الهيدروليكا

الهيدروليكا (من اليونانية القديمة ὕδωρ ( húdōr )  ' ماء ' و αὐλός ( aulós )  ' أنبوب ') ^[2] هي تقنية وعلم تطبيقي يستخدم الهندسة والكيمياء والعلوم الأخرى التي تنطوي على الخصائص الميكانيكية واستخدام السوائل . على مستوى أساسي للغاية، الهيدروليكا هي النظير السائل للنيوماتيكا ، والتي تتعلق بالغازات . توفر ميكانيكا الموائع الأساس النظري للهيدروليكا، والتي تركز على الهندسة التطبيقية باستخدام خصائص السوائل. في تطبيقات الطاقة السائلة ، تُستخدم الهيدروليكا لتوليد الطاقة والتحكم فيها ونقلها باستخدام السوائل المضغوطة . تتراوح الموضوعات الهيدروليكية عبر بعض أجزاء العلوم ومعظم وحدات الهندسة، وتغطي مفاهيم مثل تدفق الأنابيب وتصميم السدود والسوائل ودوائر التحكم في السوائل. تُستخدم مبادئ الهيدروليكا بشكل طبيعي في جسم الإنسان داخل الجهاز الوعائي والأنسجة الانتصابية . ^{[3] [4} ]

الهيدروليكا السطحية الحرة هي فرع من فروع الهيدروليكا يتعامل مع التدفق السطحي الحر ، مثل الذي يحدث في الأنهار والقنوات والبحيرات والمصبات والبحار . يدرس مجالها الفرعي تدفق القناة المفتوحة التدفق في القنوات المفتوحة .

يعود تاريخ الاستخدامات المبكرة لقوة المياه إلى بلاد ما بين النهرين ومصر القديمة ، حيث استُخدم الري منذ الألفية السادسة قبل الميلاد واستُخدمت الساعات المائية منذ أوائل الألفية الثانية قبل الميلاد. ومن الأمثلة المبكرة الأخرى لقوة المياه نظام القنوات في بلاد فارس القديمة ونظام مياه توربان في آسيا الوسطى القديمة.

في الإمبراطورية الفارسية أو الكيانات السابقة في بلاد فارس، بنى الفرس نظامًا معقدًا من طواحين المياه والقنوات والسدود المعروفة باسم نظام شوشتر الهيدروليكي التاريخي . وقد أشار اليونسكو إلى المشروع، الذي بدأه الملك الأخميني داريوس الكبير وأكمله مجموعة من المهندسين الرومان الذين أسرهم الملك الساساني شابور الأول ، ^[5] بأنه "تحفة فنية من العبقرية الإبداعية". ^[5] وكانوا أيضًا مخترعي ^[6] القناة ، وهي قناة مائية تحت الأرض، حوالي القرن التاسع قبل الميلاد. ^[7] تم ري العديد من حدائق إيران الكبيرة القديمة بفضل القنوات. ^[8]

انتشرت القناة إلى المناطق المجاورة، بما في ذلك المرتفعات الأرمينية . هناك، بدءًا من أوائل القرن الثامن قبل الميلاد، قامت مملكة أورارتو بأعمال هيدروليكية مهمة، مثل قناة مينوا . ^{[9] [7] [10]}

يعود أقدم دليل على وجود عجلات المياه وطواحين المياه إلى الشرق الأدنى القديم في القرن الرابع قبل الميلاد، ^{[11] وتحديدًا في الإمبراطورية الفارسية قبل عام} 350 قبل الميلاد، في مناطق العراق وإيران ، [ ^12] ومصر . ^[13]

