تأثير المكبس

يشير تأثير المكبس إلى تدفق الهواء القسري داخل النفق أو البئر الناتج عن حركة المركبات. ^{[ 1 ]} وهو أحد الظواهر العديدة التي يجب على المهندسين والمصممين مراعاتها عند تطوير مجموعة متنوعة من الهياكل.

في الهواء الطلق، عندما تسير مركبة، يمكن للهواء المدفوع جانبًا أن يتحرك في أي اتجاه باستثناء اتجاه الأرض. أما داخل النفق، فيُحصر الهواء بجدران النفق ليتحرك داخله. خلف المركبة المتحركة، ومع دفع الهواء جانبًا، يتولد سحبٌ يدفع الهواء للتدفق إلى داخل النفق. إضافةً إلى ذلك، وبسبب لزوجة السوائل ، يسحب سطح المركبة الهواء ليتحرك معها، وهي قوة تُعرف بمقاومة الاحتكاك السطحي. تُشابه حركة الهواء هذه عمل المكبس الميكانيكي داخل مضخة الغاز الترددية ، ومن هنا جاء اسم "تأثير المكبس". كما يُشابه هذا التأثير تقلبات الضغط داخل أنابيب الصرف الصحي عندما تدفع مياه الصرف الهواء أمامها.

يكون تأثير المكبس واضحًا جدًا في أنفاق السكك الحديدية، نظرًا لكبر مساحة المقطع العرضي للقطارات، والتي غالبًا ما تملأ المقطع العرضي للنفق بالكامل تقريبًا . ويُعزى تدفق الهواء الناتج عن تأثير المكبس إلى الرياح التي يشعر بها الركاب على أرصفة محطات المترو (التي لا تحتوي على أبواب فاصلة ) عند اقتراب القطار. ويكون هذا التأثير أقل وضوحًا في أنفاق المركبات البرية، نظرًا لصغر مساحة المقطع العرضي للمركبة مقارنةً بمساحة المقطع العرضي الكلية للنفق. وتشهد الأنفاق ذات المسار الواحد أقصى تأثير، إلا أن المسافة بين عربات القطار والنفق، بالإضافة إلى شكل مقدمة القطار، تؤثر على قوة هذا التأثير. ^{[ 3 ]}

يمكن أن يُولّد تدفق الهواء الناتج عن تأثير المكبس قوى كبيرة على المنشآت داخل النفق، لذا يجب تصميم هذه المنشآت بعناية وتركيبها بشكل صحيح. وقد يلزم استخدام مخمدات عدم الرجوع أحيانًا لمنع توقف مراوح التهوية بسبب هذا التدفق. ^{[ 3 ]}

يجب على مصممي المباني مراعاة تأثير المكبس فيما يتعلق بحركة الدخان داخل بئر المصعد . ^{[ 4 ]} تدفع كابينة المصعد المتحركة الهواء أمامها خارج البئر وتسحب الهواء إلى البئر خلفها، ويكون هذا التأثير أكثر وضوحًا في أنظمة المصاعد ذات الكابينة سريعة الحركة في بئر واحد. هذا يعني أنه في حالة نشوب حريق، قد يدفع المصعد المتحرك الدخان إلى الطوابق السفلية. ^{[ 4 ]}

تُستخدم ظاهرة المكبس في تهوية الأنفاق. ففي أنفاق السكك الحديدية، يدفع القطار الهواء أمامه باتجاه أقرب فتحة تهوية أمامه، ويسحب الهواء إلى داخل النفق من أقرب فتحة تهوية خلفه. كما يمكن لظاهرة المكبس أن تُسهم في تهوية أنفاق المركبات البرية.

