نافورة هيرون

نافورة هيرون هي آلة هيدروليكية اخترعها المخترع والرياضي والفيزيائي هيرون (أو هيرو) من الإسكندرية في القرن الأول الميلادي . ^[1]

درس هيرون ضغط الهواء والبخار، ووصف أول محرك بخاري ، وصنع ألعابًا تنفث الماء، وواحدة منها تُعرف باسم نافورة هيرون. تُستخدم إصدارات مختلفة من نافورة هيرون اليوم في دروس الفيزياء كدليل على مبادئ الهيدروليكا والنيوماتيكا .

في الوصف التالي، قم باستدعاء الحاويات الثلاثة:

• (أ) أعلى: حوض
• (ب) الوسط: إمدادات المياه
• (ج) أسفل: إمداد الهواء

وثلاثة أنابيب:

• P1 (على اليسار في الصورة) من ثقب في أسفل الحوض (أ) إلى أسفل حاوية إمداد الهواء (ج)
• P2 (على اليمين في الصورة) من أعلى حاوية إمداد الهواء (ج) إلى أعلى حاوية إمداد المياه (ب)
• P3 (في منتصف الصورة) من أسفل حاوية إمداد المياه (ب)، حتى أسفل الحوض (أ) حتى ارتفاع أعلى من حافة الحوض. تتدفق النافورة لأعلى من خلال هذا الأنبوب. يعتمد أقصى ارتفاع لأنبوب P3 على الارتفاع بين B وC (انظر أدناه).

يمكن أن تكون الحاوية (أ) مغلقة ومحكمة الغلق، ولكن هذا ليس ضروريًا. ومع ذلك، يجب أن تكون الحاوية (ب) والحاوية (ج) محكمة الغلق ومقاومة للضغط الجوي. تكفي الزجاجات البلاستيكية، ولكن الحاويات الزجاجية تعمل بشكل أفضل. لا تعمل البالونات لأنها لا تستطيع تحمل الضغط دون تشوه. تعمل النافورة بالطريقة التالية:

• إن الطاقة اللازمة لتحريك الماء تأتي في النهاية من الماء الموجود في A والذي ينزل إلى C.
• وهذا يعني أن الماء في B يمكن أن يرتفع إلى A فقط بنفس القدر الذي ينزل فيه من A إلى C.
• يؤدي سقوط الماء من A إلى C عبر الأنبوب P1 إلى تراكم الضغط في الحاوية السفلية؛ وهذا الضغط يتناسب طرديًا مع فرق الارتفاع بين A و C.
• يتم نقل الضغط عن طريق الهواء عبر الأنبوب P2 إلى مصدر المياه B، ويدفع الماء إلى الأعلى داخل الأنبوب P3.
• يحل الماء المتحرك لأعلى الأنبوب P3 محل الماء المتساقط من A إلى C، مما يؤدي إلى إغلاق الحلقة.

تشرح هذه المبادئ البناء:

• لا يجب أن يتسرب الهواء الموجود في C عبر الأنبوب P1، ولهذا السبب يجب أن يتجه P1 إلى الأسفل، حتى يغلقه الماء.
• لا يجب أن يتسرب الهواء الموجود في B عبر الأنبوب P3 أيضًا، ولهذا السبب يجب أن يتجه P3 إلى الأسفل حتى يغلقه الماء.
• يجب منع الماء من المرور مباشرة عبر الأنبوب P2 من B إلى C، لذلك يجب أن يربط P2 الجزء العلوي من B مع C.
• إذا تم توصيل P2 إلى C في الأسفل، فإن الماء سوف يغلقه ولن يتراكم ضغط الهواء في B. لذا يجب توصيل P2 في الجزء العلوي من C.

نافورة هيرون ليست آلة حركة دائمة . ^[2] إذا كانت فوهة الصنبور ضيقة، فقد تعمل لعدة دقائق، لكنها تتوقف في النهاية. قد يرتفع مستوى الماء الخارج من الأنبوب عن المستوى في أي حاوية، لكن صافي تدفق الماء يكون إلى الأسفل. ومع ذلك، إذا تم تصميم أحجام حاويات إمداد الهواء وإمداد النافورة لتكون أكبر بكثير من حجم الحوض، مع الحفاظ على معدل تدفق الماء من فوهة الصنبور ثابتًا، يمكن للنافورة أن تعمل لفترة زمنية أطول بكثير.

