارت‌اند از: ماشینهای مکانیکی ، ماشینهای گرمایی ، ماشینهای الکترونی و ماشینهای فوتونی (نوری و موجی). در ماشینهای مکانیکی از انرژی آب یا انرژی باد یا انرژی عضلات انسان یا حیوان برای حرکت اجسام و آسان کردن کارها استفاده می‌شود. در بعضی از ماشینها می‌توان ابتدا مقداری انرژی را ذخیره کرد و سپس انرژی ذخیره شده را به تدریج به کار برد. ماشینها و ساعتهای کوکی نمونه‌ای از ماشینهای مکانیکی هستند.

در این گونه ماشینها انرژی در یک فنر ذخیره می‌شود. به ماشینهایی که در آن ها مواد سوختنی مانند زغال سنگ ، نفت یا گاز یا الکل می‌سوزد و گرمای حاصل به انرژی مکانیکی یا کار تبدیل می‌شود، ماشین گرمایی می‌گویند. این گونه ماشینها انواع گوناگون دارند. ماشینهای گرمایی شامل سه دسته‌اند: ماشینهای برون سوز ، ماشینهای درون سوز و جتها و راکتها.

پیچ ارشمیدس

پیچ ارشمیدس

اختراعی منسوب به ارشمیدس که در گذشته از آن برای آبیاری و بالا کشیدن آبهای زیر زمینی استفاده می کردند. به شکل لوله ای مارپیچ بود که محور آن زاویه‌ای ْ45 با راستای افقی می‌ساخت. یک سر پیچ در مخزن آب قرار داشت، با چرخاندن پیچ آب از لوله بالا می‌رفت.

انقلاب صنعتی چه بود؟

مجموعه دگرگونیهای فنی ، صنعتی ، اقتصادی و اجتماعی که از سال 1750 تا 1850 در انگلستان به وجود آمد و به کشورهای دیگر راه یافت، انقلاب صنعتی نامیده می‌شود. در این مدت اقتصاد وابسته به کشاورزی و صنایع دستی به اقتصاد وابسته به صنعت و تولیدات ماشین تبدیل شد. به عبارت دیگر به تدریج نیرو و کار ماشین جای نیروی کار انسان و حیوانات بارکش را گرفت. پیش از انقلاب صنعتی ، حدود 90 درصد مردم در روستاها زندگی می‌کردند و به کشاورزی و کارهای دستی روستایی مشغول بودند. در شهرها هم کارگاههای کوچک وجود داشت. در بعضی جاها هم از نیروی باد و آب استفاده می‌شد. انقلاب صنعتی به دنبال استفاده‌ی عملی از یافته‌های علمی نیز ثروت و سرمایه‌های هنگفتی که از مستعمرات به انگلیس منتقل می‌شد، در آن کشور به وجود آمد. انگلیس از معادن زغال سنگ و آهن بسیار غنی بهره داشت و همین دو ماده‌ی اساسی سبب تولید فرآورده‌های صنعتی فراوانی شد که پیشرفت بازرگانی و اختراع وسایل حمل و نقل و سود سرشار کارخانه داران را در پی داشت.

اختراع ماشین ریسندگی و بافندگی ، ماشین بخار ، لکوموتیو بخاری و موتورهای الکتریکی در حمل و نقل ، کشاورزی و روابط اجتماعی دگرگونیهای وسیع به وجود آورد. دامنه‌ی این تغییرات ابتدا کشورهای اروپا و سپس امریکا را گرفت و اکنون سراسر کره زمین را در بر گرفته است.

