عرض المشاركات
16
منتدى علم الفيزياء العام / كيف تعمل القطارات المحلقة؟
« في: ديسمبر 02, 2005, 08:24:20 مساءاً »
كيف تعمل القطارات المحلِّقة؟
How Maglev Trains Work?
إذا كنت قد قمت بزيارة مؤخرا إلى مطار ما؛ فمن المرجح أن تكون قد لاحظت أن السفر جوا يزداد ازدحاما يوما بعد يوم!
و على الرغم من شيوع تأخر الرحلات، إلا أن الطائرات تظل الوسيلة الأسرع للسفر لمسافات طويلة.
أما البدائل الأخرى للطيران: كالسير، و السيارات، و الحافلات، و القوارب، و القطارات التقليدية فهي بطيئة جدا بالنسبة لمجتمعات اليوم سريعة الخطى.
على أية حال، هناك نوع جديد من وسائل الانتقال يبزغ في الأفق، و قد يُحدِثُ ثورة في عالم الانتقال للقرن الحادي و العشرين تماما كما فعلت الطائرات في القرن السابق.
تقوم بعض الدول باستخدام قوة المغناطيس الكهربي لتطوير نوع من القطارات عالية السرعة، و تسمى القطارات المحلقة Maglev Trains، و هي قطارات تحلق فوق مسار التوجيه (السكة) Guide way باستخدام المبادئ الأساس للمغناطيس، بدلا من استخدام العجلات المعدنية كما في القطارات التقليدية.
في هذا المقال سوف تتعرف على كيفية عمل "الدفع الكهرومغناطيسي" Electromagnetic Propulsion، كما ستتعرف على نوعين من القطارات المحلقة و كيفية عملها، و أين توجد في الوقت الحاضر.
القطار المحلق الياباني MLX01 (الحقوق محفوظة للمعهد التقني لأبحاث القطارات).
الدفع الكهرومغناطيسي(Electromagnetic Propulsion):
إذا كنت قد لعبت في يوم من الأيام بالمغانط؛ فإنك تعلم أن الأقطاب العكسية تتجاذب، و الأقطاب المتشابهة تتنافر. و هذا هو المبدأ الأساس لفكرة الدفع الكهرومغناطيسي.
إن المغانط الكهربية تشبه المغانط العادية من حيث إنها تجذب المعادن إليها، و لكنّ جذبها المغناطيسي مؤقت.
و بإمكانك أن تصنع مغناطيسا كهربيا بسهولة، و ذلك بأن تصل طرفي سلكٍ من النحاس بالطرفين الموجب و السالب لبطارية عادية. و بهذه العملية يتولد مجال مغناطيسي صغير، فإذا فصلت أحد الطرفين عن البطارية؛ فإن المجال المغناطيسي يختفي.
إن المجال المغناطيسي الناشئ عن هذه التجربة؛ هو الفكرة الرئيسةاليسيرة التي تقبع خلف نظام شبكة القطارات المحلقة.
و هناك ثلاثة أجزاء لهذا النظام:
* مصدر رئيس الطاقة الكهربية.
* ملفات معدنية تشكل مسارا لتوجيه القطار.
* مغانط توجيه كبيرة مُلحقةٌ بالجانب الأسفل من القطار.
الفرق المهم بين القطارات المحلقة و القطارات التقليدية( conventional train) هو أن القطارات المحلقة لا تمتلك محركا –أو على الأقل لا تملك ذلك النوع من المحركات التي تُستخدم لتحريك القطارات العادية على طول السكة الحديدية- و من الأحرى فإن محرك القطارات المحلقة غير ملحوظ. و بدلا من استخدام الوقود الأحفوري(fossil fuels) كالفحم أو الغاز، فإن المجال المغناطيسي الناشئ عن الملفات المكهربة الموجودة على جانبي مسار التوجيه (السكة) و تلك التي في أسفل السكة تجتمع معا لتدفع القطار و تحركه.
صورة لسكة ياماناشي لاختبار القطارات المحلقة في اليابان.
هذا الشكل يوضح كيفية عمل مسار التوجيه.
إن الملفات الممغنطة التي تعمل على طول السكة تسمى مسار التوجيه، و هي تقوم بدفع المغانط الكبيرة الموجودة في أسفل عربات القطار، و بذلك تسمح للقطار بالتحليق على ارتفاع بين 1سم و 10سم فوق السكة.
