آلان أرنولد غريفيث

آلان أرنولد غريفيث، الحائز على وسام الإمبراطورية البريطانيةكان زميل الجمعية الملكية ^{[ 1 ]} (13 يونيو 1893 - 13 أكتوبر 1963) مهندسًا إنجليزيًا وابن كاتب الخيال العلمي الفيكتوريجورج غريفيث. من بين إسهاماته العديدة، اشتهر بعمله في مجالالإجهادوالكسر في المعادن، والذي يُعرف الآن باسمإجهاد المعادن، بالإضافة إلى كونه من أوائل من وضعوا أساسًا نظريًا متينًا للمحركالنفاث. كانت تصاميم غريفيث المتقدمةالتوربينات النفاثةذات التدفق المحوري جزءًا لا يتجزأ من ابتكار أول محرك توربينات نفاث ذي تدفق محوري تشغيلي في بريطانيا، وهو محركمتروبوليتان-فيكرز إف.2، الذي تم تشغيله بنجاح لأول مرة عام 1941. مع ذلك، لم يكن لغريفيث دور مباشر يُذكر في إنتاج المحرك فعليًا، بعد انتقاله عام 1939 من رئاسة قسم المحركات فيالمؤسسة الملكية للطائراتللعمل في شركةرولز رويس.

حصل أ. أ. غريفيث على المرتبة الأولى في الهندسة الميكانيكية، ثم حصل على درجة الماجستير والدكتوراه من جامعة ليفربول . في عام 1915، تم قبوله في مصنع الطائرات الملكي كمتدرب، قبل أن ينضم إلى قسم الفيزياء والأجهزة في العام التالي فيما تم تغيير اسمه لاحقًا إلى المؤسسة الملكية للطائرات (أو RAE).

لا تزال بعض أعمال غريفيث المبكرة مستخدمة على نطاق واسع حتى اليوم. ففي عام ١٩١٧، اقترح هو وجي. آي. تايلور استخدام أغشية الصابون كوسيلة لدراسة مشاكل الإجهاد. وباستخدام هذه الطريقة، تُمدد فقاعة صابون بين عدة خيوط تمثل حواف الجسم قيد الدراسة، ويُظهر لون الغشاء أنماط الإجهاد. وقد استُخدمت هذه الطريقة، وطرق مشابهة، حتى تسعينيات القرن العشرين، حين حلّت النمذجة الحاسوبية محلها.

اشتهر غريفيث بدراسته النظرية حول طبيعة الإجهاد والانهيار الناتج عن انتشار الشقوق في المواد الهشة كالزجاج. وينطبق معيار انتشار الشقوق الذي وضعه أيضًا على المواد المرنة. ^{[ 2 ]} في ذلك الوقت، كان يُعتقد عمومًا أن قوة المادة تساوي E/10، حيث E هو معامل يونغ لتلك المادة. ومع ذلك، كان من المعروف أن هذه المواد غالبًا ما تنهار عند جزء من ألف من هذه القيمة المتوقعة. اكتشف غريفيث وجود العديد من الشقوق المجهرية في كل مادة، وافترض أن هذه الشقوق تُقلل من قوة المادة الإجمالية. ويعود ذلك إلى أن أي فراغ في جسم صلب، أو خدش على سطحه، يُركز الإجهاد، وهي حقيقة معروفة جيدًا لدى الميكانيكيين في ذلك الوقت. يسمح هذا التركيز للإجهاد بالوصول إلى E/10 عند طرف الشق قبل وقت طويل من وصوله إلى هذه القيمة في المادة ككل.

انطلاقًا من هذا العمل، صاغ غريفيث نظريته الخاصة بالكسر الهش ، مستخدمًا مفاهيم طاقة الانفعال المرن . وصفت نظريته سلوك انتشار الشقوق الإهليلجية من خلال مراعاة الطاقة المتضمنة. وصف غريفيث انتشار الشقوق بدلالة الطاقة الداخلية للنظام وعلاقتها بزيادة طول الشق، كما هو موضح في المعادلة.

${\displaystyle {\frac {d(U_{e}+U_{s}+W)}{dc}}=0}$

حيث تمثل U _e الطاقة المرنة للمادة، وتمثل U _s مساحة سطح الشق، وتمثل W الشغل المطبق على العينة، وتمثل dc الزيادة في طول الشق. ^{[ 3 ]}

استُخدمت هذه العلاقة لوضع معيار غريفيث ، الذي ينص على أنه عندما يتمكن الشق من الانتشار بما يكفي لكسر المادة، فإن الزيادة في طاقة السطح تساوي فقدان طاقة الانفعال، ويُعتبر هذا المعيار المعادلة الأساسية لوصف الكسر الهش. ولأن طاقة الانفعال المنطلقة تتناسب طرديًا مع مربع طول الشق، فإن طاقة انتشار الشق لا تتجاوز طاقة الانفعال المتاحة له إلا عندما يكون قصيرًا نسبيًا. أما إذا تجاوز طول الشق الحد الحرج وفقًا لمعيار غريفيث، يصبح الشق خطيرًا.

