محرك نيوكومن الجوي

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة

مخطط محرك نيوكومن. – بخار (وردي)، ماء (أزرق) – صمامات مفتوحة (أخضر)، صمامات مغلقة (أحمر)

اخترع توماس نيوكومن المحرك الجوي عام 1712، ويُشار إليه أحيانًا باسم محرك نيوكومن الناري (انظر أدناه) أو محرك نيوكومن . كان المحرك يعمل بتكثيف البخار المسحوب إلى الأسطوانة، مما يُحدث فراغًا جزئيًا يسمح للضغط الجوي بدفع المكبس داخل الأسطوانة. ويُعدّ هذا المحرك ذا أهمية بالغة لكونه أول جهاز عملي يُسخّر البخار لإنتاج شغل ميكانيكي . [ 1 ] [ 2 ] استُخدمت محركات نيوكومن في جميع أنحاء بريطانيا وأوروبا، وخاصةً لضخ المياه من المناجم . وقد بُني المئات منها خلال القرن الثامن عشر. أما تصميم جيمس وات اللاحق للمحرك، فكان نسخة مُحسّنة من محرك نيوكومن، حيث ضاعف كفاءة استهلاك الوقود تقريبًا . وقد تم تحويل العديد من المحركات الجوية إلى تصميم وات. ونتيجةً لذلك، أصبح وات اليوم أكثر شهرةً من نيوكومن فيما يتعلق بأصل المحرك البخاري .

مقدمات

قبل نيوكومن، صُنعت عدة أجهزة بخارية صغيرة متنوعة، لكن معظمها كان مجرد ابتكارات. [ 3 ] حوالي عام 1600، استخدم عدد من المجربين البخار لتشغيل نوافير صغيرة تعمل كآلة تحضير القهوة . في البداية، كان يُملأ وعاء بالماء عبر أنبوب يمتد من أعلى الوعاء إلى أسفله تقريبًا. كان الجزء السفلي من الأنبوب مغمورًا في الماء، مما يجعل الوعاء محكم الإغلاق. ثم يُسخّن الوعاء حتى يغلي الماء. كان البخار المتولد يضغط الوعاء، لكن الأنبوب الداخلي، المغمور في قاعه بالماء، والذي يفتقر إلى إحكام إغلاق في الأعلى، ظل تحت ضغط منخفض؛ يدفع البخار المتمدد الماء في قاع الوعاء إلى داخل الأنبوب ثم إلى أعلى ليخرج من فوهة في الأعلى. كانت هذه الأجهزة محدودة الفعالية، لكنها أوضحت جدوى المبدأ.

في عام 1606، قام الإسباني جيرونيمو دي أيانز إي بومونت بعرض مضخة مياه تعمل بالبخار وحصل على براءة اختراع لها. وقد استُخدمت المضخة بنجاح لتجفيف مناجم غوادالكانال المغمورة بالمياه في إسبانيا . [ 4 ]

في عام ١٦٦٢، نشر إدوارد سومرست، الماركيز الثاني لوورسيستر ، كتابًا تضمن عدة أفكار كان يعمل عليها. [ ٥ ] إحدى هذه الأفكار كانت مضخة تعمل بالبخار لتزويد النوافير بالماء؛ حيث يستخدم الجهاز بالتناوب فراغًا جزئيًا وضغط البخار. يتم ملء وعاءين بالبخار بالتناوب، ثم يُرشّان بالماء البارد مما يؤدي إلى تكثيف البخار الموجود بداخلهما؛ ينتج عن ذلك فراغ جزئي يسحب الماء عبر أنبوب من بئر إلى الوعاء. بعد ذلك، تدفع شحنة جديدة من البخار المضغوط الماء من الوعاء عبر أنبوب آخر إلى خزان رئيسي أعلى مستوى قبل أن يتكثف البخار وتتكرر الدورة. من خلال تشغيل الوعاءين بالتناوب، يمكن زيادة معدل تدفق الماء إلى الخزان الرئيسي.

"صديق عامل المنجم" لسافري

في عام 1698، حصل توماس سافري على براءة اختراع لمضخة تعمل بالبخار أطلق عليها اسم "صديق عامل المنجم"، [ 6 ] حيث جمعت بين قوة البخار الهائلة والفراغ الناتج عن التكثيف. [ 7 ] : 99-109 [ 8 ] كانت عملية التبريد وتكوين الفراغ بطيئة نسبيًا، لذا أضاف سافري لاحقًا رذاذًا خارجيًا من الماء البارد لتبريد البخار بسرعة.

لا يُمكن اعتبار اختراع سافري أول "محرك" بخاري بالمعنى الدقيق، إذ لم يكن يحتوي على أجزاء متحركة ولم يكن قادرًا على نقل طاقته إلى أي جهاز خارجي. كانت الآمال معقودة على "صديق عامل المنجم"، ما دفع البرلمان إلى تمديد صلاحية براءة الاختراع 21  عامًا، بحيث لا تنتهي صلاحية براءة اختراع عام 1699 حتى عام 1733. لكن لسوء الحظ، لم يُحقق جهاز سافري النجاح المأمول.

