التصنيف: كيف تعمل الأشياء

Digital subscriber line (DSL) خطوط الاشتراك الرقمية

عندما نقوم بالاتصال بالانترنت، فانه من الممكن أن يكون ذلك من خلال استخدام المودم أو من خلال الاتصال بشبكة محلية بواسطة كوابل خاصة أو من خلال خطوط اشتراك رقمية والتي تعرف باسم digital subscriber line وتختصر (DSL).  تمتاز خطوط الاتصال الرقمية DSL بسرعة اتصال عالية تستخدم نفس خطوط الهاتف.

ومن مزايا الـ DSL إنها تزودك باتصال مستمر بالانترنت باستخدام خطوط الهاتف المنزلي وفي نفس الوقت يمكنك اجراء اتصالاتك او استقبال اتصالات دون الحاجة إلى فصل الاتصال بالانترنت. كذلك يوفر لك سرعة اتصال عالية بالمقارنة مع المودم العادي.  هذا بالإضافة إلى ان خطوط الاتصال الرقمية DSL لا تتطلب تمديد أسلاك وكوابل خاصة بل تستخدم نفس خطوط الهاتف المتوفرة لديك، كما إن الشركة المزودة باشتراك DSL تقوم بتزويدك بالمودم الخاص والتركيب اللازم.

إلا ان هناك بعض العيوب المتعلقة بهذا النوع من الاتصال بالانترنت وهو ان جودة الأداء تعتمد كثيرا على مدى قربك من المكتب الرئيسي المزود بخدمة الاشتراك بخدمة DSL وكلما زادت المسافة تضعف الإشارة.  وكذلك فان سرعة استقبال المعلومات كبيرة بينما سرعة إرسالها عبر الانترنت تكون ضعيفة، كما ان هذه الخدمة قد لا تكون متوفرة في كل مكان.

في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرح كيف يعمل الاتصال الرقمي بالانترنت من خلال اشتراك DSL باستخدام خطوط الهاتف المنزلية وكيف يتم إجراء الاتصالات الهاتفية بدون انقطاع في اتصال الانترنت.

خطوط الهاتف

في مقال سابق تحدثنا عن موضع كيف يعمل الهاتف، ووضحنا ان خدمة الهاتف تعمل من خلال تمديدات لأسلاك نحاسية تصل بينك وبين الشركة المزودة لخدمة الاتصالات الهاتفية.  هذه الأسلاك النحاسية تقوم بنقل المحادثة الصوتية كما إنها تمتاز بقدرة على تحمل المزيد من نقل المعلومات حيث ان لها نطاق واسع من الترددات bandwidth المطلوبة لنقل الصوت.  تقنية الـ DSL تقوم بالاستفادة من هذه القدرة لنقل البيانات على نفس السلك دون ان تشوش على قدرة السلك على نقل المحادثة الصوتية.  ومن هنا نستطيع ان نقول ان تقنية الـ DSL تعتمد على تخصيص ترددات معينة للقيام بمهمة محددة.

لفهم فكرة عمل تقنية DSL، فإنه في البداية يجب أن نعرف خاصية هامة لخط الهاتف العادي وهي ان خدمة الهاتف تعتمد على خطوط سلكية من مصنوعة من النحاس وتنقل الإشارات الصوتية معتمدة على ترددات تتراوح بين 0 و 3400Hz.  في حين ان هذه خطوط الهاتف يمكنها ان تنقل المزيد من الترددات تصل إلى عدة ملايين هيرتز.

ان استخدام جزء صغير من قدرة خطوط الهاتف وكذلك توفر هذه الخطوط في معظم المنازل والمؤسسات جعل من الممكن استخدام أجزاء أخرى من الترددات التي لا تستخدم لنقل الإشارات الصوتية في نقل البيانات بدون خشية ان يحدث تداخل وتشويش وهذا ما تقوم به نظام الـ DSL.

نظام الـ DSL الغير متماثل ADSL

معظم المنازل ومكاتب العمل الصغيرة تستخدم نظام الـ DSL الغير متماثل asymmetric DSL والذي يعرف باسم مختصر هو (ADSL).  في هذا النظام يتم تقسيم الترددات المتاحة في خط الهاتف معتمدا على ان معظم مستخدمي الإنترنت يقومون بتصفح المواقع وتحميل الملفات download أكثر بكثير من إرسال البيانات (رفع الملفات) upload. وعلى أساس هذه الافتراض يكون سرعة التحميل من الانترنت أكثر بثلاث أو أربع مرات من رفع الملفات. ولهذا يشعر مستخدم الانترنت بسرعة تصفح المواقع وتحميل الملفات في حين يعاني من بطء رفع الملفات إذا احتاج لذلك.

كما ان كفاءة الـ ADSL تعتمد كثيرا على المسافة التي تبعد المستخدم عن مقدم الخدمة.  حيث ان خدمة الـ ADSL حساسة جدا للمسافة: فكلما زادت المسافة كلما أصبحت جودة الإشارة اقل وكلما قلت السرعة. ويقدر الحد الأعلى للمسافة بـ 5460 متر وكلما قلت المسافة عن ذلك كان أفضل، أما من يبعد بمسافة اكبر من ذلك فانه سيجد ان سرعة التصفح اقل بكثير من السرعة التي اشترك على أساسها.  وتصل سرعة الاتصال بتقنية الـ ADSL إلى 8 ميجابيت في الثانية(8Mbps) عندما تكون المسافة 1800 متر أما سرعة رفع الملفات تكون في حدود 640 كيلوبايت في الثانية (640kbps).  عمليا فان أفضل سرعة يمكن ان نحصل عليها تصل لـ 1.5Mbps في حين سرعة الرفع تتراوح بين 64 Kbps و 640Kbps. ويوجد سرعات أفضل تصل إلى 12Mbps باستخدام تقنيات متطورة عن ADSL تعرف باسم ASDL2 و ASDL2+، حيث ان تصل سرعة التحميل في الأخيرة إلى 24Mbps وسرعة الرفع إلى 3Mbps.

قد يتبادر السؤال التالي وهو لماذا لا تؤثر المسافة على الاتصال الهاتفي في حين إنها تؤثر كثيرا على تقنية DSL؟ وتكمن الإجابة على هذا السؤال في استخدام مكبر يسمى ملف التحميل loading coil من قبل شركات الهاتف لتقوية الإشارة الصوتية. ولكن للأسف هذا التكبير لا يعمل مع الإشارات الرقمية المستخدمة في إشارة الـ ADSL، ولهذا فان ملفات تكبير الإشارات الصوتية سوف تمنع استقال إشارات الـ ADSL، هذا بالإضافة إلى وجود عوامل أخرى تمنع استخدام خدمة الـ ADSL والتي هي:

وصلة الجسر bridge taps: والتي تستخدم لتمديد خدمة الهاتف لأكثر من مشترك، وقد لا نلاحظ اثر هذه الوصلات في خدمة الهاتف إلا إنها تشكل عبء إضافي على المسافة الفعلية بين المشترك ومزود الخدمة اذا كانت هذه الوصلات مستخدمة.

كوابل الألياف الضوئية fiber-optics cables: إشارة الـ ADSL لا يمكن ان تنتقل في نظام يعمل في باستخدام الألياف الضوئية لان في هذه الحالة يحدث تحويل للإشارة من تناظرية analog إلى إشارة رقمية digital ومن ثم تتحول من رقمية إلى تناظرية مرة أخرى وهذا لا يمكن ان يعمل مع إشارات الـ ADSL الرقمية ولذلك لا يمكن استخدام تقنية الـ ADSL في حالة وجود اعتماد اتصالك مع شركة الهاتف على الألياف الضوئية.

لا يمكن استخدام إشارة DSL مع الألياف الضوئية

وفي الجزء التالي من الموضوع سوف نتطرق إلى شرح فكرة فصل الإشارة لتستخدم في نفس الوقت للمحادثات الهاتفية والاتصال بالانترنت والأدوات التي تستخدم لذلك في تقنية DSL.

فصل الإشارة باستخدام نظام الـ CAP

يعمل هذا نظام CAP من خلال تقسيم الإشارات في خطوط الهاتف إلى ثلاثة حزم مختلفة. الحزمة الأولى مخصصة للمحادثة الهاتفية والتي خصصت لها الحزمة من 0-4Khz، أما الحزمة الثانية فيه مخصصة للإرسال عبر الانترنت (ما نسميه بعملية رفع الملفات upload) وخصص لهذه الحزمة النطاق من 25 إلى 160KHz، وتصفح الانترنت وتحميل الملفات منه خصص له الحزمة الثالثة والتي لها النطاق من 240KHz إلى 1.5MHz.  وفي هذا النظام نجد ان الحزم الثلاثة مفصولة عن بعضها البعض بما يضمن عدم وجود تداخل في الإشارات في الحزم الثلاثة.