في الصين القديمة كان هناك Sunshu Ao (القرن السادس قبل الميلاد)، و Ximen Bao (القرن الخامس قبل الميلاد)، و Du Shi (حوالي 31 م)، و Zhang Heng (78 - 139 م)، و Ma Jun (200 - 265 م)، بينما كان لدى الصين في العصور الوسطى Su Song (1020 - 1101 م) و Shen Kuo (1031-1095). استخدم Du Shi عجلة مائية لتشغيل منفاخ فرن الصهر لإنتاج الحديد الزهر . كان Zhang Heng أول من استخدم الهيدروليكا لتوفير قوة دافعة في تدوير كرة ذات ذراع للمراقبة الفلكية . ^{[14] [15]}

في سريلانكا القديمة، كانت الهيدروليكا تستخدم على نطاق واسع في الممالك القديمة أنورادهابورا وبولوناروا . ^[16] يُنسب اكتشاف مبدأ برج الصمام، أو حفرة الصمام (بيسوكوتوا باللغة السنهالية) لتنظيم تسرب المياه إلى الإبداع منذ أكثر من 2000 عام. ^[17] بحلول القرن الأول الميلادي، تم الانتهاء من العديد من أعمال الري واسعة النطاق. ^[18] تم وضع الهيدروليكا الكلية والجزئية لتوفير الاحتياجات البستانية والزراعية المنزلية، والصرف السطحي ومكافحة التآكل، والمجاري المائية الزخرفية والترفيهية والهياكل الاحتجازية وكذلك أنظمة التبريد في سيجيريا ، سريلانكا. تشمل الشعاب المرجانية على الصخرة الضخمة في الموقع صهاريج لجمع المياه. الخزانات القديمة الكبيرة في سريلانكا هي كالاويوا (الملك داتوسينا)، باراكراما سامودرا (الملك باراكراما باهو)، تيسا ويوا (الملك دوتوجامونو)، مينيريا (الملك ماهاسين)

في اليونان القديمة ، بنى الإغريق أنظمة مائية وهيدروليكية متطورة. ومن الأمثلة على ذلك بناء يوبالينوس ، بموجب عقد عام، لقناة ري لساموس ، نفق يوبالينوس . ومن الأمثلة المبكرة لاستخدام العجلة الهيدروليكية، والتي ربما كانت الأقدم في أوروبا، عجلة بيراخورا (القرن الثالث قبل الميلاد). ^[19]

في مصر اليونانية الرومانية ، كان بناء أول آلات هيدروليكية أوتوماتيكية بواسطة ستيسيبيوس (ازدهر حوالي 270 قبل الميلاد) وهيرو الإسكندري (حوالي 10 - 80 بعد الميلاد) أمرًا جديرًا بالملاحظة. يصف هيرو العديد من الآلات العاملة التي تستخدم الطاقة الهيدروليكية، مثل مضخة القوة ، والتي يُعرف من العديد من المواقع الرومانية أنها كانت تستخدم لرفع المياه وفي سيارات الإطفاء. ^[20]

في الإمبراطورية الرومانية ، تم تطوير تطبيقات هيدروليكية مختلفة، بما في ذلك إمدادات المياه العامة، وقنوات المياه التي لا حصر لها ، وطواحين المياه التي تعمل بالطاقة والتعدين الهيدروليكي . وكانوا من بين أول من استخدم السيفون لنقل المياه عبر الوديان، واستخدموا التكديس على نطاق واسع للتنقيب عن خامات المعادن ثم استخراجها . كما استخدموا الرصاص على نطاق واسع في أنظمة السباكة للإمدادات المنزلية والعامة، مثل تغذية الحمامات الحرارية . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

استُخدم التعدين الهيدروليكي في حقول الذهب في شمال إسبانيا، التي غزاها أغسطس في عام 25 قبل الميلاد. وكان منجم الذهب الرسوبي في لاس ميدولاس أحد أكبر مناجمهم. وكان يعمل به ما لا يقل عن سبعة قنوات مائية طويلة، وكانت مجاري المياه تُستخدم لتآكل الرواسب اللينة، ثم غسل المخلفات للحصول على محتوى الذهب الثمين. ^{[21] [22]}