نشأت مشكلة نظرية في جهاز سافري من حقيقة أن الفراغ لا يستطيع رفع الماء إلا إلى ارتفاع أقصى يبلغ حوالي 9 أمتار (30 قدمًا) ؛ ويمكن إضافة 12 مترًا (40 قدمًا) أخرى تقريبًا ، يتم رفعها بضغط البخار. لم يكن هذا كافيًا لضخ الماء من منجم. في كتيب سافري، اقترح وضع الغلاية والحاويات على حافة في نفق المنجم، بل وحتى استخدام سلسلة من مضختين أو أكثر للمستويات الأعمق. من الواضح أن هذه حلول غير عملية، وكان من المرغوب فيه وجود نوع من المضخات الميكانيكية التي تعمل على مستوى السطح - مضخة ترفع الماء مباشرة بدلًا من "شفطه". كانت هذه المضخات شائعة بالفعل، تعمل بالخيول، لكنها تتطلب محركًا تردديًا رأسيًا لم يوفره نظام سافري. تمثلت المشكلة الأكثر عملية في تشغيل المرجل تحت ضغط، كما يتضح من انفجار مرجل محرك في ويدنزبري ، ربما في عام 1705. تم تركيب محركات مبنية على تصميم سافري، وإن كانت قد خضعت لتحسينات مع مرور الوقت، واستُخدمت كمحركات إرجاع ، لرفع المياه لزيادة إمداد عجلات المياه الموجودة، وتوجد أمثلة معروفة في مانشستر ولانكشاير. [ 7 ] : 122    

أسطوانة البخار التجريبية والمكبس لدينيس بابين

يُورد لويس فيغييه في كتابه الضخم [ 9 ] اقتباسًا كاملاً من بحث دينيس بابان المنشور عام 1690 في مجلة "أكتا إيروديتوروم " في لايبزيغ، بعنوان " طريقة جديدة للحصول على قوى كبيرة بتكلفة زهيدة". ويبدو أن الفكرة راودت بابان أثناء عمله مع روبرت بويل في الجمعية الملكية بلندن. يصف بابان في بحثه كيفية سكب كمية قليلة من الماء في قاع أسطوانة رأسية، ثم إدخال مكبس على قضيب، وبعد تفريغ الهواء أسفل المكبس، إشعال نار أسفل الأسطوانة لتبخير الماء وتوليد ضغط بخار كافٍ لرفع المكبس إلى أعلى الأسطوانة. بعد ذلك، يُثبّت المكبس مؤقتًا في الوضع العلوي بواسطة مزلاج زنبركي يُعشّق في شقّ بالقضيب. ثم تُزال النار، مما يسمح للأسطوانة بالتبريد، فيتكثف البخار عائدًا إلى ماء، مُحدثًا بذلك فراغًا أسفل المكبس. كان يُربط بنهاية قضيب المكبس حبل يمر فوق بكرتين، ويتدلى ثقل من طرف الحبل. عند تحرير المزلاج، يُسحب المكبس بقوة إلى أسفل الأسطوانة بفعل فرق الضغط بين الهواء الجوي والفراغ المُستحدث؛ مما يُولد قوة كافية لرفع ثقل وزنه 27 كيلوغرامًا (60 رطلًا) . "عُرضت عدة أوراق بحثية له على الجمعية الملكية بين عامي 1707 و1712، [بما في ذلك] وصف لمحركه البخاري الجوي الذي صنعه عام 1690، وهو مشابه للمحرك الذي بناه [لاحقًا] توماس نيوكومن واستخدمه عام 1712." [ 10 ]  

مقدمة وانتشار

محرك نيوكومن كما هو موضح على ورقة نقدية من فئة 2 شلن صادرة عن مقاطعة نيويورك ، 1775

واصل نيوكومن تجربة بابين وجعلها قابلة للتطبيق، على الرغم من قلة المعلومات المتوفرة حول كيفية حدوث ذلك بالضبط. (ملاحظة: في كتاب "اختراع العلم: تاريخ جديد للثورة العلمية" لديفيد ووتون ، يقترح المؤلف أن المصدر الفعلي الذي استخدمه نيوكومن هو كتيب بابين "جهاز هضم أو محرك جديد لتليين العظام"). تمثلت المشكلة الرئيسية التي لم يجد لها بابين حلاً في كيفية جعل العملية قابلة للتكرار على فترات منتظمة. وكان الحل هو توفير غلاية، كما فعل سافري، قادرة على ضمان استمرارية إمداد البخار إلى الأسطوانة، وتوفير شوط الطاقة الفراغية عن طريق تكثيف البخار، والتخلص من الماء بعد تكثيفه. تم تعليق مكبس الطاقة بسلاسل من نهاية عارضة متأرجحة. وعلى عكس جهاز سافري، كانت عملية الضخ ميكانيكية بالكامل، حيث تمثلت مهمة محرك البخار في رفع قضيب مثقل معلق من الطرف المقابل للعارضة المتأرجحة. كان القضيب ينزل في بئر المنجم بفعل الجاذبية، ويشغل مضخة ضغط، أو مضخة عمودية (أو في أغلب الأحيان مجموعتين) داخل البئر. كان شوط سحب المضخة يقتصر على طول شوط الرفع (التحضير)، وبالتالي لم يعد هناك قيد الـ 30 قدمًا الذي تفرضه مضخات التفريغ، وأصبح بالإمكان ضخ الماء إلى أعلى عمود من أعماق أكبر بكثير. كان المرجل يزود البخار بضغط منخفض للغاية، وكان موقعه في البداية أسفل أسطوانة الطاقة مباشرة، ولكن كان من الممكن أيضًا وضعه خلف جدار فاصل مع أنبوب بخار موصل. تطلب إنجاز كل هذا العمل مهارة مهندس عملي؛ ولا شك أن مهنة نيومان كتاجر معادن قد منحته معرفة عملية واسعة بالمواد المناسبة لمثل هذا المحرك، وجعلته على اتصال بأشخاص يمتلكون معرفة أكثر تفصيلًا.