ماشین هرون

اختراع و ساختن نخستین ماشین گرمایی را به هرون ریاضی - فیزیکدان یونانی قرن اول یا دوم پیش از میلاد نسبت می‌دهند. او با طرح ساده‌ی خود نشان داد که می‌توان از انرژی گرمایی برای حرکت اجسام استفاده کرد. موتور هرون از یک کره‌ی فلزی تو خالی تشکیل شده بود که در امتداد یک قطرش ، به دو لوله مربوط و متکی بود. کره فلزی می‌توانست به آسانی حول قطری که از دو نقطه‌ی اتکا می‌گذشت، دوران کند. لوله‌ها به دیگ بخار مربوط بودند و بخاری که در اثر گرما تولید می‌شد، به کره فلزی راه می‌یافت. دو لوله‌ی کوتاه به دو سوراخ در طرفین قطر عمود بر محور کره متصل بودند و بخار می‌توانست از آنها خارج شود و با نیروی عکس العمل خود کره‌ی فلزی را به دوران در آورد. از آن زمان انسان به نیروی بخار پی برد.

ماشین بخار

تا حدود سه قرن پیش ، انسان فقط از انرژی عضلات خود انرژی چهار پایان ، با وسایل ساده‌ای که ساخته بود، برای انجام کار استفاده می‌کرد. چهار پایانی مانند اسب و الاغ و شتر برای حمل و نقل مورد استفاده قرار می‌گرفتند و از گاو هم برای کندن زمین و کشاورزی بهره می‌گرفتند. از نیروی آب و باد هم برای آسیا کردن غلات در آسیابهای آبی و بادی استفاده می‌کردند و قایقهای کوچک را در آبهای جاری و ساکن به حرکت در می‌آوردند. همزمان با پیشر فت تمدن ، نیاز به منابع نیرو و انرژی بیشتر شد و انسان توانست ابتدا از نیروی باروت و سپس از نیروی بخار و انرژی سوختهای فسیلی استفاده کند و ماشینهای گرمایی را به کار اندازد.

مسیری که بخار آب طی می‌کند تا به عنوان یک منبع انرژی مورد استفاده قرار گیرد، بسیار ساده و قابل فهم است. هنگامی که آب در داخل یک دیگ به دمای استفاده قرار گیرد، بسیار ساده و قابل فهم است. هنگامی که آب در داخل یک دیگ به دمای بالاتر از 100 درجه سلسیوس برسد، به بخار آب تبدیل می‌شود و هر یک سانتیمتر مکعب آب حجمی بر ابر 1700 سانتیمتر مکعب می‌یابد و به عکس ، اگر بخار آب ، سرد و به آب تبدیل شد، حجمی برابر 1700/1 حجم اولیه را خواهد یافت. در اثر این تغییر حجم و تغییر فشاری که روی پیستونی به وجود می‌آورد، انرژی بخار به پیستون منتقل می‌شود. ماشینی که با استفاده از نیرو و انرژی بخار کار می‌کند، ماشین بخار نامیده می‌شود.

ماشینهای درونسوز

ماشینهای درونسوز به ماشینهای گرمایی گفته می‌شود که مواد سوختنی مربوط به آن داخل استوانه سوخته شود. اندیشه‌ی اولیه این ماشینها را کریستیان هویگنس ، فیزیکدان انگلیسی در سال 1680 میلادی مطرح کرد. هویگنس متوجه شد که وقتی گلوله از دهانه‌ی تفنگ پرتاب می‌شود، مقدار زیادی دود گرم از لوله خارج خارج می‌شود. مشاهده‌ی این پدیده او را متوجه رابطه‌ی بین فشار دود و حرکت گلوله کرد و در فکر ساختن موتوری برآمد که با نیروی دود حاصل از انفجار باروت کار کند، ولی با همه تلاشهایی که کرد، نتوانست چنین موتوری را بسازد. اما در عوض نظریه‌ی او توجه عده زیادی از جمله دنیس پاپن را ، که از همکاران او بود، جلب کرد. سرانجام در سال 1876 نیکلاس اوتو که یک تعمیر کار آلمانی بود ، نخستین موتور درونسوز را ساخت. ماشینهای درونسوز شامل ماشین پیستونی و ماشین توربینی است. نمونه‌ی بسیار رایج موتورهای درونسوز پیستونی ، موتور اتومبیل است.