في العالم الإسلامي خلال العصر الذهبي الإسلامي والثورة الزراعية العربية (القرنين الثامن والثالث عشر)، استخدم المهندسون الطاقة الكهرومائية على نطاق واسع بالإضافة إلى الاستخدامات المبكرة لطاقة المد والجزر ، ^{[23] ومجمعات} المصانع الهيدروليكية الكبيرة . ^[24] تم استخدام مجموعة متنوعة من المطاحن الصناعية التي تعمل بالطاقة المائية في العالم الإسلامي، بما في ذلك مطاحن الحبوب ، ومطاحن الحبوب ، ومطاحن الورق ، ومصانع التقشير ، ومطاحن الأخشاب ، ومطاحن السفن ، ومطاحن الطوابع ، ومطاحن الصلب ، ومطاحن السكر ، ومطاحن المد والجزر . بحلول القرن الحادي عشر، كانت كل مقاطعة في جميع أنحاء العالم الإسلامي لديها هذه المطاحن الصناعية قيد التشغيل، من الأندلس وشمال إفريقيا إلى الشرق الأوسط وآسيا الوسطى . ^[25] كما استخدم المهندسون المسلمون توربينات المياه ، واستخدموا التروس في طواحين المياه وآلات رفع المياه، وكانوا رواد استخدام السدود كمصدر لقوة المياه، والتي تستخدم لتوفير طاقة إضافية لطواحين المياه وآلات رفع المياه. ^[26]

وصف الجزري (1136-1206) تصميمات لخمسين جهازًا، كثير منها يعمل بالطاقة المائية، في كتابه " كتاب معرفة الحيل الميكانيكية" ، بما في ذلك الساعات المائية، وجهاز لتقديم النبيذ، وخمسة أجهزة لرفع المياه من الأنهار أو البرك. وتشمل هذه الأجهزة حزامًا لا نهاية له مع أباريق متصلة وجهاز ترددي بصمامات مفصلية. ^[27]

كانت أقدم الآلات القابلة للبرمجة عبارة عن أجهزة تعمل بالطاقة المائية تم تطويرها في العالم الإسلامي. كان جهاز تسلسل الموسيقى ، وهو آلة موسيقية قابلة للبرمجة، أقدم نوع من الآلات القابلة للبرمجة. كان أول جهاز تسلسل موسيقي عبارة عن عازف فلوت آلي يعمل بالطاقة المائية اخترعه الإخوة بنو موسى ، والذي تم وصفه في كتابهم عن الحيل ، في القرن التاسع. ^{[28] [29]} في عام 1206، اخترع الجزري آلات/ روبوتات قابلة للبرمجة تعمل بالطاقة المائية . ووصف أربعة موسيقيين آليين ، بما في ذلك عازفو الطبول الذين يتم تشغيلهم بواسطة آلة طبول قابلة للبرمجة ، حيث يمكن جعلهم يعزفون إيقاعات مختلفة وأنماط طبول مختلفة. ^[30]

في عام 1619، نشر بينيديتو كاستيلي ، أحد طلاب جاليليو جاليلي ، كتاب Della Misura dell'Acque Correnti أو "حول قياس المياه الجارية"، وهو أحد أسس علم الهيدروديناميكية الحديث. وقد عمل كمستشار رئيسي للبابا في المشاريع الهيدروليكية، أي إدارة الأنهار في الولايات البابوية، بدءًا من عام 1626. ^[31]

تم تقديم علم وهندسة المياه في إيطاليا من عام 1500 إلى عام 1800 في الكتب والمخطوطات في كتالوج مصور نُشر في عام 2022. ^[32]