و عندما يحلق القطار يتم تسليط فرق الجهد على الملفات داخل جانبي مسار التوجيه لينشأ عن ذلك نظام متفردٌ من المجالات المغناطيسية التي تقوم بجذب و دفع القطار على طول السكة. و يكون التيار الكهربي المسلط على الملفات مترددا؛ و ذلك لتغيير قطبية الملفات الممغنطة.
إن هذا التغير في القطبية يجعل المجال المغناطيسي الموجود أمام القطار يقوم بدور الجاذب لعربة القطار إلى الأمام، و كذلك يقوم المجال المغناطيسي الموجود خلف القطار بزيادة الدفع الأمامي.
تعوم القطارات المحلقة على وسادة هوائية ,لكونها تتحرك محلقة, فتتخلص بذلك من الاحتكاك. و هذا الافتقار إلى الاحتكاك بالإضافة إلى التصميم الأيروديناميكي (ديناميكية الهواء) للقطار هو ما يسمح لهذا النوع من القطارات بالوصول إلى سرعات أرضية غير معهودة تزيد عن 500كلم/ساعة. مع العلم بأن الطائرة الجوية البوينج 777 التي تستخدم للرحلات بعيدة المدى، تصل سرعتها القصوى إلى 905كلم/ساعة.
يقول المطورون إن القطارات المحلقة سوف تربط –قريبا- مدنا يبعد بعضها ألف كيلومتر عن بعض. و سيكون بإمكانك حينئذ أن تسافر من باريس إلى روما خلال ساعتين أو أكثر قليلا.
تقنيات التطوير(Developing Technology):
إن تكنولوجيا القطارات المحلقة تأخذ النصيب الأكبر من الحديث عند التطرق إلى وسائل الانتقال في دول عديدة في الوقت الحالي.
و تقوم كلٌّ من ألمانيا و اليابان بتطوير تقنيات القطارات المحلقة، كما إنهما تجريان اختبارات حديثة على نماذج أولية من القطارات المحلقة. و على الرغم من أن الأنموذجين قائمان على المفاهيم ذاتها؛ إلا أنه توجد فوارق تميز أحدهما عن الآخر.
فقد طور المهندسون في ألمانيا ما يُعرف بنظام التعليق الكهرومغناطيسي، و يسمى "ترانسريبد" Transrapid و في هذا النظام يحيط الجزء الأسفل من القطار بمسار التوجيه الفولاذي، و تُركَّبُ المغانط الكهربية الموجودة في هذا الهيكل للقطار بحيث تتجه إلى الأعلى باتجاه مسار التوجيه (السكة)، فيحلق القطار فوق السكة على ارتفاع 1سم، و يظل القطار محلقا حتى و إن لم يتحرك. أما مغانط التوجيه فهي مدموجة في جسم القطار لتبقيه متزنا خلال الرحلة.
و قد أثبتت ألمانيا أن قطارها المحلق يستطيع الوصول إلى سرعة قدرها 300 ميل/ساعة مع وجود الركاب في داخله.
أما في اليابان، فقد طور المهندسون أنموذجا منافسا من القطارات المحلقة، تقوم على نظام التعليق الكهروديناميكي (الديناميكية الكهربائية)electrodynamic suspension (EDS)، و هو مبني على قوة التنافر بين المغانط.
القطار المحلق الياباني MLX01 (الحقوق محفوظة للمعهد التقني لأبحاث القطارات).
إن الاختلاف الجوهري بين القطارات المحلقة الألمانية و اليابانية هو أن القطارات اليابانية تستخدم المغانط الكهربية فائقة التوصيل عالية البرودة، و هذا النوع من المغانط الكهربية بإمكانه توصيل التيار حتى بعد إغلاق مصدر الطاقة الكهربية. أما في النظام الألماني الذي يستخدم المغانط الكهربية العادية فإن الملفات لا توصل التيار إلا بوجود مصدر الطاقة الكهربية. و بتبريد الملفات إلى درجة شديدة البرودة، يوفر النظام الياباني كثيرا من الطاقة.
و هناك فرق آخر بين النظامين و هو أن القطارات اليابانية تحلق على ارتفاع 10سم فوق السكة. مع وجود عيب يكمن في استخدام نظام التعليق الكهروديناميكي (الياباني) و هو أن القطار لابد أن يتدحرج على عجلات مطاطية حتى يبلغ سرعة الارتقاء التي قدرها 100كلم/ساعة. حيث يحلق بعدها على الارتفاع المحدد. و يقول المهندسون اليابانيون إن العجلات المطاطية هي ميزة في الحقيقة و ذلك لكونها ذات فائدة مهمة في حالة انقطاع التيار الذي يسبب إغلاق النظام. أما القطار الألماني فهو مزود ببطاريات للطوارئ تعمل على تزويد القطارات الطاقة الكهربية اللازمة في حالة انقطاع التيار الكهربائي.