موتور دیزلی

در سال 1892م/1171 خ یک مهندس آلمانی به نام رودولف دیزل وسیله‌ای ساخت که به کمک آن می‌توانست سوخت را با فشار ، درون هوای متراکم بسیار گرم داخل استوانه کند. با این کار دیزل پس پنج سال کار مداوم ، موفق به ساختن نوعی موتور شد که انرژی خود را بر اساس سوختن مواد سوختی ، بدون احتیاج به جرقه‌ی الکتریکی ، تأمین می‌کرد. این نوع موتور به افتخار دیزل ، موتور دیزلی نامیده شد. برای مطالعه‌ی چگونگی کار این موتورها ، استوانه‌ی یک موتور انفجاری را در نظر بگیرید که در موقع بالا آمدن پیستون کاهش حجم مخلوط گاز به جای 6/1 بتواند به 16/1 حجم اولیه برسد. در این عمل دمای هوا در اثر تراکم آن اندازه افزایش می‌یابد که اگر سوختی درون آن پاشیده شود، بدون وجود جرقه عمل احتراق صورت می‌گیرد و بر سطح پیستون نیروی فوق العاده زیاد اثر می‌کند.

توربین گازی

ساختمان توربین گازی مانند توربین بخار است. این توربینها یک قطعه‌ی اصلی متحرک (روتور) دارند. روتور همزمان دو کار را انجام می‌دهد. یک کمپرسور است و هوا را فشرده می‌کند و دیگر نیرویی به وجود می‌آورد که محوری مانند مولد برق را دوران در می‌آورد. قسمت متحرک ، یعنی روتور ، شامل محوری است که تعداد تیغه روی آن نصب شده است. روتور درون محفظه‌ی کاملا بسته‌ای می چرخد. درون این محفظه تعدادی پره‌ی ثابت قرار دارد. این تیغه‌ها درست بین تیغه‌های روتور جای دارند. هنگامی که روتور با سرعت زیاد می‌چرخد، هوا به داخل آن کشیده می‌شود و در حینی که از میان تیغه‌ها می‌گذرد، فشرده می‌شود (کمپرسور). در بعضی از توربینهای گازی ، فشار هوا به وسیله‌ی 12 زوج تیغه‌ی ثابت و متحرک ، تا 30 برابر افزایش می‌یابد.

هوای فشرده به درون اتاق احتراق رانده می‌شود و در آن جا همراه گازوئیل می‌سوزد و گرمای بسیار زیادی تولید می‌کند و فشار گاز را بسیار بالا می‌برد. این گازهای داغ و پر فشار از میان تیغه‌های ثابت و متحرک می‌گذرد و با تغییر جهت حرکت ، بر تیغه‌های متحرک نیروی بسیار زیادی وارد می کند. این نیرو محور متحرک را با سرعت زیاد به دوران وا می دارد و سبب می شود که هوا به درون موتور کشیده و فشرده شود. علاوه بر آن ، سرعت خروج گازهای سوخته از توربین بسیار زیاد است و سبب پیدایش نیروی واکنشی می‌شود که توربین را به جلو می‌راند. از این نیرو برای حرکت هواپیماها و کشتی‌ها استفاده می‌کنند.