أقدم الأمثلة التي توجد عنها سجلات موثوقة هي محركان في منطقة بلاك كانتري ، أشهرها ذلك الذي شُيّد عام ١٧١٢ في مصنع كونيغري للفحم في بلومفيلد رود، تيبتون، وهو الآن موقع شركة "ذا أنجل رينغ " المحدودة، تيبتون . [ ١١ ] يُعتبر هذا المحرك عمومًا أول محرك ناجح من تصميم نيوكومن، وتلاه محرك آخر بُني على بُعد ميل ونصف شرق ولفرهامبتون . استخدم نيوكومن وشريكه جون كالي كلا المحركين لضخ المياه من مناجم الفحم. يمكن اليوم مشاهدة نسخة طبق الأصل عاملة في متحف بلاك كانتري ليفينغ القريب ، والذي يقع في جزء آخر مما كان يُعرف بمنتزه كونيغري التابع للورد دادلي . كان هناك محرك آخر من تصميم نيوكومن في كورنوال . موقعه غير مؤكد، ولكن من المعروف أنه كان يعمل في منجم ويل فور عام ١٧١٥. [ ١٢ ] سرعان ما بدأت الطلبات تنهال عليه من مناجم الفحم الرطبة في جميع أنحاء إنجلترا، وقد أشار البعض إلى أن خبر إنجازه انتشر من خلال علاقاته مع المعمدانيين . بما أن براءة اختراع سافري لم تكن قد انتهت صلاحيتها بعد، فقد اضطرت شركة نيوكومن إلى التوصل إلى اتفاق مع سافري والعمل بموجب براءة اختراعه، إذ كانت مدتها أطول بكثير من أي براءة اختراع كان بإمكان نيوكومن الحصول عليها بسهولة. خلال السنوات الأخيرة من سريان براءة الاختراع، كانت مملوكة لشركة غير مسجلة، تُدعى " مالكو اختراع رفع الماء بالنار" .

على الرغم من أن استخدام محرك نيوكومن الأول كان في مناطق تعدين الفحم، إلا أنه استُخدم أيضًا لضخ المياه من مناجم المعادن في مسقط رأسه غرب إنجلترا، مثل مناجم القصدير في كورنوال. وبحلول وقت وفاته، كان نيوكومن وآخرون قد ركّبوا أكثر من مئة محرك من محركاته، ليس فقط في غرب إنجلترا وميدلاندز، بل أيضًا في شمال ويلز، بالقرب من نيوكاسل، وفي كمبريا. كما بُنيت أعداد قليلة منه في دول أوروبية أخرى، بما في ذلك فرنسا وبلجيكا وإسبانيا والمجر، وكذلك في دانيمورا بالسويد . وفي عام 2010، عُثر على دليل على استخدام محرك نيوكومن البخاري في مناجم الفحم القديمة في ميدلوثيان، فرجينيا (موقع بعض من أوائل مناجم الفحم في الولايات المتحدة). (مسح أجرته شركة داتون وشركاؤه بتاريخ 24 نوفمبر 2009).

رسم تخطيطي لمحرك نيوكومن البخاري

التفاصيل الفنية

عناصر

على الرغم من بساطة مبادئه، كان محرك نيوكومن معقدًا نوعًا ما، وشهد تطورًا تدريجيًا، حيث كانت تُعالج المشاكل تجريبيًا عند ظهورها. يتكون المحرك من غلاية (أ) ، عادةً ما تكون غلاية من نوع "كومة القش"، تقع أسفل الأسطوانة مباشرةً. تُنتج هذه الغلاية كميات كبيرة من البخار ذي الضغط المنخفض جدًا، لا يتجاوز 1-2 رطل لكل بوصة مربعة (0.07-0.14 بار) - وهو أقصى ضغط مسموح به لغلاية كانت في الإصدارات السابقة مصنوعة من النحاس بقبة من الرصاص، ثم جُمعت لاحقًا بالكامل من صفائح حديدية صغيرة مثبتة بمسامير. تنتقل حركة المحرك عبر "عارضة متوازنة كبيرة" متأرجحة ، يرتكز محورها (هـ) على الجدار الجانبي المتين للغاية لمبنى المحرك المُصمم خصيصًا لهذا الغرض، مع بروز جانب المضخة خارج المبنى، بينما يقع المحرك داخله . تُعلق قضبان المضخة بسلسلة من رأس القوس (و) للعارضة الكبيرة. تم تعليق مكبس P يعمل في أسطوانة B من رأس القوس الداخلي D ، وكان الطرف العلوي منها مفتوحًا للهواء الجوي فوق المكبس والطرف السفلي مغلقًا، باستثناء أنبوب الإدخال القصير الذي يربط الأسطوانة بالغلاية.  