استخدام تقنية القطارات المحلقة(Maglev Technology In Use):
اُقترحت فكرة النقل بواسطة القطارات المحلقة أول مرة منذ ما يقترب من القرن، و على الرغم من ذلك فهي لم تظهر تجاريا إلا في العام 2002م في مدينة شنغهاي بالصين، حيث يُستخدم قطار مقدم من شركة Transrapid International الألمانية.
و كان أول افتتاح له لعامة الناس بعد ذلك التاريخ بعام (ديسمبر 2003م). و حاليا يعمل قطار شنغهاي من محطة طريق لونج يانج في وسط المدينة إلى مطار بودونج. و هو يسير بسرعة قدرها 430كلم/ساعة في المتوسط، و بذلك يستغرق ما يقل عن عشر دقائق لقطع مسافة قدرها 30كلم، و في المقابل تستغرق رحلة كهذه ساعة كاملة بالسيارة.
أما في أمريكا فقد بدأ الاهتمام بالقطارات المحلقة منذ عقود خلت، و لكنّ تكاليف بناء نظام نقل بواسطة القطارات المحلقة باهظة جدا. فالقيمة التقديرية لبناء شبكة قطارات محلقة في أمريكا تمتد ما بين 10 إلى 30 مليون دولار لكل ميل!
على أية حال، إن تطوير مغانط فائقة التوصيل تعمل عند درجة حرارة الغرفة (30 درجة مئوية) قد يساعد في خفض تكاليف بناء ذلك النظام. فالموصلات الفائقة التي تعمل عند درجة حرارة الغرفة ستكون قادرة على توليد سرعات عالية بطاقات منخفضة.
المصدر:
http://travel.howstuffworks.com/maglev-train.htm
ترجمة: مَعين يحيى بن جنيد
تدقيق علمي:عمرو مدني
تنسيق الصورة:نوف اللحياني
ملحوظة:
هذا الموضوع نشرته في موقع منتديات النادي العلمي السعودي بالتعاون مع دار الترجمة فجزاهم الله خيرا.
How Maglev Trains Work?
إذا كنت قد قمت بزيارة مؤخرا إلى مطار ما؛ فمن المرجح أن تكون قد لاحظت أن السفر جوا يزداد ازدحاما يوما بعد يوم!
و على الرغم من شيوع تأخر الرحلات، إلا أن الطائرات تظل الوسيلة الأسرع للسفر لمسافات طويلة.
أما البدائل الأخرى للطيران: كالسير، و السيارات، و الحافلات، و القوارب، و القطارات التقليدية فهي بطيئة جدا بالنسبة لمجتمعات اليوم سريعة الخطى.
على أية حال، هناك نوع جديد من وسائل الانتقال يبزغ في الأفق، و قد يُحدِثُ ثورة في عالم الانتقال للقرن الحادي و العشرين تماما كما فعلت الطائرات في القرن السابق.
تقوم بعض الدول باستخدام قوة المغناطيس الكهربي لتطوير نوع من القطارات عالية السرعة، و تسمى القطارات المحلقة Maglev Trains، و هي قطارات تحلق فوق مسار التوجيه (السكة) Guide way باستخدام المبادئ الأساس للمغناطيس، بدلا من استخدام العجلات المعدنية كما في القطارات التقليدية.
في هذا المقال سوف تتعرف على كيفية عمل "الدفع الكهرومغناطيسي" Electromagnetic Propulsion، كما ستتعرف على نوعين من القطارات المحلقة و كيفية عملها، و أين توجد في الوقت الحاضر.
القطار المحلق الياباني MLX01 (الحقوق محفوظة للمعهد التقني لأبحاث القطارات).
الدفع الكهرومغناطيسي(Electromagnetic Propulsion):
إذا كنت قد لعبت في يوم من الأيام بالمغانط؛ فإنك تعلم أن الأقطاب العكسية تتجاذب، و الأقطاب المتشابهة تتنافر. و هذا هو المبدأ الأساس لفكرة الدفع الكهرومغناطيسي.
إن المغانط الكهربية تشبه المغانط العادية من حيث إنها تجذب المعادن إليها، و لكنّ جذبها المغناطيسي مؤقت.