 

فصل الإشارة باستخدام نظام DMT

تعمل هذه التقنية أيضا من خلال تقسيم الإشارة إلى عدة قنوات او حزم ولكن لا تستخدم نطاقات مخصصة للتحميل او الرفع من الانترنت، إنما تقوم بتقسيم البيانات إلى 247 قناة مختلفة كل قناة تستخدم نطاق اتساعه 4KHz.

ولتوضيح هذا الأمر تخيل ان شركة الهاتف تقوم بتقسيم خط الهاتف النحاسي إلى 247 خط مختلف كل خط ينقل حزمة 4KHz وبعد ذلك يتم توصيل كل خط بالمودم. وهنا نحصل على 247 مودم متصل مع الكمبيوتر في نفس الوقت. وهكذا يكون لدينا 247 قناة وكل قناة تكون جاهزة لنقل الإشارة فيبحث النظام على أفضل قناة لإرسال أو استقبال الإشارة من خلالها.  ويتضح من هذا النظام انه أكثر تعقيدا من النظام السابق CAP.

فصل الإشارة باستخدام الفلاتر Filters

يمكن اعتبار النظامين السابقين (DMT & CAP) متشابهين بالنسبة للمستخدم، وإذا قمت بتركيب ADSL فانه سيتم تركيب فلتر من نوع low-pass filters ويقوم هذا الفلتر بحجب جميع الإشارات التي تكون اكبر من تردد معين.  حيث إن كل المحادثات الصوتية تعمل عند تردد اقل من 4KHz فان الفلتر يقوم بحجب كل الترددات الأكبر من 4KHz مما يمنع من تداخل الإشارات الرقمية المخصصة لنقل البيانات للاتصال بالانترنت مع إشارات المحادثة الصوتية.

معدات نظام DSL

يستخدم نظام ADSL جهازين احدهما مثبت عند المستخدم والأخر عند مزود خدمة الانترنت، عند المستخدم يوجد جهاز استقبال DSL DSL transceiver، وعند مزود الخدمة يوجد جهاز DSL Access Multiplexer (DSLAM) ليستقبل اتصال المستخدم.

جهاز المستقبل The Transceiver

يعرف المستخدم هذا الجهاز المثبت في بيته أو في مقر عمله باسم مودم DSL (DSL modem) ويعرفه مهندسو الاتصالات في شركة الهاتف باسم ATU-R.  ومهما كانت التسمية فان وظيفة هذا الجهاز هي نقطة الاتصال مع خطوط الـ DSL.

 

يتم توصيل المودم مع الأجهزة الملحقة به من خلال الـ USB أو من خلال الايثرنت Ethernet.  كما يمكن أن يتم وصل هذه المودم براوتر router  أو بموزع شبكة network switches أو أي معدات شبكة متوفرة.

جهاز مزود خدمة الإنترنت The DSLAM

تعتمد خدمة الانترنت على جهاز الـ DSLAM الموجود لدى شركة الهاتف أو الشركات المزودة لخدمة الانترنت، حيث يقوم جهاز DSLAM بتوصيل أكثر من مستخدم وتوصيلهم بشبكة الانترنت.

كما ان جهاز DSLAM يجعل من تقنية الاتصال بشبكة الانترنت مختلف عن الاتصال العادي dial up بواسطة المودم حيث ان في الاتصال العادي يتشارك المستخدمين خدمة الانترنت فيقل الأداء كلما زاد عدد المشتركين ولكن في حالة الاتصال من خلال ADSL فان لكل مشترك خط مخصص يوصل به مع جهاز DSLAM وهنا عدد المشتركين لا يؤثر على جودة الأداء وإذا زاد عدد المشتركين ليصل إلى حد معين فان على الشركة المزودة لخدمة الانترنت عليها ان تقوم بإجراء ترقية على جهاز DSLAM لينعكس على كل المشتركين.

تقنية ADSL ليست هي التقنية الوحيدة لنظام DSL لتوفير اتصال سريع بالانترنت، وإنما هناك أكثر من تقنية وهذا ما سوف نتحدث عنه في الجزء التالي من الموضوع.

بدائل وخيارات للـ ADSL

يوجد هناك الكثير من الخيارات لنظام الـ DSL إلا إنها أيضا تعاني من قصورها في حالة المسافات الطويلة ومن هذه الخيارات ما يلي:

(1) تقنية Very high bit-rate DSL (VDSL)

هذه التقنية تمتاز بسرعة اتصال عالية ولكن تعمل فقط على مسافات قصيرة. وهي قادرة على نقل الإشارات بسرعة تصل إلى 52Mbps ويصل سرعة رفع البيانات إلى 12Mbps مما يجعلها أيضا جيدة في نقل إشارات التلفزيون عالي الجودة HDTV.

(2) تقنية الـ DSL المتماثل Symmetric DSL (SDSL)

هذه التقنية تستخدم في شركات الأعمال الصغيرة ولا تسمح باستخدام الهاتف في نفس الوقت ولكن سرعة إرسال واستقبال البيانات كبيرة ومتساوية في نفس الوقت.

(3) تقنية Rate-adaptive DSL (RADSL)

هذه التقنية تعمل على تعديل سرعة الاتصال حسب المسافة وحسب جودة الخط الهاتفي.

(4) تقنية ISDN DSL (IDSL) هذه التقنية تدمج بين نظام

Integrated Services Digital Network (ISDN) وبين نظام DSL. حيث كان نظام ISDN الحل الامثل للاتصال العادي للانترنت بواسطة dial-up فتسمح بنقل البيانات والفيديو إجراء المحادثة الصوتية على نفس خط الهاتف”. وتعد تقنية IDSL أسرع من ISDN ولكن أبطء من DSL. ولكن تستطيع ان تعمل لمسافات تصل الى 8 كيلومتر.

(5) تقنية Universal DLS (Uni-DSL)

هذه تقنية جديدة طورت بواسطة Texas Instruments. توفر اداء يقع بين ASDL و VDSL حيث تكون سرعة الاتصال بالانترنت أفضل من ASDL عند المسافات الطويلة وسرعات افضل من VDSL عند المسافات القصيرة تصل لأربعة أضعاف سرعة SDSL.

بدائل عن تقنية الـDSL

في حال تعذر استخدام تقنية الـ DSL نظرا لبعد المسافة أو عدم توفرها في المنطقة التي تقطنها فان هناك العديد من البدائل التي تعتمد على استخدام الكوابل أو الاتصال اللاسلكي.

تنافس الكوابل تقنية الـ DSL حيث ان نقل الانترنت عبر الكوابل المخصصة لا يعاني من طول المسافة مثل خطوط DSL ولكن استخدام الهاتف مع الانترنت تعتبر ميزة مشجعة للكثيرين للاعتماد عليها في الاستفادة من خطوط الهاتف في الاتصال بشبكة الانترنت.  ولكي تنافس الكوابل خطوط الـ DSL أصبحت توفر خدمة نقل المحطات التلفزيونية أيضا.  إلا ان استخدام أكثر من مستخدم كابل الانترنت في نفس الوقت سوف يقلل سرعة الاتصال.

تكنولوجيا جديدة تعتمد على الاتصال اللاسلكي تعرف باسم WiMax أو 802.16 والتي تدمج مزايا الاتصال اللاسلكي مع الاتصال السريع لمسافات كبيرة، وهي تقنية بدأت العديد من الدول بالاعتماد عليها لتوفير خدمة الانترنت في المدن. وإلى حين ان يتم توفر خدمة الانترنت عبر WiMax فان خطوط الـ DSL هي الأفضل في الوقت الحالي.

لمزيد من المعلومات يمكنك الاطلاع على الروابط التالية:

• http://whatis.techtarget.com/definition/0,,sid9_gci213915,00.html
• http://en.wikipedia.org/wiki/DSL
• http://africanstarline.net/dsl_modem_setup.html
• http://www.alignafrica.com/library/how_dsl_works.htm
• http://support.easystreet.com/easydsl/general-info/dsl-basics.htm

والى اللقاء في مقالات أخرى

د.حازم فلاح سكيك

www.hazemsakeek.com

كيف تعمل المحركات البخارية

How Steam Engines Work

المحرك البخاري آلة تعمل بطاقة تمدد البخار. ويُسْتخدم البخار في دفع المكابس التي تدير عجلات القاطرات القوية، أو يمكن استخدامه في تدوير توربينات ضخمة تحرك مولدات كهربائية، وعابرات محيطات عملاقة. وتدار بالبخار أيضاً المضخات الكبيرة، ومعدات الحفر وأنواع أخرى كثيرة من الآلات القوية. اخترع المحرك البخاري بواسطة العالمين Thomas Newcomen في العام 1705 و James Watt الذي أضاف الكثير من التطويرات للمحرك البخاري في العام 1769. المحرك البخاري استخدم في تشغيل القطارات والبواخر والمصانع لذا تعتبر هذه المحركات أساس النهضة الصناعية.