صُنعت الأسطوانات الأولى من النحاس المصبوب، ولكن سرعان ما تبيّن أن الحديد الزهر أكثر فعالية وأرخص بكثير في الإنتاج. يُذكر أن أول محرك استُخدم فيه الحديد الزهر هو المحرك الذي تم تركيبه في هاواردن بويلز بين عامي 1714 و1715. [ 13 ] من بين مصانع الصب التي أنتجت وثقبت أسطوانات محرك نيوكومن الحديدية، كان مصنع كولبروكديل، ولاحقًا مصنع كارون للحديد. كان المكبس محاطًا في البداية بحلقة جلدية مانعة للتسرب، ولكن نظرًا لأن تجويف الأسطوانة كان يُنهى يدويًا ولم يكن دقيقًا تمامًا، كان لا بد من الحفاظ على طبقة من الماء فوق المكبس باستمرار. لاحقًا، استُخدمت حشوات من حبل القنب الناعم مع أوزان حديدية في الأعلى لتثبيته في مكانه. عُزل المكبس عن البخار، الذي كان سيتكثف لولا ذلك، عن طريق تثبيت الخشب في أسفله. وُضع خزان مياه (أو خزان علوي) في مكان مرتفع داخل غرفة المحرك، وكان يُغذى بمضخة صغيرة داخلية معلقة من قوس رأسي أصغر. كان خزان الإمداد يزود بالماء البارد تحت الضغط عبر أنبوب قائم لتكثيف البخار في الأسطوانة مع فرع صغير يزود بماء إحكام إغلاق الأسطوانة؛ في كل شوط علوي للمكبس، كان الماء الدافئ الزائد للإحكام يفيض عبر أنبوبين، أحدهما إلى البئر الداخلي والآخر لتغذية الغلاية بالجاذبية.

عملية

كانت معدات المضخة أثقل من مكبس البخار، لذلك كان وضع العارضة في حالة الراحة هو جانب المضخة لأسفل / جانب المحرك لأعلى، وهو ما يسمى "خارج المنزل".

لبدء تشغيل المحرك، فُتح صمام منظم الضغط V ، ودخل البخار من المرجل إلى الأسطوانة، فملأ الفراغ أسفل المكبس. ثم أُغلق صمام منظم الضغط، وانفتح صمام حقن الماء V' وأُغلق لفترة وجيزة، فأرسل رذاذًا من الماء البارد إلى داخل الأسطوانة. أدى ذلك إلى تكثيف البخار وخلق فراغ جزئي أسفل المكبس. ثم دفع فرق الضغط بين الضغط الجوي فوق المكبس والفراغ الجزئي أسفله المكبس إلى الأسفل، مُحدثًا شوط القدرة ، ومُدخلًا ذراع المضخة إلى داخل الأسطوانة، رافعًا تروس المضخة، ودافعًا الماء من المنجم إلى الأعلى.

ثم أُعيد إدخال البخار إلى الأسطوانة، مما أدى إلى زوال الفراغ ودفع المكثفات إلى أسفل أنبوب التصريف. ومع تدفق البخار ذي الضغط المنخفض من المرجل إلى الأسطوانة، أعاد وزن المضخة والتروس العارضة إلى وضعها الأصلي.

تكررت هذه الدورة حوالي 12 مرة في الدقيقة.

صمام استنشاق

لاحظ نيومان أن محركه الأول يتوقف عن العمل بعد فترة، واكتشف لاحقًا أن السبب هو دخول كميات صغيرة من الهواء إلى الأسطوانة مع البخار. يحتوي الماء عادةً على بعض الهواء المذاب، ويؤدي غليان الماء إلى إطلاق هذا الهواء مع البخار. لا يمكن تكثيف هذا الهواء بواسطة رذاذ الماء، فيتراكم تدريجيًا حتى يصبح المحرك "مثقلًا بالهواء". ولمنع ذلك، تم تركيب صمام تنفيس يُسمى "صمام الاستنشاق" أو صمام الاستنشاق بالقرب من أسفل الأسطوانة. يفتح هذا الصمام لفترة وجيزة عند دخول البخار لأول مرة، فيُطرد الغاز غير القابل للتكثيف من الأسطوانة. وقد اشتق اسمه من الصوت الذي يُصدره عند تشغيله لتفريغ الهواء والبخار "كصوت شخص يستنشق الهواء عند إصابته بنزلة برد". [ 14 ]

الأتمتة

همفري بوتر يعقد خيوطه.

في الإصدارات الأولى، كان يتم تشغيل الصمامات، أو السدادات كما كانت تُسمى آنذاك، يدويًا بواسطة عامل السدادات ، ولكن الحركة المتكررة تطلبت توقيتًا دقيقًا، مما جعل التشغيل الآلي مرغوبًا فيه. وقد تحقق ذلك بواسطة شجرة السدادات ، وهي عبارة عن عارضة معلقة رأسيًا بجانب الأسطوانة من رأس مقوس صغير بواسطة سلاسل متقاطعة، ووظيفتها فتح وإغلاق الصمامات تلقائيًا عندما تصل العارضة إلى مواضع معينة، وذلك بواسطة رافعات وآليات تحرير تستخدم أثقالًا. في محرك عام 1712، كانت مضخة تغذية المياه متصلة بأسفل شجرة السدادات، ولكن في المحركات اللاحقة كانت المضخة معلقة في الخارج من رأس مقوس صغير منفصل. وهناك أسطورة شائعة تقول إنه في عام 1713، قام صبي يُدعى همفري بوتر، [ 15 ] كانت مهمته فتح وإغلاق صمامات المحرك الذي كان يُشرف عليه، بجعل المحرك ذاتي التشغيل عن طريق جعل العارضة نفسها تفتح وتغلق الصمامات بواسطة حبال ومزالج مناسبة [ 16 ] (المعروفة باسم "حبل بوتر"). [ 17 ] مع ذلك، من المرجح جدًا أن جهاز شجرة التوصيل (أول شكل من أشكال آلية الصمامات ) كان ممارسة شائعة قبل عام 1715، ويظهر بوضوح في أقدم الصور المعروفة لمحركات نيوكومن التي رسمها هنري بيتون (1717) [ 18 ] (والتي يعتقد هولس أنها تصور محرك منجم غريف لعام 1714) وتوماس بارني (1719) (والتي تصور محرك قلعة دادلي لعام 1712). نظرًا لمتطلبات البخار العالية جدًا، كان لا بد من إيقاف المحرك وإعادة تشغيله بشكل دوري، ولكن حتى هذه العملية كانت مؤتمتة بواسطة عوامة ترتفع وتنخفض في أنبوب رأسي مثبت على المرجل. كانت العوامة متصلة بـ " سكوجين" ، وهو ذراع مثقل يعمل على إيقاف صمام حقن الماء حتى يتم رفع المزيد من البخار.