في أنظمة النقل السريع تحت الأرض، يُسهم تأثير المكبس في التهوية، وفي بعض الحالات يوفر حركة هواء كافية تجعل التهوية الميكانيكية غير ضرورية. في المحطات الأوسع ذات المسارات المتعددة، تبقى جودة الهواء كما هي، بل وقد تتحسن عند تعطيل التهوية الميكانيكية. أما في الأرصفة الضيقة ذات النفق الواحد، فتتدهور جودة الهواء عند الاعتماد على تأثير المكبس وحده للتهوية. ومع ذلك، لا يزال هذا يسمح بتحقيق وفورات محتملة في الطاقة من خلال الاستفادة من تأثير المكبس بدلاً من التهوية الميكانيكية كلما أمكن ذلك. ^{[ 5 ]}

دويّ الأنفاق هو صوت انفجار عالٍ قد تُصدره القطارات فائقة السرعة عند خروجها من الأنفاق. يمكن لهذه الموجات الصدمية أن تُزعج السكان المجاورين وتُلحق الضرر بالقطارات والمنشآت القريبة. يُشبه إدراك الناس لهذا الصوت دويّ اختراق حاجز الصوت الناتج عن الطائرات الأسرع من الصوت. مع ذلك، وعلى عكس دويّ اختراق حاجز الصوت، لا ينتج دويّ الأنفاق عن تجاوز القطارات لسرعة الصوت، بل عن بنية النفق التي تمنع الهواء المحيط بالقطار من التسرب في جميع الاتجاهات. فعندما يمر القطار عبر النفق، يُولّد موجات ضغط أمامه، تتحد هذه الموجات لتُشكّل موجة صدمية تُصدر دويًا عاليًا عند وصولها إلى مخرج النفق. ^{[ 6 ] [ 7 ]} تتناسب قوة هذه الموجة طرديًا مع مكعب سرعة القطار، لذا يكون التأثير أكثر وضوحًا مع القطارات الأسرع. ^{[ 7 ]}

قد يُسبب دويّ الأنفاق إزعاجًا للسكان القريبين من مداخلها، ويتفاقم هذا الإزعاج في الوديان الجبلية حيث يتردد الصدى. ويُعدّ الحدّ من هذا الإزعاج تحديًا كبيرًا لخطوط القطارات فائقة السرعة مثل قطار شينكانسن الياباني، وقطار TGV الفرنسي ، وقطار AVE الإسباني . وقد أصبح دويّ الأنفاق عائقًا رئيسيًا أمام زيادة سرعة القطارات في اليابان، حيث تتطلب طبيعة التضاريس الجبلية حفر أنفاق متكررة. وقد سنّت اليابان قانونًا يحدّ من مستوى الضوضاء إلى 70  ديسيبل في المناطق السكنية، ^{[ 8 ]} والتي تشمل العديد من مخارج الأنفاق.

تشمل طرق الحد من ضجيج الأنفاق تحسين انسيابية تصميم القطار ، وإضافة أغطية لمداخل الأنفاق، ^{[ 9 ]} وتركيب جدران مثقبة عند مخارج الأنفاق، ^{[ 6 ]} وحفر فتحات تهوية في النفق ^{[ 7 ]} (على غرار تركيب كاتم صوت على سلاح ناري، ولكن على نطاق أوسع بكثير). وقد طوّر مشروع HS2 في المملكة المتحدة أغطية أنفاق "ذات مداخل مسامية" للتخفيف من ضجيج الأنفاق بالنسبة للسكان، بالإضافة إلى تقليل الانزعاج السمعي للركاب الذي قد ينجم عن تغيرات ضغط الهواء داخل القطار. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

قد يشعر الركاب والطاقم بعدم الراحة في الأذنين عند دخول القطار إلى النفق بسبب التغيرات السريعة في الضغط. ^{[ 13 ]}

• تهوية تصريف المياه في السباكة

• بونيت، كليفورد ف. (2005). الهندسة العملية للسكك الحديدية (  الطبعة الثانية). لندن، المملكة المتحدة: مطبعة إمبريال كوليدج . ISBN 978-1-86094-515-1. OCLC 443641662 . 
• بيستون

• محاكاة تأثير المكبس على يوتيوب
• حاجز نفق بجوار قطار AVE في بونيول، إسبانيا
• تعزيز تأثير المكبس في أنفاق السكك الحديدية تحت الأرض
• محاكاة تأثير المكبس باستخدام برنامج Ansys CFX