درس بليز باسكال (1623-1662) هيدروديناميكية الموائع وهيدروستاتيكا، وركز على مبادئ الموائع الهيدروليكية. أدى اكتشافه للنظرية وراء الهيدروليكا إلى اختراعه للمكبس الهيدروليكي ، الذي ضاعف قوة أصغر تعمل على مساحة أصغر في تطبيق قوة أكبر إجمالية على مساحة أكبر، تنتقل من خلال نفس الضغط (أو التغير الدقيق في الضغط) في كلا الموقعين. ينص قانون باسكال أو مبدأه على أنه بالنسبة للسائل غير القابل للانضغاط في حالة السكون، فإن الفرق في الضغط يتناسب مع الفرق في الارتفاع، ويظل هذا الاختلاف كما هو سواء تغير الضغط الكلي للسائل عن طريق تطبيق قوة خارجية أم لا. وهذا يعني أنه بزيادة الضغط عند أي نقطة في سائل محصور، يكون هناك زيادة متساوية عند كل طرف آخر في الحاوية، أي أن أي تغيير في الضغط المطبق عند أي نقطة من السائل ينتقل دون نقصان في جميع أنحاء السوائل.

قام طبيب فرنسي يدعى بوازويل (1797-1869) بدراسة تدفق الدم عبر الجسم واكتشف قانونًا مهمًا يحكم معدل التدفق بقطر الأنبوب الذي حدث فيه التدفق. ^{[33] [ بحاجة لمصدر ]}

طورت العديد من المدن شبكات الطاقة الهيدروليكية على مستوى المدينة في القرن التاسع عشر، لتشغيل الآلات مثل المصاعد والرافعات والرافعات الشوكية وما شابه ذلك. كان جوزيف براماه ^[34] (1748-1814) من المبتكرين الأوائل وأتقن ويليام أرمسترونج ^[35] ( 1810-1900) الجهاز لتوصيل الطاقة على نطاق صناعي. في لندن، كانت شركة لندن للطاقة الهيدروليكية ^[36] موردًا رئيسيًا لأنابيبها التي تخدم أجزاء كبيرة من ويست إند في لندن والمدينة والأرصفة ، ولكن كانت هناك مخططات مقتصرة على الشركات الفردية مثل الأرصفة وساحات البضائع بالسكك الحديدية .

بعد أن يفهم الطلاب المبادئ الأساسية للهيدروليكا، يستخدم بعض المعلمين تشبيهًا هيدروليكيًا لمساعدة الطلاب على تعلم أشياء أخرى. على سبيل المثال:

• يستخدم جهاز الكمبيوتر MONIAC ​​المياه المتدفقة عبر المكونات الهيدروليكية لمساعدة الطلاب على التعلم عن الاقتصاد.
• يستخدم القياس الحراري الهيدروليكي المبادئ الهيدروليكية لمساعدة الطلاب على التعرف على الدوائر الحرارية.
• يستخدم القياس الإلكتروني الهيدروليكي المبادئ الهيدروليكية لمساعدة الطلاب على التعلم عن الإلكترونيات.

يؤدي الحفاظ على متطلبات الكتلة مع قابلية ضغط السوائل إلى علاقة أساسية بين الضغط وتدفق السوائل والتمدد الحجمي، كما هو موضح أدناه: ^[37]

${\displaystyle {\frac {dp}{dt}}={\frac {\beta }{V}}\left(\sum _{\text{in}}Q-{\frac {dV}{dt}}\right)}$

بافتراض وجود سائل غير قابل للانضغاط أو نسبة "كبيرة جدًا" من قابلية الانضغاط إلى حجم السائل المحتوي، فإن معدل الارتفاع المحدود للضغط يتطلب أن يؤدي أي تدفق صافٍ إلى حجم السائل المتجمع إلى إحداث تغيير في الحجم.

• راشد، رشدي؛ موريلون، ريجيس (1996)، موسوعة تاريخ العلوم العربية ، لندن: روتليدج، ISBN 978-0-415-12410-2.

• مبدأ باسكال والهيدروليكا (نسخة مؤرشفة)
• مبدأ الهيدروليكا
• مكتبة الوسائط التابعة لـ IAHR مصدر ويب للصور والرسوم المتحركة والفيديو
• ملاحظات دورة الهيدروليكا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا