ديناميك الآلات machine dynamics هو فرع من علم الميكانيك الذي يبحث في قوانين حركة الأجسام الآلية تحت تأثير القوى، وهذا ما يوضحه علم «ميكانيك الآلات» أي علم الحركة، في دراسة الخواص الهندسية لحركة الأجسام دون اعتماد كتلتها أو القوى المؤثرة فيها. ويهدف هذا الفرع إلى تقديم المبادئ والأسس العامة التي تسمح بدراسة الأداة الديناميكية للآلة واتخاذ القرارات اللازمة من أجل تحسين هذا الأداء سواء في مرحلة التصميم أو الاستثمار.
يشكل ديناميك الآلة الصلدة والذي يدعى اليوم بديناميك الآلات الجزء الأول من البرنامج المتكامل الذي يحتوي على ديناميك الآلة الصلدة (الجاشئة) وعلى ديناميك الأنظمة المرنة، الاهتزازات الميكانيكية.
أهمية ديناميك الآلات
لم يحتل علم الديناميك موقعه المهم منظومةً علمية هندسية إلا منذ وقت قريب نسبياً إذا ما تمت مقارنته مع علم الستاتيك (السكون) الذي يعود تاريخه الهندسي إلى أكثر من ألفي سنة. في الحقيقة لم تبرز المسائل الديناميكية في الآلات جدياً قبل نهاية القرن التاسع عشر بسبب انخفاض سرعة أداء الآلات في ذلك الحين، ومن ثم إمكانية إهمال القوى الديناميكية الناتجة. إلا أن التطور الذي حصل في بداية القرن العشرين والخاص بالعنفات البخارية والمحركات الكهربائية ومحركات الاحتراق الداخلي نتج منه ارتقاء بشروط أداء الآلات فيما يخص سرعة الدوران والضغوط ودرجات الحرارة مما طرح أمام مصممي هذه الآلات كثيراً من المشكلات الهندسية المتعلقة بالسلوك الديناميكي للآلة.
يؤدي استخدام سرعات عالية في الآلات الحديثة إلى وجوب إعطاء القوى الديناميكية في الآلات أهمية خاصة، لذلك لابد من إجراء الحساب والتحليل الديناميكي للآلة في أثناء تصميمها.
تكمن أهمية ديناميك الآلات في توفيره، للمهندس الميكانيكي المصمم، الوسائل اللازمة لحساب القوى المؤثرة في الآلة في أثناء عملها والتنبؤ بالظواهر الديناميكية التي تحدث في الآلة ومن ثم اقتراح الحلول التصميمية التي تضمن حسن تلبية الآلة لشروط العمل المطلوب منها. كما وأن حاجة الصناعة إلى الآلات ذات الكفاية العالية والإنتاجية المتزايدة باستمرار، أثّرت في نوعية المنتج ودقة الآلة وانتظام دورة عملها بما يتلاءم وتطور قطاعات التكنولوجيا. لهذا لم يعد بالإمكان إهمال الآثار السلبية للكثير من المشكلات الديناميكية. ويقدم ديناميك الآلات هنا الحلول الأفضل لهذه المشكلات، كما ويلاقي دور العوامل الديناميكية في مشكلات البيئة أيضاً أهمية خاصة. فالضجيج مثلاً والاهتزاز الذي تسببه الآلات هي مصادر أساسية لتلويث البيئة، فهي تؤثر تأثيراً سيئاً وضاراً في المنشآت التقنية وفي الأفراد العاملين أيضاً ويعد التخلص من هذه المشكلات من مهمات علم ديناميك الآلات.
المبادئ الأساسية لديناميك الآلات
يجب في أغلب الأحيان دراسة القوى المؤثرة في عناصر الآلة، إذ تكون لهذه القوى أهمية كبيرة في تحديد الأبعاد الصحيحة، لحدود الآلة ومفاصلها ومحاملها، وكذلك الأمر بالنسبة لمتطلبات السهولة في التصميم والمتانة العالية لأجزاء الآلة.
يعتمد علم السكون على أن كل القوى ثابتة، ولا يتطرق إلى مسألة التغيرات المحتملة لهذه القوى مع الزمن. غير أنه تؤثر في الأجسام المتحركة، عادة، علاوة على القوى الثابتة (يمكن على سبيل المثال عدّ قوة الجاذبية الأرضية ثابتة)، قوى متغيرة تتغير مقاديرها واتجاهاتها في أثناء حركة الجسم. كما تُبيِّن التجارب العملية، أن هذه القوى المتغيرة تعتمد على الزمن وعلى موضع الجسم وعلى سرعته بشكل أو بآخر. إن ديناميك الآلات يدرس هذه القوى بالذات إضافة إلى القوى الثابتة. وإذا كان لأحد أجزاء الآلة تسارع ما فإن ذلك يتسبب في توليد قوى عطالة إضافية يجب أخذها في الحسبان.
تعتمد المبادئ الأساسية في الديناميك على قوانين نيوتن في الحركة. ومن أهم الظواهر الديناميكية التي يعنى ديناميك الآلات بدراستها هناك:
أ - القوى الديناميكة المتولدة في أثناء دوران الآلة والمتعلقة بخواصها الكتلية (قوى العطالة) فهو يعالج أثر هذه القوى بتحقيق ما يسمى بالموازنة الكتلية mass balancing.