أدى هذا العمل، الذي نُشر عام ١٩٢٠ بعنوان "ظاهرة التمزق والتدفق في المواد الصلبة"، ^{[ ٤ ]} إلى وعي جديد في العديد من الصناعات. لم يعد "تصلب" المواد الناتج عن عمليات مثل الدرفلة على البارد لغزًا. أصبح مصممو الطائرات أكثر قدرة على فهم أسباب فشل تصاميمهم، على الرغم من أنها بُنيت بقوة أكبر بكثير مما كان يُعتقد أنه ضروري في ذلك الوقت، وسرعان ما لجأوا إلى صقل المعادن لإزالة الشقوق. عُمم هذا العمل لاحقًا على يد جي آر إيروين، وآر إس ريفلين ، وإيه جي توماس ، ^{[ ٥ ] [ ٦ ]} في خمسينيات القرن العشرين، وطُبق على جميع المواد تقريبًا، وليس فقط المواد الهشة.

في عام ١٩٢٦، نشر غريفيث بحثه الرائد بعنوان "نظرية ديناميكية هوائية لتصميم التوربينات ". ^{[ ٧ ]} أوضح فيه أن الأداء الضعيف للتوربينات الموجودة آنذاك يعود إلى خلل في تصميمها، ما يعني أن شفراتها كانت "تطير في حالة توقف"، واقترح شكلاً انسيابياً حديثاً للشفرات من شأنه تحسين أدائها بشكل كبير. وصف البحث محركاً يستخدم ضاغطاً محورياً وتوربيناً ثنائي المراحل، حيث تدير المرحلة الأولى الضاغط، بينما تدير الثانية عمود نقل الحركة الذي يُشغل المروحة. كان هذا التصميم المبكر بمثابة النواة الأولى لمحرك التوربين المروحي . ونتيجةً لهذا البحث، دعمت لجنة أبحاث الطيران تجربةً مصغرةً باستخدام ضاغط محوري أحادي المرحلة وتوربين محوري أحادي المرحلة. أُنجز العمل في عام ١٩٢٨ بتصميم عملي مُختَبَر، ومنه بُنيت سلسلة من التصاميم لاختبار مفاهيم مختلفة.

في ذلك الوقت تقريبًا، كتب فرانك ويتل أطروحته عن المحركات التوربينية، مستخدمًا ضاغطًا طاردًا مركزيًا وتوربينًا أحادي المرحلة، حيث تُستخدم الطاقة المتبقية في العادم لدفع الطائرة. أرسل ويتل بحثه إلى وزارة الطيران عام ١٩٣٠، والتي أحالته بدورها إلى غريفيث للتعليق. بعد أن أشار غريفيث إلى خطأ في حسابات ويتل، ذكر أن الحجم الأمامي الكبير للضاغط سيجعله غير عملي للاستخدام في الطائرات، وأن العادم نفسه لن يوفر قوة دفع تُذكر. ردت وزارة الطيران على ويتل قائلةً إنها غير مهتمة بالتصميم. شعر ويتل بخيبة أمل كبيرة، لكن أصدقاءه في سلاح الجو الملكي البريطاني أقنعوه بمتابعة الفكرة على أي حال. حصل ويتل على براءة اختراع لتصميمه عام ١٩٣٠، وتمكن من تأسيس شركة باور جيتس عام ١٩٣٥ لتطويره.

تولى غريفيث منصب كبير المسؤولين العلميين في مختبر وزارة الطيران الجديد في جنوب كنسينغتون. وهناك اخترع التوربين الغازي ذو التدفق المعاكس ، الذي يستخدم أقراص ضاغط/توربين تدور بالتناوب في اتجاهين متعاكسين. لم يكن هناك حاجة إلى جزء ثابت بين كل قرص دوار. كان من الصعب تصميم الشفرات للحصول على القدر المناسب من الدوران، كما كان من الصعب عزل ممر تدفق الضاغط عن ممر تدفق التوربين. في عام 1931، عاد إلى الأكاديمية الملكية للطيران لتولي مسؤولية أبحاث المحركات، ولكن لم يبدأ العمل على تطوير محرك ذي تدفق محوري فعليًا إلا في عام 1938، عندما أصبح رئيسًا لقسم المحركات. انضم هاين كونستانت إلى قسم المحركات، الذي بدأ العمل على تصميم غريفيث الأصلي غير ذي التدفق المعاكس، بالتعاون مع شركة متروبوليتان-فيكرز (ميتروفيك) المصنعة للتوربينات البخارية .