مخترع المحرك البخاري هو جيمس واط 1736 – 1819م كان مهندس اسكتلندي، ولد في غرينوك من أب كان يعمل في بالتجارة دون أن يحقق نجاحا. تلقى وات تدريبه عن صانع للأدوات في لندن، ثم عاد إلى جلاسجو ليعمل في مهنته. وقد كان وات على علاقة صداقة قوية مع الفيزيائي جوزيف بلاك مكتشف الحرارة الكامنة، وكان لهذه الصداقة الأثر الهام في توجيه وات إلى الاهتمام بالطاقة التي يمكن الاستفادة منها من البخار كقوة محركة وقد أجرى عدة تجارب للاستفادة من ضغط البخار. ثم وقع في يده محرك بخاري من طراز نيوكو من فاخترع له مكثفا وأجرى عليه بعض التعديلات والتحسينات مثل المضخة الهوائية وغلاف لاسطوانة البخار ومؤشر للبخار مما جعل المحرك البخاري آلة تجارية ناجحة . وقد أدعى وات اكتشاف تركيب الماء قبل كافندش أو في نفس الوقت. وقد سميت وحدة القدرة الكهربية باسم وات تخليدا له . أسس وات بالاشتراك مع بولتون شركة هندسية هي شركة سوهو للأعمال الهندسية وقد أذهل الشريكان مصطلح وحدة القدرة الحصانية H.P Horse Power حيث كيلو وات1H.P = 0.746 .

فكرة عمل المحرك البخاري Steam Engine Operation

سوف نستعين بالشكل التالي لتوضيح فكرة عمل المحرك البخاري steam engine حيث يوضح الشكل اهم جزء في المحرك وهو المكبس الحراري piston steam engine وهذا المحرك المستخدم لتحريك القطارات.

لاحظ أن المكبس الحراري يحتوي على صمامين ليسمح لدخول البخار عند ضغط مرتفع من الصمامين بطريقة تباديلة كما هو موضح في عرض الفيديو التالي:

كذلك لاحظ حركة الصمام المتحرك slide valve المثبت على ساق معدنية valve rod وهذه الحركة تسمح يسمح بدخول البخار في كلا الصمامين لاسطوانة المكبس. يتم توصيل الساق المعدنية في بطريقة ميكانيكية بـ cross head الذي يتحرك على ذراع التوجيه cross head guide وحركته للأمام والخلف يتم تحويلها لحركة دائرية بواسطة العجلات. وبهذا الاتصال فان حركة الذراع سوف تحرك أيضا ساق الصمام ليفتح ويغلق في الوقت المناسب حسب سرعة الحركة.

كما تلاحظ في الشكل العادم exhaust steam الذي يسمح بخروج العادم (ماء) إلى الخارج. ولهذا فان القطارات البخارية تحتاج إلى مصدر مستمر من الماء. والصوت المميز للقطار البخاري ينتج عند خروج العادم من الصمام فيصدر الصفير المميز لصوت القطار.

السخان Boilers

يستخدم سخان boiler للحصول على بخار ماء ذو ضغط عالي. ويعمل السخان إما بطريقة أنابيب النار fire tube أو أنابيب الماء water tube.

الطريقة الأولى أنابيب النار هي طريقة كانت شائعة في القرن التاسع عشر. تحتوي على خزان ماء يحتوي على أنابيب كما في الشكل الموضح أدناه. يدخل الغاز الحار الناتج عن احتراق الفحم والأخشاب ليسخن الماء داخل الخزان.

أنابيب النار fire tube

في سخان أنابيب النار كل الخزان يكون تحت ضغط عالي وهذا يشكل خطورة ان ينفجر الخزان إذا تعرض للمزيد من الضغط والحرارة.

أما السخان المستخدم حاليا هو سخان أنابيب الماء حيث يتم تمرير الماء في أنابيب خاصة تتعرض لحرارة احتراق الخشب والفحم كما في الشكل الموضح أدناه.

أنابيب الماء water tube

يعكف المهندسون على تحسين تصميم السخان لاستغلال كل الحرارة الناتجة عنه في تسخين الماء لرفع كفاء المحرك.

ولمزيد من المعلومات يمكنك الاستعانة بالروابط التالية:

http://science.howstuffworks.com/steam.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Steam_engine

وإلى اللقاء في موضوع جديد

د.حازم فلاح سكيك

<

p style=”text-align: justify;”>

كيف يعمل طيف الراديو

How the Radio Spectrum Works

لا شك إن كل واحد منا قد استخدم الراديو في الاستماع إلى برامجه الإذاعية التي تبث عبر أمواج الراديو وبالتأكيد تعرفنا على مصطلحات مثل AM أو FM. كما إن هناك مصطلحات أخرى مثل VHF و UHF في نظام التلفزيون. فهل تساءلت عزيزي القارئ ماذا تعني هذه المصطلحات وما هي دلالاتها وما الفرق بينها؟

وفي موضوع سابق تحدثنا عن جهاز الراديو، الجزء الأول والجزء الثاني ولكن في هذا الموضوع سوف نقوم بشرح طيف أمواج الراديو واستخداماتها.

<

p dir=”rtl” style=”text-align: justify;”>أمواج الراديو هي جزء من الطيف الكهرومغناطيسي والذي ينتشر في الفراغ بسرعة الضوء 300,000 كيلومتر في الثانية. أمواج الراديو لها ترددات مختلفة تبدأ من 3Hz وحتى 300GHz وهذا النطاق الكبير قسم إلى نطاقات مختلفة كل نطاق مخصص لتطبيق مختلف من تطبيقات أمواج الراديو.

في الولايات المتحدة على سبيل المثال فان وكالة اتحاد الاتصالات Federal Communications Commission (FCC) قامت بتوزيع ترددات الراديو لنطاقات حسب الهدف من استخدامها، وتقوم بإصدار تراخيص للمحطات لاستخدام ترددات معينة.

كثيرا ما نسمع في محطات الراديو من يقول انك تستمع لإذاعة بي بي سي 95.5FM فماذا تعني ان الإذاعة تبث على تردد إشارة راديو FM. بتردد 95.5MHz، أي ان محطة الراديو تلك تبث على تردد يساوي 95.5 مليون دورة في الثانية. ومصطلح FM هو اختصار لـ frequency modulated وكل محطات الـ FM تقع تردداتها في بين 88MHz و 108MHz. هذا النطاق من ترددات أمواج الراديو مخصص فقط لاستخدام البث الإذاعي لمحطات FM المختلفة.

بنفس الطريقة فان راديو AM له النطاق من 535KHz إلى 1700KHz و AM هي اختصار لـ amplitude modulated.

وهناك العديد من الأجهزة المختلفة التي تستخدم أمواج الراديو وقد قامت وكالة اتحاد الاتصالات FCC بتخصيص نطاقات محددة من أمواج الراديو لكل تطبيق حتى لا يحدث تداخل بين الأجهزة وهنا بعض التطبيقات الأساسية المعتمدة على أمواج الراديو النطاقات التي تعمل عليها.

• راديو AM يعمل في النطاق 535KHz – 1700KHz
• راديو SW يعمل في النطاق 5.9MHz – 26.1MHz
• راديو CB (Citizines band) وهو راديو ذو مدى صغير لاستخدام مجموعة من الاشخاص ويعمل في النطاق 26.96MHz – 27.41MHz
• محطات التلفزيون تعمل في النطاق 54MHz – 88MHz للقنوات 2-6
• راديو FM يعمل في النطاق 88MHz – 108MHz
• محطات التلفزيون تعمل في النطاق 174MHz – 220MHz للقنوات 6-13

• كذلك هناك الأجهزة اللاسلكية التي تستخدم أمواج الراديو فقط خصصت لها نطاقات محدودة لتعمل من خلالها فعلى سبيل المثال
• جهاز الإنذار المنزلي وجهاز فتح باب الكاراج يعمل بتردد 40MHz
• جهاز الهاتف اللاسلكي يعمل في النطاق 40-50MHz
• جهاز مراقبة الأطفال يعمل عند تردد 49MHz
• جهاز الراديو الخاص بالتحكم بحركة الطائرات يعمل عن تردد 72MHz
• جهاز التحكم بالسيارة يعمل عند تردد 75MHz
• جهاز تتبع الحيوانات يعمل في الترددات بين 215 – 220MHz
• المحطات الفضائية تعمل في الترددات 145 – 437MHz
• جهاز الهاتف المحمول (الجوال) يعمل في الترددات 960 – 1215MHz
• جهاز تحديد المواقع GPS يعمل في الترددات 1227 – 1575MHz
• أجهزة الاتصالات في المركبات الفضائية تعمل في الترددات 2290 – 2300MHz

<

p style=”text-align: justify;”>

قد يتبادر إلى أذهاننا سؤال حول هذه النطاقات فلماذا كان نطاق إذاعات الراديو AM في النطاق 550KHz إلى 1700KHz في حين كان نطاق إذاعات الراديو FM تعمل في النطاق 88MHz إلى 108MHz؟ ان تحديد نطاق الترددات يتم بصورة اختيارية، وحسب تسلسل اكتشاف التطبيقات المعتمدة على أمواج الراديو تاريخياً.