موتورهای موشکی یا راکتها

در هواپیماهای جت ، هوا از اتمسفر به درون موتور مکیده و فشرده و سوخت درون آن پاشیده می‌شود. انرژی حاصل از سوخت باعث می‌شود فشار و دمای گاز بالا برود و سرانجام گاز فشرده و گرم از دهانه‌ی خروجی با سرعت زیاد خارج می‌شود. واکنش خروج سریع این گاز ، هواپیما را به جلو می‌راند. نیروی پیشران راکتها هم مانند جتها ، واکنش خروجی گازهای گرم و سریع است، با این تفاوت که در راکتهای فضایی اکسیژن و مواد سوختی در خود راکت ذخیره شده است و از بیرون بی نیاز است. در فضاپیماها یا ماهواره‌هایی که به دور زمین به گردش در می‌آیند، چندین راکت در طی مراحل مختلف به کار می‌رود که البته بزرگترین و سنگین‌ترین آنها همان راکت پرتاب کننده است که فضاپیما را از روی زمین پرتاب می‌کند منبع عمده‌ی انرژی موجود در فضاپیماها انرژی شیمیایی ، انرژی هسته‌ای و انرژی خورشیدی است.

در راکتهای شیمیایی ، ممکن است از سوخت جامد و مواد اکسید کننده‌ی مایع استفاده شود. دمای گازهای حاصل بین 2500 تا 4180 درجه ی سلسیوس و سرعت خروج گاز از 1830 تا 4280 متر بر ثانیه می‌رسد. این سرعت خروجی بسیار زیاد ، اندازه حرکت لازم برای پیش راندن راکت را فراهم می‌آورد. در راکتهای شیمیایی با سوخت مایع ، سوخت و مواد اکسید کننده به صورت مایع در مخزنهای جداگانه ذخیره شده‌اند. سوخت معمولا هیدروژن مایع یا نفت مایع و ماده‌ی اکسید کننده ، اکسیژن مایع است. این دو مایع به وسیله‌ی پمپی به اتاق احتراق فرستاده می‌شوند و در آنجا در اثر احتراق ، گازهای گرم و پر فشار تولید می‌شوند که پس از عبور از دهانه‌ی خروجی نیروی پیش برنده‌ی لازم را برای پیش راندن راکت فراهم می‌کنند.

راکتهای خورشیدی

در این نوع راکتها ، انرژی لازم برای افزایش فشار و سرعت خروج گاز هیدروژن ، از انرژی خورشیدی تأمین می‌شود. یک دستگاه آینه بازتاب کننده تابش خورشید را روی دستگاه مبدل گرما متمرکز می‌کند و دمای گاز را به شدت بالا می‌برد و سبب می‌شود که سرعت خروج گازهای منبسط شده به آن حدی برسد که بتواند نیروی لازم برای پیش بردن راکت را فراهم کند. محاسبات نشان می‌دهد که اگر بخواهیم راکتی را از زمین به بیرون پرتاب کنیم، به طوری که بتواند از میدان گرانش زمین خارج شود، باید به سرعت گریز ، یعنی 11200متر بر ثانیه برسد. چنین سرعتی در جو زمین سبب می‌شود که راکت بسیار گرم شود و بسوزد، از این رو این سرعت را در بالای جو را راکت می‌دهند تا بدون خطر سوختن از زمین دور شود.

بازگشت سفینه‌ها به زمین

سرعت حرکت ماهواره‌ها به دور زمین حدود 5/7 کیلومتر بر ثانیه و سرعت سفینه‌های فضایی در هنگام نزدیک شدن به زمین حدود 11 کیلومتر بر ثانیه است. اگر سفینه با چنین سرعتی به جو زمین برسد، می‌سوزد. از این رو لازم است سرعت فضاپیما کاهش یابد و بدون ضربه روی زمین قرار گیرد. برای کاستن از سرعت سفینه در هنگام بازگشت، می‌توان از نیروی مقاومت هوا (آئرودینامیک) استفاده کرد. البته این مقاومت در سرعت بسیار زیاد ، گرمای زیادی تولید می‌کند، در نتیجه مسأله‌ی مهم جلوگیری از سوختن جدا سفینه مطرح می‌شود. برای این کار فضاپیما را به جای آن که در امتداد شعاع زمین پایین آورند، روی مداری به دور زمین به گردش در می‌آورند و مدار را به تدریج کوچکتر می‌کنند تا سرانجام آن را در نقطه‌ی مناسبی فرود آورند.