مضخات

يُناقش تصميم المضخات المستخدمة في مناجم الفحم المزودة بمحركات نيوكومن بتفصيلٍ وافٍ في كتاب جون فاري "رسالة في المحرك البخاري"، الذي نُشر عام ١٨٢٧. [ ٧ ] : ٢١٤. نادرًا ما يُرفع الماء إلى السطح، بل يُضخ من قاعدة البئر إلى مستوى النفق ، وهو عبارة عن بئر هابط ببطء يُدفع إلى نقطة منخفضة مناسبة لتصريف الماء. عند قاعدة البئر، تسحب المضخة الماء إلى القسم السفلي عن طريق الشفط (لذا تُسمى المضخة بمضخة الشفط)، ومن ثم تدفعه فوق صمام عدم الرجوع إلى جسم المضخة الرئيسي. يشتمل مكبس المضخة على صمام يُفتح عند شوط الضخ ثم يُغلق رافعًا عمود الماء إلى عمود مصنوع من أنابيب حديدية موصولة بحشوات رصاصية. يبلغ أقصى ارتفاع للضخ عادةً ٥٠ ياردة نظرًا لضغط الماء في الأنابيب الحديدية، التي يجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل الضغط ودرجة من الصدمات. يمكن تقسيم ذراع المضخة لتشغيل عدة مضخات للتغلب على هذا القيد، حيث تقوم كل مضخة برفع الماء إلى خزان يغذي المضخة العلوية. ومن الاعتبارات المهمة التأكد من عدم سحب المضخات للهواء، لأن الصدمات الناتجة قد تُلحق الضرر بنظام المضخة والمحرك.

التطوير والتطبيق

رسم تخطيطي بقلم الرصاص لمحرك نيوكومن البخاري بعد تحسينه من قبل سميتون ، من مجلة العلوم الشعبية الشهرية حوالي عام 1877

مع اقتراب نهاية مسيرتها، شهد المحرك الجوي تحسينات كبيرة في تفاصيله الميكانيكية وأبعاده على يد جون سميتون ، الذي بنى العديد من المحركات الكبيرة من هذا النوع خلال سبعينيات القرن الثامن عشر. [ 16 ] كانت الحاجة المُلحة لمحرك يُولّد حركة دورانية واضحة، وقد حقق واسبورو وبيكارد نجاحًا محدودًا في هذا الصدد باستخدام محرك نيوكومن لتدوير دولاب الموازنة عبر ذراع التدوير . على الرغم من أن مبدأ ذراع التدوير كان معروفًا منذ زمن، إلا أن بيكارد تمكن من الحصول على براءة اختراع لمدة 12 عامًا في عام 1780 لتطبيق ذراع التدوير تحديدًا على محركات البخار؛ وقد شكل هذا انتكاسة لبولتون ووات اللذين تجاوزا براءة الاختراع بتطبيق حركة الشمس والكواكب على محركهما الدوراني المتقدم مزدوج الفعل الذي طوراه عام 1782.

بحلول عام ١٧٢٥، أصبح محرك نيوكومن شائع الاستخدام في التعدين، وخاصة مناجم الفحم . وحافظ على مكانته دون تغييرات جوهرية تُذكر طوال ما تبقى من القرن. وتوسع استخدام محرك نيوكومن في بعض المناطق لضخ مياه الشرب؛ فعلى سبيل المثال، بُني أول محرك نيوكومن في فرنسا في باسي عام ١٧٢٦ لضخ المياه من نهر السين إلى مدينة باريس. [ ١٩ ] كما استُخدم لتشغيل الآلات بشكل غير مباشر، عن طريق إعادة المياه من أسفل عجلة مائية إلى خزان فوقها، بحيث تُستخدم المياه نفسها مرة أخرى لتدوير العجلة. ومن أوائل الأمثلة على ذلك ما وُجد في كولبروكديل . فقد تم تركيب مضخة تعمل بقوة الخيول عام ١٧٣٥ لإعادة المياه إلى البركة فوق الفرن العالي القديم. ثم استُبدلت هذه المضخة بمحرك نيوكومن في الفترة ١٧٤٢-١٧٤٣. [ 20 ] بُنيت عدة أفران جديدة في شروبشاير في خمسينيات القرن الثامن عشر ، وكانت تعمل بطريقة مماثلة، بما في ذلك أفران هورسهاي وكيتلي وأفران مادلي وود أو بيدلام . [ 21 ] يبدو أن الأخير لم يكن يحتوي على حوض فوق الفرن، بل مجرد خزان يُضخ إليه الماء. في صناعات أخرى، كان استخدام المضخات الآلية أقل شيوعًا، لكن ريتشارد أركرايت استخدم محركًا لتوفير طاقة إضافية لمصنع القطن الخاص به . [ 22 ]