فمثلا الإذاعات AM وجدت قبل إذاعات FM بفترة كبيرة، فأول بث إذاعي كان في عام 1906 وقد تم تخصيص نطاق أمواج AM في بدايات العام 1920 حيث لم يكن في ذلك الوقت الكثير من التطبيقات المعتمدة على أمواج الراديو. وفي العام 1939ذلك اخترع Edwin Armstrong راديو FM.

لمزيد من المعلومات تجدها في هذه الروابط

http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_frequency

http://www.jneuhaus.com/fccindex/spectrum.html

وإلى اللقاء في موضوع فيزيائي جديد

د. حازم سكيك

ظاهرة الكهرباء الإنضغاطية Piezoelectricity

ظاهرة الكهرباء الإنضغاطية والتي تعرف باسم Piezoelectricity هي ظاهرة فيزيائية طبيعية تظهرها بعض المواد وبالأخص البلورات وبعض أنواع السيراميك حيث تمتلك هذه المواد قدرة على توليد فرق جهد كهربي عندما تتعرض لإجهاد ميكانيكي. حيث انه إذا ما تم الضغط على سطح المادة بقوة فان انفصال للشحنات الكهربي يحدث عبر الشبكة البلورية للمادة. ونتيجة للانفصال في الشحنات ينتج على طرفي المادة فرق جهد كهربي. ومصطلح الكهرباء الإنضغاطية جاء من تعريب كلمة piezo وهي كلمة يونانية piezein والتي تعني الضغط ومن هنا كانت التسمية تعكس طبيعة الظاهرة نفسها حيث ان الكهرباء تنتج بالضغط على المادة.

كما إن هذه المواد إذا ما تعرضت لمجال كهربي خارجي فان المادة نفسها تنضغط أو تنكمش بقدر يتناسب مع شدة المجال الكهربي، بمعنى أخر انه إذا وضعت المادة التي لها خاصية الكهرباء الإنضغاطية Piezoelectricity بين طرفي فرق جهد كهربي فإنها تنكمش. وعلى سبيل المثال بلورة lead zirconate titanate تتغير أبعادها بنسبة 0.1% عن حجمها الأصلي.

بلورة كوارتز

هذه الظاهرة لها تطبيقات مفيدة جداً فمثلا تستخدم في إنتاج الصوت أو مجسات للصوت، أو لتوليد الجهد الكهربي، وتستخدم في أجهزة توليد الموجات الالكترونية electronic frequency generator، كما إنها تستخدم في صناعة الموازين الحساسة microbalance، وفي تحديد أدق بؤرة للأنظمة البصرية من خلال التحكم الدقيق في مكانها على المحور البصري. كما إنها تدخل في الأجهزة الدقيقة التي تعمل على الأبعاد الذرية مثل جهاز الميكروسكوب الالكتروني بأنواعه المختلفة (STM, AFM, MTA, SNOM)، هذا بالإضافة إلى استخدامها في العاب الأطفال وأيضا في الولاعة لتوليد الشرارة الكهربية.

قرص piezoelectric يولد فرق جهد عندما يتعرض لتغير في شكله

ومن استخداماتها أيضا في تنظيف الأسطح المستخدمة لتصنيع الأغشية الرقيقة thin films لإزالة الدقائق الصغيرة جدا من على السطح، وذلك لان البلورة الإنضغاطية إذا ما تعرضت لفرق متردد وعالي فإنها تنتج تتذبذب وتصدر أمواج فوق صوتية تنتشر عبر السائل المنظف وتساعد في التنظيف لتلك الأسطح التي يتطلب ان تكون على درجة عالية جدا من النقاء قبل ترسيب الأغشية الرقيقة عليها.

معلومات تاريخية

اكتشفت ظاهرة الكهرباء الإنضغاطية Piezoelectricity في العام 1880 بواسطة الأخوين Pierre Curie و Jacques Curie. وذلك من خلال عملهما وخبرتهما في الكهرباء الحرارية pyroelectricity (توليد الكهرباء بواسطة التسخين) وعلاقة ذلك بالتركيب البلوري حيث توقعا أن يكون لتأثير الضغط أيضا توليد كهرباء وبالفعل تمكنا من إثبات ذلك على بلورة الكوارتز والتورمالين والتوباذ والسكر والملح، ووجدا إن بلورة الكوارتز والملح تظهرا الخواص الكهربية بالضغط اكثر من غيرهم.

Pierre Curie Jacques Curie

واستمر هذا الاكتشاف لعشرات الأعوام محل دهشة العلماء والباحثين في محاولة فهم هذه الظاهرة وعلاقتها بالتركيب البلوري للمادة. وفي العام 1910 توجت هذه الأبحاث بكتاب نشره العالم Woldemar Voigt’s عن فيزياء البلورات ووصف في كتابه 20 بلورة طبيعية لها القدرة على إنتاج الكهرباء وتمكن من حساب ثابت الكهرباء الإنضغاطية بواسطة التحليل الرياضي tensor analysis.

وقد مرت مواد الكهرباء الإنضغاطية بمرحلتين من التطوير المرحلة الأولى كانت في الحرب العالمية الأولى والمرحلة الثانية كانت في الحرب العالمية الثانية. وفيما يلي سوف نتحدث عن هاتين المرحلتين:

المرحلة الأولى

أول تطبيق استخدمت فيه البلورات الإنضغاطية هو في جهاز السونار sonar، والذي تم تطويره أثناء الحرب العالمية الأولى في فرسنا في العام 1917 بواسطة العالم Paul Langevin وزملاؤه، حيث كان اول استخدام لبلورات الكهرباء الإنضغاطية هو مجس يعمل الأمواج الفوق صوتية في الغواصات الحربية. يحث تكون المجس من ترانسديوسر transducer مصنوع من بلورة الكوارتز موضوعة بين لوحين معدنيين بعناية فائقة، وكذلك ميكرفون حساس لالتقاط صدى الأمواج الفوق صوتية المرتدة. يعمل هذا المجس عن طريق إصدار أمواج فوق صوتية وقياس زمن ارتدادها عن الأجسام التي اصطدمت بها ومنها يتم حساب المسافة بين الغواصة وهذه الأجسام.

ولقد كان لنجاح السونار في الكشف عن الغواصات المعادية اثر كبير في الاهتمام بظاهرة الكهرباء الإنضغاطية Piezoelectric وتطوير الكثير من الأجهزة التي تعتمد عليها.

المرحلة الثانية

في أثناء الحرب العالمية الثانية قام فريق بحثي مستقل في الولايات المتحدة وروسيا واليابان باكتشاف مواد مصنعة لها خصائص الكهرباء الإنضغاطية. هذه المواد تعرف باسم الفروكهربية ferroelectric وتتميز بقدرة اكبر عدة مرات من البلورات الطبيعية في لتوليد الكهرباء الإنضغاطية. هذه المواد المكتشفة كانت السبب في توجه الكثير من العلماء لإجراء بحوث مكثفة مواد بخصائص مميزة ولتطبيقات معينة ومن هذه المواد bariun titanate و lead zirconate titanate وهنا لاحظ معي المفارقة في الطريقة الأمريكية في التعامل مع الاكتشافات العلمية والطريقة اليابانية.

في الولايات المتحدة حرصت الشركات الداعمة لأبحاث الكهرباء الإنضغاطية على سرية أبحاثهم طمعا في الاستفادة من براءات الاختراعات التي تسجل لهم. وبالفعل توصلوا لاكتشاف مواد ذات خواص كهرباء إنضغاطية أفضل من بلورات الكوارتز ولكن عندما طرحت هذه المواد في السوق الأمريكية لم يكون لها النجاح المتوقع لان تسويق هذه المواد يعتمد على التطبيقات العملية التي تحتاجها. وبدون هذه تطبيقات جديدة لن يكون هناك رواجا لهذه المواد ولهذا كان اثر كبير على تقدم الصناعة المعتمدة على مواد الكهرباء الإنضغاطية.

ولكن في المقابل في اليابان شاركت الشركات الداعمة لأبحاث الكهرباء الإنضغاطية معلوماتها التي توصلت إليها مع المؤسسات الصناعية، فكانت النتيجة تطوير ومتلازم بين اداء المواد الجديدة والتطبيقات الصناعية لها. فتطورت بسرعة منتجات حديثة وجديدة مثل مرشحات خاصة للراديو والتلفزيون piezoceramic filters وأجراس piezo buzzers وترانسديوسر transducers لتطبيقات الكترونية مختلفة، ومولدات شرارة كهربية استخدمت في ولاعات السجائر. هذا بالإضافة إلى مجسات خاصة لشركات السيارات لتنبيه السائق إذا ما اقتربت سيارته من عائق في الطريق ليعد مساره

نلاحظ هنا انه بالرغم من التطور الكبير الذي شهدنه مواد الكهرباء الإنضغاطية في الولايات المتحدة عنها في اليابان إلا إن هذه المواد كانت في الولايات المتحدة تمتلك براءة اختراع في حين في اليابان كانت متاحة مجانا للاستخدام مما كانت النتيجة انطلاق تكنولوجيا كاملة تعتمد على مواد الكهرباء الإنضغاطية وأصبحت منتجاتها في مكان مما عاد بالفائدة العظمى على الدولة التي كانت سياستها مفتوحة أمام الجميع.