ب - الاهتزازات الميكانيكية mechanical vibrations لعناصر الآلة والتي تنتج من مرونة الحدود. تعد الاهتزازات الميكانيكية من الظواهر الديناميكية البالغة الأهمية والتي تفرض وجودها ليس في الآلات فحسب بل في جميع المنشآت الميكانيكية.
جـ - تراوح القدرة والسرعة في الآلات الدوارة، يراوح أثر هذا التراوح بتحقيق ما يسمى بموازنة الاستطاعة power balancing.
إن دراسة جميع هذه الظواهر في ديناميك الآلات وما يرافقها من طرق معالجة تتم بالاستعانة بعلوم وتقانات أخرى قد تكون كثيرة التداخل فيما بينها، ولابد لفهمها من التطرق للمنهجية العامة المتبعة في معالجة أهم المسائل الديناميكية.
إن الهاجس الرئيسي في معالجة أي مسألة ديناميكية يكمن في إيجاد الموديل أو النموذج الرياضي mathematical model للآلة المدروسة.
يعرّف النموذج الرياضي بأنه مجموعة العلاقات الرياضية التي تربط بين مختلف المتحولات التي تسهم في تمثيل سلوك فيزيائي معين وتعدّ المقدرة على الانتقال من النظام الفيزيائي إلى النموذج الرياضي الذي يصف هذا النظام أمراً حيوياً يسهل بعده حل المسألة.
إن عملية إيجاد النموذج المناسب يمكن أن تتم وفق عدة منهجيات نظرية أو تجريبية أو كليهما معاً، وفي جميع الأحوال فإنه لا بد في الحالة العامة من اللجوء إلى الكثير من التقانات والعلوم الأخرى كالقياس، والمحاكاة simulation والتعرف identifiction ونظرية النظم system theory والتحليل العددي numerical analysis والمناهج المنبثقة عنه كالعناصر المنتهية finite elements والفروقات المنتهية finite differences.
المسائل الأساسية في ديناميك الآلات
يعالج علم ديناميك الآلات إضافة إلى الظواهر الديناميكية التي طُرحت، وفي غياب الاهتزازات الميكانيكية، المسائل الأساسية الآتية التي تكوّن كل مسألة منها حلقة من حلقات الدراسة الديناميكية في إطار المنهجية التي قُدّمت.
1- المسألة الأساسية الأولى: تعطى الآلة وتعطى حركتها بدلالة الزمن كما تعطى بعض القوى الخارجية المعروفة ويطلب حساب القوى الإضافية (غالباً ما تكون قوى أو عزوم محركة) الواجب تطبيقها على الآلة لضمان أدائها بالشروط الحركية المفروضة. كما يطلب حساب القوى الداخلية فيتم التركيز على القوى المنتقلة في المفاصل ونقاط الاستناد.
تُدخل قوى العطالة التي تُحدد بمعرفة حركة الآلة ضمن القوى الخارجية المؤثرة في الآلة وتطبق على هذه المسألة قواعد التحليل السكوني (الستاتيكي) للآليات بالرغم من وجود الحركة ذلك لأن الحالة الديناميكية تُحوّل إلى حالة توازن سكوني بوجود قوى العطالة.
2- المسألة الأساسية الثانية: تعطى الآلية ويعطى كامل حقل القوى الخارجية المؤثرة، ويطلب معرفة الشروط الابتدائية لتحديد حركة الآلية بدلالة الزمن. تأتي أهمية هذه المسألة في تحديد حركة الآلة التي تُحسب على أساسها قوى العطالة المؤثرة فيها وكذلك حساب سلوكها في الإقلاع والتوقف.
يجب التمييز هنا بين مسألة تحديد حركة الآلة بوساطة التحليل الديناميكي ومسألة تحديد حركة حدود الآلة بإجراء التحليل الحركي المناسب الذي يتم بمعرفة حركة الحد القائد والذي يكوّن الموضوع الأساسي في نظرية الآلات. ُيبحث موضع الاهتزازات في مسلك الأجسام تحت تأثير قوى اهتزازية دورية وتنتج هذه القوى من عدم اتزان في الآلات الدوارة أو من حركة الجسم نفسه.
وبما أنه لا يوجد في الطبيعة أجسام صلدة فإن كل مجموعة نقاط مادية وكل اتحاد أجسام يكوّن نظاماً للاهتزاز، ولا يمكن عدّ الدوران المنتظم في المفهوم الدقيق عمليات فيزيائية.
والاهتزازات الميكانيكية هي اهتزازات الأنظمة الميكانيكية، إذ من الصعب وجود مجال من مجالات ديناميك الآلات لا تأخذ فيه دراسة الاهتزازات الميكانيكية أهمية كبيرة، مثال ذلك محاور العنفات وريشها، أعمدة محركات الاحتراق الداخلي، السيارات، القطارات، الإنشاءات الهندسية، آلات التشغيل، الآلات الزراعية وغير ذلك.
عند تصميم الآلات والمبرمجة منها خاصة، المستخدمة على نطاق واسع في مجالات الصناعة الحديثة كافة، لابد من الاعتماد أساساً على المبادئ الرئيسة لعلم ديناميك الآلات لتحديد القوى الديناميكية المؤثرة والتي تظهر في أثناء حركة هذه الآلات. كما وتدخل تطبيقات علم ديناميك الآلات والاهتزازات الميكانيكية في نطاق الصناعات المختلفة بسبب أهميتها العملية.
رد مع اقتباس