بُذلت محاولات لتشغيل الآلات باستخدام محركات نيوكومن، إلا أن هذه المحركات لم تكن مناسبة تمامًا لهذا الغرض، إذ أن التأخير بين أشواط القدرة أدى إلى حركة متقطعة للغاية. [ 23 ] وقد جرت محاولات لتنعيم الحركة من خلال تصنيع محركات نيوكومن ذات أسطوانتين تعملان بالتناوب على عمود المرفق، وكانت الشركتان الرئيسيتان اللتان قدمتا هذه المحركات هما فرانسيس طومسون من أشوفر، ديربيشاير (الذي حصل على براءة اختراع الفكرة عام 1793)، وباتمان وشيرات من مانشستر. [ 7 ]

خليفة

محرك على طراز نيوكومن في مركز إلسكار للتراث في بارنسلي ، جنوب يوركشاير

كانت المشكلة الرئيسية في تصميم نيوكومن هي استهلاكه غير الفعال للطاقة، مما جعله مكلفًا في التشغيل. فبعد أن يبرد بخار الماء داخل الأسطوانة بما يكفي لتكوين الفراغ، كانت جدران الأسطوانة باردة بما يكفي لتكثيف جزء من البخار عند دخوله خلال شوط السحب التالي. هذا يعني استهلاك كمية كبيرة من الوقود لمجرد تسخين الأسطوانة مرة أخرى إلى درجة حرارة تسمح للبخار بملئها من جديد. ولأن فقدان الحرارة كان مرتبطًا بالأسطح، بينما كان الشغل المفيد مرتبطًا بالحجم، فإن زيادة حجم المحرك زادت من كفاءته، وبالتالي أصبحت محركات نيوكومن أكبر حجمًا مع مرور الوقت. ومع ذلك، لم تكن الكفاءة ذات أهمية كبيرة في سياق منجم الفحم، حيث كان الفحم متوفرًا بكثرة.

لم يُستبدل محرك نيوكومن إلا عندما حسّنه جيمس وات عام ١٧٦٩ لتجنب هذه المشكلة (كان وات قد طُلب منه إصلاح نموذج لمحرك نيوكومن من قِبل جامعة غلاسكو - نموذج صغير أبرز المشكلة). في محرك وات البخاري ، كان التكثيف يحدث في وحدة تكثيف خارجية، متصلة بأسطوانة البخار عبر أنبوب. عند فتح صمام على الأنبوب، كان الفراغ في المكثف يُفرغ بدوره ذلك الجزء من الأسطوانة أسفل المكبس. هذا الأمر ألغى تبريد جدران الأسطوانة الرئيسية وما شابه، وخفّض استهلاك الوقود بشكل كبير. كما مكّن من تطوير أسطوانة مزدوجة الفعل ، ذات شوطين للأعلى والأسفل، مما زاد من قدرة المحرك دون زيادة كبيرة في حجمه. [ ٢٤ ]

كشف محرك وات النموذجي عام 1769 عن حاجته إلى نقلة نوعية في دقة تصنيع الأسطوانات. ففي محرك نيوكومن، كان بالإمكان إحكام الإغلاق بكميات كبيرة من الماء، بينما كان على أسطوانة وات أن تعمل دون الحاجة إلى غمرها بالماء، إذ كان الهدف هو الحفاظ على درجة حرارة الأسطوانة عند درجة حرارة البخار. لم يتمكن وات من تصنيع محركاته حتى عام 1774، عندما ابتكر جون ويلكنسون طريقة دقيقة لحفر الأسطوانات، وحصل نتيجة لذلك على عقد حصري لإنتاجها. في عام 1776، كتب وات إلى سميتون قائلاً: "لقد حسّن السيد ويلكنسون فن حفر الأسطوانات؛ لذا أؤكد لكم أن أسطوانة بطول 72 بوصة لا تقل سماكتها عن سمك قطعة نقدية من فئة ستة بنسات في أسوأ جزء منها، وهذا ليس بعيدًا عن الحقيقة المطلقة". [ 7 ] : 320 بدأ إنتاج بولتون ووات في العام التالي مباشرة، لكن المحركات الجديدة لم تُلغِ محركات نيوكومن. فقد أدى دفاع وات المستميت عن براءات اختراعه إلى استمرار استخدام محرك نيوكومن في محاولة للتهرب من دفع رسوم الترخيص . اعتمدت شركة بولتون ووات على موردين آخرين لتصنيع أجزاء المحرك (مثل جون ويلكنسون) حتى عام 1795، مما أدى إلى تأخيرات، بالإضافة إلى تفضيلهم لعقد يتضمن دفعات مستمرة بناءً على كمية الفحم المُوفَّر. امتلك منافسون مثل باتمان (باتمان وشيرات منذ عام 1791) مسبكًا خاصًا بهم في سالفورد، وقاموا ببناء العديد من المحركات الجوية، وكثير منها ينتهك براءة اختراع وات، مما أدى إلى رفع دعوى قضائية عام 1796 وتسوية كبيرة، لكن بولتون ووات رفضت منحهم ترخيصًا للمكثف المنفصل. مع ذلك، واصلت باتمان وشيرات، وغيرهما، بيع المحركات الجوية، بعضها مصمم لاستخدام المكثف المنفصل عند انتهاء صلاحية براءة اختراع وات. عندما انتهت صلاحية براءات الاختراع عام 1800، كان هناك إقبال كبير على استخدام المكثف المنفصل، ولذلك تم تعديل محركات نيوكومن المتبقية أو استبدالها، حتى في مناجم الفحم. ومع ذلك، استمر استخدام المحركات الجوية، وإن كان ذلك باستخدام مكثف وات المنفصل، لسنوات عديدة حيث كان استخدام غلايات البخار عالية الضغط في مراحله المبكرة، ولم يتم إثبات فعاليته بعد.