المراجع

http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectric

http://www.piezomaterials.com/index.htm

http://www.aurelienr.com/electronique/piezo/piezo.pdf

http://www.bostonpiezooptics.com/?D=6

http://www.piezo.com/tech2intropiezotrans.html

http://www.piezoelectrics.net/piezoelectrichistory.htm

إلى اللقاء في الجزء الثاني

د.حازم فلاح سكيك

كيف تعمل الكابتشا CAPTCHA؟

الجزء الثاني

من يستخدم الكابتشا

واحدة من استخدامات الكابتشا هو في نماذج استطلاعات الرأي التي تجرى على مواقع الانترنت، فاستطلاع الرأي قد يكون غير دقيق إذا لم يكن محمى بالكابتشا. على سبيل المثال في العام 1999 قام احد المواقع باستطلاع للرأي حول أفضل كلية تقدم برنامج في علوم الحاسوب. فقام طالبين من طلاب كليتين من الكليات المتنافسة بتصميم برنامج أطلقوا عليه اسم bots يقوم بالتصويت بطريقة اتوماتيكية لصالح كلياتهم، وكانت نتيجة استطلاع الرأي ان حصلت تلك الكليات على آلاف الأصوات في حين الأصوات التي حصلت عليها باقي الكليات لم تتجاوز المئات. ما نود ان نقوله هنا إذا كان بالإمكان ان يكون هناك برامج تقوم بالتصويت فكيف نثق بنتائج أي استطلاع رأي؟ إذا الكابتشا هنا سوف تساعد وتقف بالمرصاد لبرامج التصويت الأوتوماتيكي.

أيضا نماذج التسجيل بمختلف أنواعها تستخدم الكابتشا. على سبيل المثال كل أنظمة البريد الالكتروني المجاني مثل الياهو والهوتميل والجوجل ميل التي تتيح المجال لكافة الزوار بافتتاح حساب بريد الكتروني بدون أي تكاليف مادية. وللحصول على هذه الخدمة فان المستخدم عليه ان يوفر معلومات شخصية لإنشاء الحساب ولكن هذه المعلومات لا يتم التحقق منها حيث يمكنك ان تكتب أي اسم تشاء وتدخل بيانات غير حقيقية وفي النهاية تحصل على حساب بريد الكتروني باسم مستخدم وكلمة مرور. ولكن هذه الأنظمة تعتمد على الكابتشا CAPTCHA لمنع البرامج المتطفلة bots لإنشاء مئات الحسابات الالكترونية الوهمية واستخدامها في إزعاج المستخدمين.

تستخدم ياهو كابتشا الأحرف الانجليزية والأرقام عند إنشاء حساب بريد الكتروني لديها

كثير من مواقع الويب تستخدم أنظمة الكابتشا CAPTCHA خصوصا في دفتر الزوار وفي أنظمة التعليقات واذكر إنني كنت أعاني كثيرا من هجمات البرامج المتطفلة في موقع الفيزياء التعليمي وخصوصا على التعليقات على المواضيع حيث يتم إدراج عشرات التعليقات الغير مناسبة للمواضيع تحمل اغلبها دعايات لمنتجات ومواقع أخرى لتسويق سلعة معينة ولكن بتطبيق الكابتشا تم منع هذه الظاهر تماما.

في الجزء التالي من المقال سوف نقوم بشرح فكرة إنشاء الكابتشا…..

إنشاء الكابتشا وتصميمها

الخطوة الأولى لإنشاء الكابتشا CAPTCHA هو ان يجب ان نعرف طريقة تحليل البيانات والمعلومات من قبل الإنسان ومن قبل الآلة. الآلة تتبع مجموع من التعليمات، فإذا فشلت تعليمة من التعليمات فان الآلة لا تستطيع الاستمرار في عملية التحليل وتتوقف. مصمم الكابتشا يأخذ نقطة الضعف هذه في الحسبان عند إنشاء فحص الكابتشا. على سبيل المثال، من السهل بناء برنامج يستطيع ان يقرأ معلومات الويب والتي تعرف بالميتاداتا metadata والتي لا تظهر للمستخدم، فان تصميم كابتشا تستخدم صور للميتاداتا فان كسرها سيكون سهلا للغاية.

نفس الشيء، لا ينصح بتصميم كابتشا تستخدم أحرف وأرقام واضحة بدون أي تشويه عليها فكثير من برامج الكمبيوتر تستطيع أن تتعرف على هذه الأحرف والأرقام والتي تعرف ببرامج Optical character recognition أو OCR.

ان الطريقة المستخدمة لتصميم الكابتشا هو ان تقوم بوضع الصورة (السؤال) والحل، وهذا يتطلب بناء قاعدة بيانات تخزن فيها الكابتشا والحل، فإذا ظهرت لك صورة محددة وقمت بإدخال الحل فان النظام سوف يتحقق من المعلومة المدخلة بمقارنتها بتلك المخزنة في قاعدة بياناته وبناء عليه يحدد لك إما الاستمرار أو إعادة الإدخال مرة أخرى. ويقول خبراء في شركة ميكروسوفت Kumar Chellapilla و Patrice Simard ان الكابتشا الجيدة والمقبولة للاستخدام هي التي يتمكن المستخدمين من حلها بنسبة 80% في حين ان نسبة اختراقها وحلها بواسطة برامج الهاكر في حدود 0.01%. كما ويجب ان تكون قاعدة بيانات الكابتشا لا تقل عن 10,000 خيار مختلف للكابتشا وإلا تمكن الهاكر من إيجاد جمع كل الاحتمالات واستخدام هجوم brute force لكسرها.

وبعض الأنظمة الأخرى تستخدم التوليد العشوائي للأرقام والحروف وهذه يصعب على برامج bots إن تخترقها وكلما زادت هذه الأرقام كلما كانت الكابتشا اقوي.

تظهر هذه الكابتشا 10 كلمات وتطلب منك ان تدخل ثلاثة منها فقط لاجتياز الفحص

الكابتشا والذكاء الصناعي

مبتكر الكابتشا Luis von Ahn من جامعة Carnegie Mellon في العام 2006 تحدث عن العلاقة بين الكابتشا CAPTCHA والذكاء الصناعي Artificial Intelligence (AI). لان الكابتشا هي الحاجز بين الهاكر والسبامر وأهدافهم، حيث ان هؤلاء الأشخاص يسخرون وقتهم وطاقتهم في محاولات لكسر الكابتشا. ان نجاحهم في كسر الكابتشا ينظر له بان الآلة تتطور وتصبح أكثر ذكاء (إذا صح التعبير). ففي كل مرة يتمكن شخص من تعليم الآلة كيف تتغلب على الكابتشا فإننا نتقدم خطوة للذكاء الصناعي.

الهاكرز تمكنوا من تعليم الكمبيوتر كيف يتعرف على النص في الصورة

وفي كل مرة يتم اختراق الكابتشا يتجه المبرمجون والمطورون مثل von Ahn إلى تطوير الكابتشا. فمع كل تقهقر للكابتشا هناك تقدم للذكاء الصناعي بمعنى انه مع كل خسارة هناك انتصار.

وهذا ينعكس علينا كمستخدمين لمواقع الويب حيث إن الكابتشا تتجه إلى أن تكون أكثر صعوبة وقد نصل لمرحلة تكون الكابتشا عبارة عن مسألة حسابية أو اختيار لأحرف معينة بلون معين أو عليها أشكال محددة. وقد نصل لمرحلة تكون فيها الكابتشا عبارة عن لغز يصعب على البعض منا حله وقد يتمكن الكمبيوتر من حله والتغلب علينا.

للاطلاع على الجزء الأول من كيف تعمل الكباتشا من هنا

لمزيد من المعلومات حول الكابتشا CAOTCHA هذه المواقع مفيدة.

• Gwap
• The Official CAPTCHA Site
• ReCAPTCHA

والى اللقاء في مواضيع أخرى

د. حازم فلاح سكيك

<

p style=”text-align: center;”>كيف تعمل الكابتشا CAPTCHA؟

الجزء الأول

كثيرة هي المصطلحات الانترنتية واليوم سوف نتعرف على مصطلح الكابتشا والذي نستخدمه بكثرة عن التسجيل في موقع أو عند تحميل ملف أو عند ترك تعليق على موضوع ما او وضع توقيع في دفتر الزوار وكثيرا ما فشلت عملية إدخال أحرف الكابتشا وخصوصا في موقع الرابيدشير مما يتطلب منا إعادة المحاولة لحين ان يتم إدخال الأحرف المشوهة بالضبط.