و بإمكانك أن تصنع مغناطيسا كهربيا بسهولة، و ذلك بأن تصل طرفي سلكٍ من النحاس بالطرفين الموجب و السالب لبطارية عادية. و بهذه العملية يتولد مجال مغناطيسي صغير، فإذا فصلت أحد الطرفين عن البطارية؛ فإن المجال المغناطيسي يختفي.
إن المجال المغناطيسي الناشئ عن هذه التجربة؛ هو الفكرة الرئيسةاليسيرة التي تقبع خلف نظام شبكة القطارات المحلقة.
و هناك ثلاثة أجزاء لهذا النظام:
* مصدر رئيس الطاقة الكهربية.
* ملفات معدنية تشكل مسارا لتوجيه القطار.
* مغانط توجيه كبيرة مُلحقةٌ بالجانب الأسفل من القطار.
الفرق المهم بين القطارات المحلقة و القطارات التقليدية( conventional train) هو أن القطارات المحلقة لا تمتلك محركا –أو على الأقل لا تملك ذلك النوع من المحركات التي تُستخدم لتحريك القطارات العادية على طول السكة الحديدية- و من الأحرى فإن محرك القطارات المحلقة غير ملحوظ. و بدلا من استخدام الوقود الأحفوري(fossil fuels) كالفحم أو الغاز، فإن المجال المغناطيسي الناشئ عن الملفات المكهربة الموجودة على جانبي مسار التوجيه (السكة) و تلك التي في أسفل السكة تجتمع معا لتدفع القطار و تحركه.
صورة لسكة ياماناشي لاختبار القطارات المحلقة في اليابان.
هذا الشكل يوضح كيفية عمل مسار التوجيه.
إن الملفات الممغنطة التي تعمل على طول السكة تسمى مسار التوجيه، و هي تقوم بدفع المغانط الكبيرة الموجودة في أسفل عربات القطار، و بذلك تسمح للقطار بالتحليق على ارتفاع بين 1سم و 10سم فوق السكة.
و عندما يحلق القطار يتم تسليط فرق الجهد على الملفات داخل جانبي مسار التوجيه لينشأ عن ذلك نظام متفردٌ من المجالات المغناطيسية التي تقوم بجذب و دفع القطار على طول السكة. و يكون التيار الكهربي المسلط على الملفات مترددا؛ و ذلك لتغيير قطبية الملفات الممغنطة.
إن هذا التغير في القطبية يجعل المجال المغناطيسي الموجود أمام القطار يقوم بدور الجاذب لعربة القطار إلى الأمام، و كذلك يقوم المجال المغناطيسي الموجود خلف القطار بزيادة الدفع الأمامي.
تعوم القطارات المحلقة على وسادة هوائية ,لكونها تتحرك محلقة, فتتخلص بذلك من الاحتكاك. و هذا الافتقار إلى الاحتكاك بالإضافة إلى التصميم الأيروديناميكي (ديناميكية الهواء) للقطار هو ما يسمح لهذا النوع من القطارات بالوصول إلى سرعات أرضية غير معهودة تزيد عن 500كلم/ساعة. مع العلم بأن الطائرة الجوية البوينج 777 التي تستخدم للرحلات بعيدة المدى، تصل سرعتها القصوى إلى 905كلم/ساعة.
يقول المطورون إن القطارات المحلقة سوف تربط –قريبا- مدنا يبعد بعضها ألف كيلومتر عن بعض. و سيكون بإمكانك حينئذ أن تسافر من باريس إلى روما خلال ساعتين أو أكثر قليلا.
تقنيات التطوير(Developing Technology):
إن تكنولوجيا القطارات المحلقة تأخذ النصيب الأكبر من الحديث عند التطرق إلى وسائل الانتقال في دول عديدة في الوقت الحالي.
و تقوم كلٌّ من ألمانيا و اليابان بتطوير تقنيات القطارات المحلقة، كما إنهما تجريان اختبارات حديثة على نماذج أولية من القطارات المحلقة. و على الرغم من أن الأنموذجين قائمان على المفاهيم ذاتها؛ إلا أنه توجد فوارق تميز أحدهما عن الآخر.
فقد طور المهندسون في ألمانيا ما يُعرف بنظام التعليق الكهرومغناطيسي، و يسمى "ترانسريبد" Transrapid و في هذا النظام يحيط الجزء الأسفل من القطار بمسار التوجيه الفولاذي، و تُركَّبُ المغانط الكهربية الموجودة في هذا الهيكل للقطار بحيث تتجه إلى الأعلى باتجاه مسار التوجيه (السكة)، فيحلق القطار فوق السكة على ارتفاع 1سم، و يظل القطار محلقا حتى و إن لم يتحرك. أما مغانط التوجيه فهي مدموجة في جسم القطار لتبقيه متزنا خلال الرحلة.
و قد أثبتت ألمانيا أن قطارها المحلق يستطيع الوصول إلى سرعة قدرها 300 ميل/ساعة مع وجود الركاب في داخله.
أما في اليابان، فقد طور المهندسون أنموذجا منافسا من القطارات المحلقة، تقوم على نظام التعليق الكهروديناميكي (الديناميكية الكهربائية)electrodynamic suspension (EDS)، و هو مبني على قوة التنافر بين المغانط.
القطار المحلق الياباني MLX01 (الحقوق محفوظة للمعهد التقني لأبحاث القطارات).
إن الاختلاف الجوهري بين القطارات المحلقة الألمانية و اليابانية هو أن القطارات اليابانية تستخدم المغانط الكهربية فائقة التوصيل عالية البرودة، و هذا النوع من المغانط الكهربية بإمكانه توصيل التيار حتى بعد إغلاق مصدر الطاقة الكهربية. أما في النظام الألماني الذي يستخدم المغانط الكهربية العادية فإن الملفات لا توصل التيار إلا بوجود مصدر الطاقة الكهربية. و بتبريد الملفات إلى درجة شديدة البرودة، يوفر النظام الياباني كثيرا من الطاقة.
و هناك فرق آخر بين النظامين و هو أن القطارات اليابانية تحلق على ارتفاع 10سم فوق السكة. مع وجود عيب يكمن في استخدام نظام التعليق الكهروديناميكي (الياباني) و هو أن القطار لابد أن يتدحرج على عجلات مطاطية حتى يبلغ سرعة الارتقاء التي قدرها 100كلم/ساعة. حيث يحلق بعدها على الارتفاع المحدد. و يقول المهندسون اليابانيون إن العجلات المطاطية هي ميزة في الحقيقة و ذلك لكونها ذات فائدة مهمة في حالة انقطاع التيار الذي يسبب إغلاق النظام. أما القطار الألماني فهو مزود ببطاريات للطوارئ تعمل على تزويد القطارات الطاقة الكهربية اللازمة في حالة انقطاع التيار الكهربائي.
استخدام تقنية القطارات المحلقة(Maglev Technology In Use):
اُقترحت فكرة النقل بواسطة القطارات المحلقة أول مرة منذ ما يقترب من القرن، و على الرغم من ذلك فهي لم تظهر تجاريا إلا في العام 2002م في مدينة شنغهاي بالصين، حيث يُستخدم قطار مقدم من شركة Transrapid International الألمانية.
و كان أول افتتاح له لعامة الناس بعد ذلك التاريخ بعام (ديسمبر 2003م). و حاليا يعمل قطار شنغهاي من محطة طريق لونج يانج في وسط المدينة إلى مطار بودونج. و هو يسير بسرعة قدرها 430كلم/ساعة في المتوسط، و بذلك يستغرق ما يقل عن عشر دقائق لقطع مسافة قدرها 30كلم، و في المقابل تستغرق رحلة كهذه ساعة كاملة بالسيارة.
أما في أمريكا فقد بدأ الاهتمام بالقطارات المحلقة منذ عقود خلت، و لكنّ تكاليف بناء نظام نقل بواسطة القطارات المحلقة باهظة جدا. فالقيمة التقديرية لبناء شبكة قطارات محلقة في أمريكا تمتد ما بين 10 إلى 30 مليون دولار لكل ميل!
على أية حال، إن تطوير مغانط فائقة التوصيل تعمل عند درجة حرارة الغرفة (30 درجة مئوية) قد يساعد في خفض تكاليف بناء ذلك النظام. فالموصلات الفائقة التي تعمل عند درجة حرارة الغرفة ستكون قادرة على توليد سرعات عالية بطاقات منخفضة.
المصدر:
http://travel.howstuffworks.com/maglev-train.htm
ترجمة: مَعين يحيى بن جنيد
تدقيق علمي:عمرو مدني
تنسيق الصورة:نوف اللحياني
ملحوظة:
هذا الموضوع نشرته في موقع منتديات النادي العلمي السعودي بالتعاون مع دار الترجمة فجزاهم الله خيرا.
'>