بعد فترة وجيزة، بدأ عمل ويتل في شركة باور جيتس يحقق تقدماً ملحوظاً، مما اضطر غريفيث إلى إعادة النظر في موقفه من استخدام المحرك النفاث مباشرةً للدفع. أسفرت إعادة تصميم سريعة في أوائل عام 1940 عن محرك متروفيك إف.2 ، الذي طار لأول مرة في وقت لاحق من ذلك العام. كان محرك إف.2 جاهزاً لاختبارات الطيران في عام 1943 بقوة دفع بلغت 2150  رطلاً، وحلّق كبديل لمحركات طائرة غلوستر ميتيور ، طراز إف.2/40، في نوفمبر. أدى المحرك الأصغر إلى تصميم يشبه إلى حد كبير تصميم طائرة مي 262 ، مع أداء مُحسّن. ومع ذلك، اعتُبر المحرك معقداً للغاية، ولم يُطرح للإنتاج.

انضم غريفيث إلى شركة رولز رويس عام 1939، وعمل فيها حتى عام 1960، حين تقاعد من منصبه كرئيس للعلماء. اقترح غريفيث تصميمًا لمحرك توربيني نفاث بسيط ، يستخدم ضاغطًا محوريًا وتوربينًا أحادي المرحلة، أُطلق عليه اسم AJ.65 وأُعيد تسميته إلى Avon ، وهو أول محرك توربيني نفاث محوري تنتجه الشركة. كما اقترح غريفيث العديد من مخططات الالتفاف، بعضها معقد ميكانيكيًا، بما في ذلك مخطط يستخدم ضاغطين متصلين على التوالي، وهو التصميم الذي استُخدم لاحقًا في طائرة كونواي . أجرى غريفيث دراسات رائدة في تكنولوجيا الإقلاع والهبوط العمودي (VTOL)، مثل التحكم في التحليق باستخدام نفاثات الهواء. اقترح استخدام مجموعات من المحركات التوربينية النفاثة الصغيرة والبسيطة وخفيفة الوزن لرفع الطائرة في وضع أفقي، وهو ما يُعرف بـ"الرافع المسطح". دُرست إمكانية التحكم في التحليق باستخدام جهاز قياس الدفع من رولز رويس، ولكن باستخدام محركات تقليدية ذات دفع منحرف. تم استخدام بطارية من أربعة محركات رفع في جهاز Short SC.1 .

يُخلّد اسم غريفيث في ميدالية وجائزة AA Griffith السنوية التي يمنحها معهد المواد والمعادن والتعدين لمساهماته في علم المواد . ^{[ 8 ]} وقد توقف منح الجائزة في عام 2021.

• أرمسترونغ، إف دبليو (ديسمبر 1976). "محرك الطائرة وتقدمه - خمسون عامًا بعد غريفيث" . المجلة الجوية . المجلد  80. الجمعية الملكية للملاحة الجوية . الصفحات 499-520 . الرقم الدولي الموحد للدوريات 0001-9240 .  
• كانتور، برايان (2020). "معادلة غريفيث" . معادلات المواد . مطبعة جامعة أكسفورد. ص 253-262 . ISBN  978-0-19-259291-0.
• غريفيث، جون (2010). "إرث جورج غريفيث للعلوم الحقيقية: مسيرة أ. أ. غريفيث". في غودوين، روبرت (محرر). حول العالم في 65 يومًا مع جورج غريفيث: يوميات فيلياس فوغ الحقيقي - من جول فيرن إلى قاعدة ترانكويليتي . الصفحات 29-35 . ISBN  978-1897350-27-0.
• هاول، أ. ر. (ديسمبر 1976). "أفكار غريفيث المبكرة حول ديناميكا الهواء في الآلات التوربينية" . المجلة الجوية . المجلد  80. الجمعية الملكية للملاحة الجوية . الصفحات 521-529 . الرقم الدولي الموحد للدوريات 0001-9240 .  
• كينغ، إتش إف (22 ديسمبر 1966). "إرث غريفيث: قصة فريدة لأب وابنه" . مجلة فلايت إنترناشونال . المجلد  90. دار نشر آي بي سي للنقل المحدودة. الصفحات 1058-1059 . الرقم الدولي الموحد للدوريات 0015-3710 .  

• رولز رويس: الدكتور آلان غريفيث
• صورة للدكتور أ. أ. غريفيث
• "تقاعد الدكتور غريفيث" خبرٌ نُشر في مجلة فلايت عام 1960، يُفيد بتقاعد الدكتور إيه إيه غريفيث من شركة رولز رويس.