في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرح كل ما يتعلق بالكابتشا CAPTCHA ما هي وما الغرض منها وكيف تعمل وأنواعها وهل تم اختراقها أم لا؟

تعتبر الكابتشا نموذج فحص عليك اجتيازه قبل ان تحصل على خدمتك من موقع من مواقع الانترنت وهذا الفحص مصمم خصيصا لكي يتمكن هذا الموقع المقدم للخدمة من التفرقة بين الإنسان والحاسوب.

كلمة كابشتا CAPTCHA هي اختصار للجملة Completely Automated Public Turing Test to Tell Computers and Humans Apart والتي تعني فحص يفرق الإنسان عن الكمبيوتر، كما ويمكن أن تعرف على إنها Human Interaction Proof (HIP) أي دليل التفاعل الإنساني.

تستخدم الجوجل الكابتشا عن فتح حساب بريد الكتروني لديها

لماذا يحتاج أي منا ان يقوم بهذا الفحص ليتم التفرقة بينه وبين الكمبيوتر؟ هذا لان هناك أشخاص يحاولون دائما إثبات فشل أنظمة الكمبيوتر التي تشغل موقع على الانترنت، وهذا العبث قد يضر بمصالح ملايين المستخدمين والمواقع على الانترنت. على سبيل المثال خدمة البريد الالكتروني المجاني free e-mail تهاجم من قبل ملايين الطلبات الوهمية التي يرسلها برامج كمبيوتر تعمل تلقائيا بهدف إرباك هذه الخدمة وتحميل أنظمتها فوق طاقتها. البرامج الأوتوماتيكية تقوم بإرسال بريد مزعج spam mail إلى ملايين الأشخاص. لذا فان فحص الكابتشا يساعد على التعرف على ما اذا كان المرسل هو شخص ام هو برنامج كمبيوتر.

من الامور المهمة عن فحص الكابتشا هو ان الشخص الذي صمم هذا الفحص قد لا يصاب بالاحباط نتيجة لان احد قد خدع هذا الفحص. هذا لان فشل فحص الكابتشا يشير الى ان هناك شخص ما قد استطاع ان يعلم الكمبيوتر كيف يقوم بحل هذا الفحص. بمعنى اخر فشل فحص الكابتشا واختراقه دليل على تقدم الذكاء الاصطناعي.

دعنا الآن ندخل بتعمق أكثر في موضوع الكابتشا…….

تكنولوجيا الكابتشا CAPTECHA لها أساس تجريبي يعرف باسم Turing Test والذي يعرف بوالد الحوسبة الحديثة، حيث ان هذا الفحص مخصص للتعرف على قدرات ذكاء الكمبيوتر. هذا الفحص يحتاج من الكمبيوتر ان يقوم بالتفكير مثل الإنسان ليستطيع حله. فهذا الفحص يقوم باستجواب مشاركين احدهما الكمبيوتر والأخر إنسان مجموعة من الأسئلة، والمستجوب هنا لا يسمع ولا يرى المشاركين ولا يملك أي طريقة للتفرقة بين المشاركين. إذا كان المستجوب غير قادرا على التعرف على المشارك الكمبيوتر فان هذا المشارك يتجاوز فحص Turing test.

للمزيد من المعلومات حول Turing test

http://en.wikipedia.org/wiki/Turing_test

بالطبع، مع الكابتشا، فان الهدف هو تصميم فحص يستطيع الإنسان حله بسهولة في حين ان الآلة لا تستطيع. ومن المهم في تطبيقات الكابتشا ان يكون هناك أكثر من طريقة لعرضها. فمثلا إذا كانت الكابتشا تمثل صورة ثابتة لكل المستخدمين فان من السهل لمصممي السبام ان يقوم بعمل برنامج قادر على اختراق تلك الكابتشا.

ليست كل الكابتشا تتطلب أن تقوم بكتابة نص فمثلا الكابتشا في الشكل أعلاه تطلب من المستخدم تحريك الماوس على مسار محدد على الصورة.

معظم ولكن ليس كل الكابتشا تعتمد على الفحص البصري. الكمبيوتر بالطبع يفتقد للطريقة التي يفكر بها البشر عندما يقوم بتحليل بيانات بصرية. فمثلا نحن عندما ننظر لصورة ما نلتقط التفاصيل الدقيقة بسرعة وبسهولة لا يستطيع الكمبيوتر ان يقوم بها. عقل الإنسان أحيانا يتصور أو يتخيل الأشكال والنماذج حتى لو لم تكن موجودة في الواقع، كما يمكننا ان نرى أشكال معينة في السحب أو نرى وجوه مرسومة على القمر. هذه الأشكال والرسومات التي نراها هي نتاج عمل الدماغ في محاولة ربط معلومات عشوائية بالأشكال والنماذج التي يراها.

تقوم الكابتشا بإظهار صورة او صوت في الغالب يكون مشوش، بحيث يصعب على الإنسان ان يحل شفرته. ولهذا فان كثير من أنظمة الكابتشا توفر إمكانية إعادة رسم الكابتشا أو توليد نماذج أخرى للمحاولة للحصول على صورة أوضح. كما يمكن ان تكون الكابتشا في صورة صوتية حيث تقوم الكابتشا بنطق مجموعة من الأحرف والأرقام مع وجود خلفية صوتية كضجيج للتشويش بحيث يصعب على برامج التعرف على الصوت من التقاط تلك الأحرف والأرقام.

في الجزء التالي من المقال سوف نتحدث عن أنواع المواقع التي تستخدم الكابتشا…..

إلى اللقاء في الجزء الثاني من هنا

د.حازم فلاح سكيك

كيف يعمل التصوير السريع

High-speed Photography

التصوير يحفظ لنا ذكريات هامة في حياتنا، فالحياة تمضي بسرعة في الكثير من الأحيان ونحن نستمتع ببعض اللقطات التي نحفظها منها للذكرى. ولكن موضعنا اليوم مختلف حيث ان بعض اللقطات لا يمكن التقاطها بالطريقة العادية مثل سقوط قطرة ماء في حوض به ماء راكد أو رصاصة تنطلق من فوهة مسدس.

هل تساءلت عزيزي القارئ كيف تم التقاط هذه الصور؟ فهذه اللقطات تمر بسرعة كبيرة جدا يصعب علينا ان نسجلها باستخدام الكاميرات العادية المعروفة أو حتى بالعين المجردة. فمثلا لو فكرت في التقاط صورة لرصاصة فانك سوف تحصل على صورة للخلفية دون ان تظهر الرصاصة فيها لأنها تحركت بسرعة كبيرة جدا. كما لو قمت باستخدام كاميرا رقمية لالتقاط صورة لحركة أجنحة الطائر الطنان hummingbird فانك سوف تحصل على صورة مموهة جدا ولا يظهر فهيا جناح الطائر لسرعة حركته أيضا.

لعلك عزيزي القارئ لاحظت صور مدهشة مثل صورة الرصاصة التي تخترق تفاحة وكيف ان جدار التفاحة ينفجر كما تعرض أيضا في مجلات عالم الطبيعة صورا لطائر في السماء وتستطيع ان تميز ريش أجنحته ولو حاولت ان تلاحظ هذه التفاصيل بالعين المجردة لما تمكنت من ذلك أبدا. والكثير من هذه الصور فهل لنا ان نعرف كيف تمكنوا من التقاطها؟

هذا هو فن التصوير السريع للأجسام المتحركة بسرعة كبيرة، والذي يعرف بتوثيق الأحداث التي لا تستطيع العين ملاحظتها. يستخدم العلماء التصوير السريع لدراسة الحركة الفيزيائية وقياس الظواهر المختلفة مثل التوتر السطحي surface tension أو تأثير الجاذبية gravitational effects. كما يستخدم التصوير السريع في العمليات العسكرية لتحديد مدى دقة الصورايخ والقذائف وتسجيل ما يتم بالتحديد داخل الانفجارات النووية. كما ان المصورون للأحداث الرياضية يستخدمون في بعض الأحيان التصوير السريع لتسجيل اللقطات المهمة في الألعاب الرياضية. كما ان التصوير السريع له جوانب فنية كثيرة تستخدم في المعارض الفنية وتعرض على صفحات المجلات.

الأشخاص الذين يستخدمون التصوير السريع في الغالب يحصلون على صور لم يكونوا قد تخيلوها من قبل، وهنا نتساءل ما هي الكاميرا اللازمة للتصوير السريع وهل هي مكلفة والكثير من المعلومات سوف تجدها في هذه المقالة من كيف يعمل التصوير السريع High-speed photography.