أمثلة باقية

محرك نيوكومن التابع لمنجم كابرينجتون للفحم في المتحف الوطني الاسكتلندي في إدنبرة

يمكن رؤية محرك نيوكومن التذكاري وهو يعمل في مسقط رأس نيوكومن، دارتموث ، حيث نقلته جمعية نيوكومن عام 1963. ويُعتقد أن تاريخه يعود إلى عام 1725، عندما تم تركيبه في البداية في منجم غريف للفحم بالقرب من كوفنتري. [ 25 ]

تم تركيب محرك في منجم فحم في أشتون أندر لاين حوالي عام 1760. [ 26 ] يُعرف محليًا باسم فيربوتوم بوبس، وهو محفوظ الآن في متحف هنري فورد في ديربورن، ميشيغان . [ 27 ]

المحرك الوحيد المتبقي من طراز نيوكومن في موقعه الأصلي موجود الآن في مركز إلسكار للتراث ، بالقرب من بارنسلي في جنوب يوركشاير. ويُرجّح أنه كان آخر محرك من طراز نيوكومن يُستخدم تجاريًا، إذ عمل من عام ١٧٩٥ حتى عام ١٩٢٣. خضع المحرك، إلى جانب عموده الأصلي وبيت المحرك، لأعمال ترميم واسعة النطاق، اكتملت في خريف عام ٢٠١٤.

يوجد نموذجان ثابتان لمحرك نيوكومن. أحدهما في متحف العلوم بلندن . [ 28 ] أما النموذج الثاني فيوجد في المتحف الوطني لاسكتلندا . وكان سابقاً في منجم كابرينجتون للفحم في كيلمارنوك . [ 29 ]

مثال آخر، تم استخدامه في الأصل في منجم فارم، معروض في متحف سمرلي للحياة الصناعية الاسكتلندية ؛ على غير العادة، تم استخدامه للرفع بدلاً من ضخ المياه، وكان قيد التشغيل لما يقرب من قرن من الزمان عندما تم فحصه في الموقع في عام 1902. [ 30 ] [ 31 ]