قد يبدو عملها أقل تناقضًا إذا اعتبرناها سيفونًا ، ولكن مع إزالة القوس العلوي للأنبوب، ويوفر ضغط الهواء بين الحاويتين السفليتين الضغط الإيجابي لرفع الماء فوق القوس. يُعرف الجهاز أيضًا باسم سيفون هيرون.

يتم نقل الطاقة الكامنة الجاذبية للمياه التي تسقط على مسافة طويلة من الحوض إلى الحاوية السفلية بواسطة أنبوب الضغط الهوائي ( يتم تحريك الهواء فقط إلى الأعلى في هذه المرحلة) لدفع المياه من الحاوية العلوية مسافة قصيرة فوق الحوض.

يمكن أن تتدفق المياه من النافورة (تقريبًا) إلى ارتفاع أعلى من الحاوية العلوية مثل ارتفاع المياه التي تتساقط من الحوض إلى الحاوية السفلية. وللحصول على أقصى تأثير، ضع الحاوية العلوية أسفل الحوض قدر الإمكان، ثم ضع الحاوية السفلية على مسافة طويلة أسفل كليهما.

بمجرد أن ينخفض ​​مستوى الماء في الحاوية العلوية إلى مستوى منخفض جدًا بحيث لم يعد أنبوب حمل الماء يلامس سطح الماء، تتوقف النافورة. ولتشغيل النافورة مرة أخرى، يتم إفراغ حاوية إمداد الهواء من الماء، وإعادة ملء حاوية إمداد النافورة والحوض. يوفر رفع الماء الطاقة المطلوبة .

كما ذكرنا سابقًا، تتوقف النافورة عن العمل عندما ينخفض ​​مستوى الماء من B إلى C. ومع ذلك، هناك طرق لجعلها تعمل مرة أخرى، مثل:

• تم تصميم الأنابيب بحيث عندما تمتلئ C وتصبح B فارغة، يمكن تبديل موضعهما.
• إضافة صمامات لتفريغ C وتجديد B (في الواقع نقل المياه من C إلى B).
• بدلاً من استخدام الصمامات، قم بنقل الماء من C إلى B من خلال الغليان والتكثيف.
• اصنع نافورة ABCD مكونة من 4 حاويات، والتي يمكن قلبها رأسًا على عقب بحيث يتم تبديل أماكن الحاوية الممتلئة والفارغة.

وتوجد أيضًا نافورات تحتوي على سائلين مختلفين في اللون والكثافة، مثل نافورة الهاليت. ^[3]

ظهر مثال لنافورة هيرون، التي بناها لاري فلينهاردت ، في الحلقة الثامنة (بعنوان "تابو") من الموسم الرابع من البرنامج التلفزيوني Numb3rs .

ظهرت نافورة هيرون في الحلقة الأولى من برنامج How Britain Worked الذي استضافه جاي مارتن .

• كبش هيدروليكي
• مضخة النبض
• قاذف الفراغ
• تأثير فنتوري
• مطرقة مائية

• براون، هنري ت.؛ "507 الحركات الميكانيكية والآليات والأجهزة"، ص 111؛ الطبعة التاسعة عشر 1901.
• هيسكوكس، جاردنر د.؛ "1800 الحركات الميكانيكية والأجهزة والأدوات"، ص 162؛ الطبعة السادسة عشر المنشورة عام 1926 تحت اسم "الحركات الميكانيكية والقوة والأجهزة".

• ر.يا. كيزراشفيلي، أ. سابوزنيكوف. "النافورة السحرية"، على موقع arxiv.org
• أياز، فيديو لنافورة تعمل، وطريقة صنع واحدة اصنع نافورة بلا توقف من زجاجة بلاستيكية