أساسيات التصوير السريع

لفهم مبدأ عمل التصوير السريع فانه من المهم في البداية ان نعلم بعض الأساسيات عن التصوير العادي باستخدام الكاميرا وقد سبق وان تحدثنا حول هذا الموضوع في كيف تعمل الكاميرا. والأفضل أن نركز على الكاميرا العادية manual single-lens-reflex (SLR) التي لا تعمل أوتوماتيكيا أو الكاميرا الرقمية.

كاميرا عادية ونلاحظ ان غالق العدسة مفتوح

الجزء الأهم في الكاميرا هو العدسة lens. والعدسة قطعة زجاجية محدبة الشكل تعمل على توجيه الضوء الساقط من الجسم أو المشهد على شريحة الفيلم المثبت داخل الكاميرا. وللعلم فان كلمة photography كلمة يونانية تعني الرسم بواسطة الضوء.

فباستخدام الكاميرا كل ما عليك هو ان توجهها ناحية المشهد المراد تصويره والتقاط الصورة له وهنا يجب الانتباه لعاملين هامين هما:

(1) كمية الضوء اللازم دخوله من العدسة إلى الفيلم.

(2) مقدار الزمن اللازم للفيلم ليتعرض للضوء الساقط عليه.

لحظة سقوط حجر في بركة ماء

العامل الأول يحدد مقدار الضوء الساقط على الفيلم وهذا يتم من خلال التحكم في فتحة العدسة aperture والتي تكون دائرية الشكل يمكن التحكم في مقدار اتساع فتحتها أو نقصانها. ويتم ضبط مقدار فتحة العدسة من خلال أرقام تعرف باسم f-stops تصف مقدار فتحة العدسة فكلما كانت قيمة f-stops كبيرة كانت الفتحة أضيق. فتحة f/11 تكون اصغر من f/8 وبالتالي فان كمية الضوء ستكون اقل.

أما العامل الثاني الذي يتحكم في زمن فتحة العدسة يسمى الغالق shutter وكلما كانت سرعة الغالق كبيرة كلما كان زمن فتحة العدسة اقل. ويقاس سرعة الغالق بأجزاء الثانية من 1/1000th جزء من الثانية إلى 1 ثانية.

الآن كيف يمكن استخدام هذين العاملين في التصوير السريع؟ هذا ما سوف نقوم بشرحه في الجزء التالي من المقال…

التصوير السريع: فترة بقاء ضوء الفلاش، سرعة الغالق وزمن التعريض.

لفهم كيف يعمل التصوير السريع دعنا نلقي بعض الضوء على العملية العكسية وهي التصوير البطيء long exposure photography. والذي يتضمن تعريض فيلم الكاميرا لفترة زمنية كبيرة تتراوح من 1/8 ثانية إلى عدة دقائق.

تصوير بطيء لأحد شوارع استراليا

مشهد لازدحام مروري في الليل هو في الأغلب من نوع التصوير البطيء حيث تبدو مصابيح السيارات كخطوط طويلة تمر عبر الصورة. وهذا يحدث لان ضوء مصباح السيارة يمسح المشهد أثناء التقاط الصورة خصوصا إذا طالت مدة التعريض.

لحظة انفجار بالون مملوء بالماء

أما إذا أردت ان تلتقط صورة رصاصة مثلا باستخدام طرقة التصوير البطيء فانك سوف تحصل على خط رفيع على الفيلم يكاد يظهر للناظر وهذا لان كمية الضوء التي انعكست عن الرصاصة إلى الفيلم ضئيلة جداً.

ولنجاح التصوير السريع فان هذا يعتمد على سرعة استجابة الفيلم للضوء وبالتالي فان التصوير السريع يعتمد كثيرا على الفلاش المستخدم لالتقاط الصورة، فاستخدام نبضة فلاش ذات فترة زمنية صغيرة وكمية ضوء كبيرة. لان عملية التصوير السريع في الأغلب تلتقط في الظلام في هذه الحالة فان غالق الكاميرا يترك مفتوحاً بينما تلتقط الصورة فإذا لم يكن هناك ضوء كانت الصورة سوداء تماما أما إذا تم تسليط نبضة ضوء قوية ولفترة زمنية صغيرة تصل إلى 30ms فان هذا الضوء يكون كافيا لمسح جسم متحرك بسرعة مثل الرصاصة.

الفلاش المستخدم للحصول على نبضة ضوء قوية ولفترة زمنية قصيرة

والسؤال الأهم الآن هو كيف يستطيع المصور أن يضبط تشغيل الفلاش مع حركة الرصاصة أمام الكاميرا؟ وهذا ما سوف نوضحه في الجزء التالي من المقال.

التصوير السريع: الرصد والتزامن والتصوير

للحصول على صورة نقية للحظة صغيرة من الزمن هناك ثلاثة عوامل مهمة يجب ان تعمل مع بعضها البعض وهي

(1) الرصد detection

(2) التزامن synchronization

(3) التصوير imaging

لان المشهد الذي يتم تصويره يتحرك بسرعة كبيرة جدا يصعب على العين ان تلاحظه أو تتنبأ به فان رصد الحركة عن بعد هو الحل الأنسب لهذه الحالات. وهذا يعتمد على الحدث نفسه الذي سيتم تصويره وذلك عن طريق تثبيت مجسات معينة تعمل على تشغيل الفلاش في اللحظة المناسبة لالتقاط الصورة، وقد تعتمد هذه المجسات على رصد الصوت أو الاهتزاز وبناء عليه تصدر إشارة كهربية للفلاش يضيء فتلتقط الصورة.

الصوت الصادر عن المسدس يعمل على تشغيل الفلاش لالتقاط الصورة

المجسات الصوتية sound triggers هي الأكثر استخداما في التصوير السريع، وذلك لأنها سهلة التصنيع والاستخدام. ويتكون كل مجس صوتي من ثلاث أجزاء رئيسية هي الميكرفون microphone ومكبر amplifier ومقوم من السليكون بعرف باسم silicon-controlled rectifier (SCR).

وعوضا عن استخدام ميكرفون عادي فان المصورون يستخدمون ميكرفون عبارة عن رقيقة من البيزوالكترك piezoelectric film، وهي أداة حساسة جدا للتغيرات في الضغط الناتج عن الأمواج الصوتية وتستجيب بسرعة للأصوات الحادة مثل انفجار بالون أو كسر كوب من الزجاج، يلتقط هذا الميكرفون الصوت الإشارة ويقوم المكبر بإرسال إشارة كهربية إلى SCR. يكون الـ SCR متصلاً مع ضوء الفلاش ليعطي نبضة ضوئية في اللحظة المطلوبة. فإذا كان الجسم المراد تصويره في غرفة مظلمة فان غالق الكاميرا يكون مفتوحا بدون أن يتعرض الفيلم لأي ضوء حتى ينطلق ضوء الفلاش لتصوير الحدث المطلوب.

أما إذا كان التصوير للحدث في الخارج أي في ظل وجود ضوء خارجي فان توقيت فتح الغالق يجب ان يكون متصلا ومتزامنا مع ضوء الفلاش.

كما انه يجب اختيار نوع الفيلم المستخدم للتصوير السريع بحيث يكون عالي الحساسية للضوء وهذا محدد من خلال رقم ISO لكل فيلم أي International Organization for standardization وكلما كان رقم ISO قليل كلما كانت حساسية الفيلم للضوء اقل ويفضل في حالة التصوير السريع استخدام أفلام ذات ISO800 علما بان التصوير العادي يستخدم أفلام ISO100.

وفي النهاية فان التصوير السريع يحتاج إلى إعداد وتجهيز جيد وقد يتطلب الأمر التقاط مئات الصور للحصول على صورة واضحة لقطرة ماء تسقط في كوب ماء وأحيانا يتدخل الحظ من أول مرة للالتقاط صورة رائعة.

وهذه بعض الصور التقطت بواسطة التصوير السريع

ولمزيد من المعلومات يمكنك الاطلاع على المواضيع في الروابط التالية:

كيف تعمل الكاميرا

كيف تعمل الكاميرا الرقمية

كيف يعمل فيلم الكاميرا

كيف يعمل الفلاش

كيف يعمل نظام الاوتوفوكس في الكاميرا

والى اللقاء مع مقالات جديدة

د. حازم فلاح سكيك

من الرائع أن نجد بديلا عن الوقود المستخدم لتشغيل السيارات، هذا البديل يمكنا من قطع المسافات الطويلة وبتكلفة مالية قليلة. ماذا لم كان بالإمكان استخدام مادة متوفرة وسهل الحصول عليها كوقود للسيارة. ماذا لو كانت هذه المادة هي مخلفات تتخلص منها بدون أن تستفيد منها بشيء؟ لعلك تتساءل عزيزي القارئ ما هي هذه المادة.