نسخة طبق الأصل عاملة لمحرك نيوكومن في متحف بلاك كانتري ليفينغ

في عام ١٩٨٦، اكتمل بناء نسخة طبق الأصل عاملة بالحجم الكامل لمحرك نيوكومن البخاري الذي يعود تاريخه إلى عام ١٧١٢ في متحف بلاك كانتري ليفينغ في دادلي. [ ٣٢ ] وهي النسخة الوحيدة العاملة بالحجم الكامل لهذا المحرك، ويُعتقد أنها تقع على بُعد بضعة أميال من موقع أول محرك مكتمل، والذي شُيّد عام ١٧١٢. [ ٣٣ ] يُعرف هذا المحرك باسم "محرك الإطفاء"، وهو عبارة عن مبنى ضخم من الطوب يبرز منه عارضة خشبية عبر أحد جدرانه. تتدلى قضبان من الطرف الخارجي للعارضة لتشغيل مضخات في قاع بئر المنجم، والتي بدورها ترفع الماء إلى السطح. المحرك نفسه بسيط، إذ يتكون فقط من غلاية وأسطوانة ومكبس وصمامات تشغيل. يُسخّن موقد الفحم الماء في الغلاية، وهي عبارة عن وعاء مغطى، ثم يمر البخار المتولد عبر صمام إلى الأسطوانة النحاسية الموجودة أعلى الغلاية. يبلغ طول الأسطوانة أكثر من مترين وقطرها ٥٢ سنتيمترًا. يتم تكثيف البخار الموجود في الأسطوانة عن طريق حقن الماء البارد، ويؤدي الفراغ الموجود أسفل المكبس إلى سحب الطرف الداخلي للشعاع إلى الأسفل، مما يتسبب في تحريك المضخة. [ 34 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ موريس، تشارلز ر. موريس؛ رسومات توضيحية من جي إي (2012). فجر الابتكار: الثورة الصناعية الأمريكية الأولى (  الطبعة الأولى). نيويورك: بابليك أفيرز. ص  42. ISBN 978-1-61039-049-1.{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  2. ↑ "متحف العلوم - الصفحة الرئيسية - محرك الغلاف الجوي من تصميم فرانسيس طومسون، 1791" . www.sciencemuseum.org.uk. مؤرشف من الأصل بتاريخ 24 سبتمبر 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 يوليو 2009 .
  3. ↑ جامعة روتشستر، نيويورك، تطور محرك البخار، مورد تاريخي إلكتروني، الفصل الأول. مؤرشف في 4 فبراير 2012 على موقع Wayback Machine
  4. ^ جارسيا، نيكولاس (2007). Mas alla de la Leyenda Negra . فالنسيا: جامعة فالنسيا. ص 443 – 454. ISBN  9788437067919.
  5. ↑ قرن من الاختراعات (مؤرشف في 7 أغسطس 2007 على موقع Wayback Machine)
  6. ↑ أرشيف صديق عمال المناجم ، 11 مايو 2009، على موقع Wayback Machine
  7. 1 2 3 4 5 فاري، ج. (1827). رسالة في المحرك البخاري . لونغمان، ريس، أورم، براون، وغرين. ص 658. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 يوليو 2025 . 
  8. ↑ "توماس سافري وبداية المحرك البخاري" . موقع ThoughtCo . تم ​​الاطلاع عليه بتاريخ 6 نوفمبر 2024 .
  9. ^ فيغيير، لويس “Merveilles de la Science” Furne Jouvet et Cie، باريس 1868. المجلد 1، ص 53،54
  10. ↑ بقلم دينيس بابين ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 2023-01-07.
  11. ↑ أندرو، جيه إتش؛ ألين، جيه إس (2009). "تأكيد موقع محرك نيوكومن "قلعة دادلي" لعام 1712 في كونيغري، تيبتون". المجلة الدولية لتاريخ الهندسة والتكنولوجيا . 72 (2). تايلور وفرانسيس: 174-182 . doi : 10.1179/175812109X449603 . S2CID 111316313 . 
  12. ↑ إيرل، برايان (1994). التعدين في كورنوال: تقنيات استخراج المعادن في غرب إنجلترا، الماضي والحاضر (الطبعة الثانية ). سانت أوستيل: منشورات كورنيش هيلسايد. ص 38. ISBN   0-9519419-3-3.
  13. ↑ ديكنسون، إتش دبليو (1938). تاريخ موجز للمحرك البخاري . مطبعة جامعة كامبريدج.
  14. ↑ "دورة في الفلسفة التجريبية"، جون ثيوفيلوس ديساغولييرز، 1744، المجلد الثاني، ص 474.
  15. ↑ "شرح وتوضيح المحرك البخاري بشكل مألوف؛ مع نبذة تاريخية عنه ..." 6 مايو 1851 - عبر أرشيف الإنترنت.
  16. ١ ٢ تتضمن جملة أو أكثر من الجمل السابقة نصًا من منشور أصبح الآن ملكًا عامًا : إيوينغ، جيمس ألفريد (١٩١١). " محرك بخاري ". في تشيشولم، هيو (محرر). الموسوعة البريطانية . المجلد ٢٥ ( الطبعة الحادية عشرة). مطبعة جامعة كامبريدج. ص ٨٢٠.     
  17. ↑ "الفصل السابع: براءة الاختراع الثانية" . www.history.rochester.edu. مؤرشف من الأصل بتاريخ 8 يوليو 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 يوليو 2009 .
  18. ↑ "مكتبة صور العلوم والمجتمع - بحث" . www.scienceandsociety.co.uk . تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 يوليو 2009 .
  19. ↑ رولت، إل تي سي (1963). توماس نيوكومن - ما قبل تاريخ المحرك البخاري . داولش: ديفيد وتشارلز. ص 86. 
  20. ↑ بيلفورد، ب. (2007). "شلالات رائعة: الماء والطاقة في كولبروكديل" (ملف PDF) . مجلة مراجعة علم الآثار الصناعية . 29 (2): 136. doi : 10.1179/174581907x234027 . S2CID 110369508. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 22 فبراير 2012. 
  21. ↑ ب. تريندر، الثورة الصناعية في شروبشاير (الطبعة الثالثة، فيليمور، تشيتشستر، 2000)، 48.
  22. ↑ هيلز، ريتشارد ل. (1970). السلطة في الثورة الصناعية . مطبعة جامعة مانشستر. ص 134-135 . ISBN  0719003776.
  23. ↑ موسون، أ. إي.؛ روبنسون، إي. (1959). "النمو المبكر للطاقة البخارية". مجلة التاريخ الاقتصادي . 11 (3). وايلي: 418-439 .
  24. ↑ كارترايت، مارك. "محرك وات البخاري" . موسوعة التاريخ العالمي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 يونيو 2024 .
  25. ↑ "ذكريات دارتموث - متحف دارتموث" . متحف دارتموث . تاريخ الاطلاع: 22 مايو 2012. تم التبرع بالمحرك المعروض في دارتموث من قبل هيئة النقل البريطانية إلى جمعية نيوكومن عام 1963، وتم تركيبه داخل محطة فرعية قديمة للكهرباء. بُني هذا المحرك تحديدًا حوالي عام 1725 في منجم غريف للفحم، قبل نقله إلى مكان آخر.{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  26. ↑ بريس، جيف؛ إليس، بيتر (1981). تعدين الفحم، دليل لمعرض تاريخ تعدين الفحم، متحف سالفورد للتعدين . خدمات مدينة سالفورد الثقافية. ص 16. 
  27. ↑ شركة تشامبر كوليري ، دليل غريس ، تم الاطلاع عليه في 17 سبتمبر 2011
  28. ↑ "في سبيل السلطة" . 31 يوليو 2012.
  29. ↑ دليل تذكاري للمتحف الوطني الاسكتلندي . إدنبرة: مؤسسة المتحف الوطني الاسكتلندي. 2016. الصفحات 98-99 . 
  30. ↑ محرك منجم فارم ، دليل غريس
  31. ↑ ألغاز محرك منجم فارم ، جاستن باركس، مجلس شمال لاناركشاير
  32. ↑ ألين، جيه إس (1998). "قلعة دادلي، 1712، نسخة طبق الأصل من محرك نيوكومن، متحف بلاك كانتري، دادلي، ويست ميدلاندز". مجلة جمعية نيوكومن 69 (2): 283-298 . doi : 10.1179/tns.1997.014 .
  33. ↑ كروكفورد، توني. "محرك نيوكومن - متحف بلاك كانتري ليفينغ - أكثر المتاحف المفتوحة ودية في بريطانيا" . www.bclm.co.uk. مؤرشف من الأصل في 4 مارس 2012. تم الاطلاع عليه في 5 يوليو 2010 .
  34. ↑ "محرك نيوكومن - متحف بلاك كانتري ليفينغ" . مؤرشف من الأصل في 3 فبراير 2018. تم الاطلاع عليه في 27 مارس 2017 .

للمزيد من القراءة