وقود مجاني بالفعل أمر رائع حقا إذا تمكنا الحصول عليه. هذا بالفعل ما يحاول أن يتوصل إليه سائقوا السيارات وخصوصا سيارات الأجرة وهو استخدام زيت الطهي vegetable oil كبديل عن الوقود.

بالطبع العملية ليست بهذه البساطة فهناك بعض المتطلبات اللازمة لكي لا يتعطل محرك السيارة. لكي نستطيع ان نعرف كيف يمكن ان نقوم بتعبئة خزان الوقود بزيت استخدم في الطهي فانه يجب ان نميز بين زيت الطهي والوقود الحيوي المستخرج من بعض النباتات مثل الصويا، ولكن يتم تكريره في محطات خاصة ليتم معالجة التلوث الناتج عن احتراقه ويصبح العادم الصادر عنه في الحدود المسموح بها حسب القوانين والتشريعات البيئية. الكثير من محركات الديزل يمكن ان تعمل بالوقود الحيوي أو مزيج بين الوقود الحيوي والديزل وذلك بدون إجراء أي تعديلات على محرك السيارة.

استخدام زيت الطهي كوقود في السيارة يعتبر أمرا مختلفا تماما. حيث يمكن ان تقوم بالحصول على زيت الطهي مباشرة من السوبرماركت أو من مطعم وتقوم بضخه في خزان الوقود والاختلاف هنا ان هذه الطريقة لا تخضع لأي معالجة مسبقة للزيت وبالتالي لا يخضع للقوانين البيئية. وفي الواقع ان استخدام هذا النوع من الوقود يعتبر مخالفا قانونيا في العديد من الدول ويتطلب الحصول على إذن مسبق لاستخدام زيت الطهي كوقود وتكون تكاليف الترخيص عالية.

والآن سوف نقوم بشرح كيف يستخدم زيت الطهي في تشغيل السيارات….

استخدام زيت الطهي كوقود للسيارة

في البداية يجب ان يكون محرك السيارة محرك ديزل، لأنه من الصعب جدا ان يحدث اشتعال لزيت الطهي في محرك البنزين الذي يعمل بالشرارة الكهربية spark ignition كما ان تجهيزات مضخة الوقود وأنابيب توصيل الوقود وكذلك المجسات الالكترونية غير مجهزة للتعامل مع زيت الطهي.

يتم في هذا الحوض لتصفية وتنقية الزيت قبل استخدامه كوقود للسيارة

يمتلك الزيت لزوجة عالية تجعله سميك ويصعب على المحرك التعامل مع الوقود بسهولة مما يجعل جزء كبير من الزيت لا يحترق وهذا يسبب انسدادات في أجزاء المحرك.

بالطبع هناك عدة حلول لهذه المشكلة. أولا يمكن خلط زيت الطهي بالوقود العادي كالديزل، وهذا سوف يساعد كثيرا على التغلب على مشكلة الانسداد في المحرك. وحل أخر هو استخدام خزانين معا واحد للديزل والأخر للزيت بحيث يبدأ تشغيل محرك السيارة بالاعتماد على وقود الديزل وهذا يعمل على تسخين المحرك ويساعد أيضا على تسخين خزان الزيت فيقلل من لزوجته وعند إطفاء المحرك يتم الانتقال إلى وقود الديزل حتى يتم التخلص من بقايا الزيت. هذه الحلول ليست كاملة بالطبع ولكنها تقلل من المشاكل سابقة الذكر.

للاستخدام الأفضل للزيت كوقود فان تعديلات جوهرية يجب ان تتم على المحرك. تبدأ بتركيب صمام ضخ وقود جديد fuel injector nozzles مع فلاتر ترشيح لتضمن نقاء الزيت الداخل لاسطوانات الاحتراق. أما الذين يستخدمون زيت الطهي من المطاعم فيجب ان يتم تنقيته على عدة مراحل للتخلص من بقايا الطعام أو الأجسام الصلبة، قبل صبه في خزان وقود السيارة. يأتي بعد ذلك استخدام شمعات جديدة New glow plugs لإعطاء شرارة الاحتراق عند بداية التشغيل. كما ان تسخين الوقود في الخزان يساعد كثيرا في تقليل لزوجته ويمكن عمل ذلك من خلال تثبيت أنابيب التبريد بجوار أنابيب نقل الوقود للاستفادة من الحرارة المفقودة في تسخين الزيت قبل وصوله لمحرك السيارة.

في الجزء التالي من المقال سوف نقوم بالإجابة على سؤال هام وهو هل استخدام زيت الطهي مجدي اقتصادياً

هل استخدام زيت الوقود مجدي اقتصادياً؟

من الممكن ان يتم تشغيل محرك السيارة على زيت الطهي ولكن هل هذا سوف يكون بالفعل امرا مشجعا من الناحية الاقتصادية، في الحقيقة الاجابة لا، لان التعديلات التي يجب اجرائها على المحرك سوف تكون باهظة الثمن وقد تصل من 4,000 إلى 5,000 دولار وهذا لا يمكن تعويضه بفرق السعر بين زيت الطهي ووقود الديزل حيث ان أسعارهما متقاربة جداً ولهذا لا يمكن اعتبار استخدام زيت الطهي لتشغيل السيارة سوف يقلل تكاليف تشغيل السيارة.

ولكن ماذا عن الحصول على الزيت مجاني من المطاعم، هذا بالفعل أمر رائع ولكن مع مرور الوقت سيلاحظ صاحب المطعم ازدياد الطلب على الزيت المستخدم مما يدفع صاحب المطعم إلى الاستفادة من بيعه وبالتالي سوف يتوقف مصدر الحصول على زيت مجاني كما ان مقدار الزيت الناتج عن مطعم قليل جدا بالمقارنة بالاحتياج الكبير للوقود المستخدم لتشغيل سيارات مدينة أو حي بأكمله.

إذا لسوء الحظ لا يوجد أي استفادة مالية من تشغيل سياراتنا على وقود زيت الطهي ولكن هناك في بعض الأحيان حاجة ماسة إلى ذلك مثل ما يحدث في قطاع غزة حيث حرم سكان القطاع من الوقود (البنزين والديزل) فما كان إلا انه تم الاعتماد على زيت الطهي في تشغيل سياراتهم، كحل ندعو الله ان لا يطول.

وإلى اللقاء في مقال جديد

د. حازم فلاح سكيك

كيف يعمل البوتاجاز (الطباخ) المغناطيسي

طهي الطعام هي علمية يمكن التفكير بها على إنها تطبيق الحرارة على الطعام. فالطهي في المنزل يتم من خلال استخدام البوتاجاز أو الطباخ أو ما يعرف بالفرن والذي يعمل بالغاز أو بالكهرباء حيث يوضع الطعام داخل الفرن أو على سطحه أو باستخدام الشواية.

معظم أنواع الأفران التي نحصل عليها تقوم بالتسخين من خلال الفرن الخاص بها أو على سطحها بالاعتماد على الغاز أو الكهرباء.

في الواقع هناك الكثير من أنواع التسخين التي تعتمد على تحويل الكهرباء إلى حرارة، ومن هذه الأنواع استخدام ملف حراري أو استخدام سخان هالوجين أو سخان يعتمد على الحث المغناطيسي. وكل هذه الأنواع تعرف بالفرن الكهربي ونحن في اغلب الأحيان نهتم بشكل الفرن وشكل سطحه العلوي دون أن ندرك تماما الفكرة التي يقوم بها على التسخين هذا إذا كان البوتاجاز يعتمد على الكهرباء.

كما ذكرنا سابقا فان عملية طهي الطعام هي تطبيق الحرارة على الطعام، ومهما اختلف شكل الوعاء الذي يحتوي الطعام وأين نضعه في البوتاجاز فان عملية الطهي تعتمد على انتقال الحرارة من الوعاء إلى الطعام الذي بداخله.

معنى ذلك إن الطهي هو توليد كمية من الحرارة يسهل نقلها إلى وعاء الطهي، بدء الإنسان طهي طعامه من خلال إشعال النار في الهواء الطلق وتعريض الطعام للنار مباشرة وتطورت عملية الطهي لتصح أكثر سهولة ويسر. فهناك طريقتين للحصول على الحرارة أما كيميائية أو كهربية: فيمكن أن نقوم بحرق مادة قابلة للاشتعال للحصول على الحرارة مثل الفحم والخشب والغاز. ا وان نقوم بتمرير التيار الكهربي في سلك له مقاومة عالية لنحصل على الحرارة أو باستخدام الحرارة المنبعثة من مصابيح الهالوجين.

الطريقة الثالثة والتي هي محل اهتمامنا هي طريقة الحث المغناطيسي وهي طريقة مختلفة تماما عن كل طرق الطهي الاعتيادية فهي لا تعتمد على توليد حرارة تنتقل إلى وعاء الطهي، إنما تعتمد على وعاء الطبخ نفسه الذي يقوم بتوليد الحرارة اللازمة للطهي.

أفران الميكروويف يعتبر الطريقة الرابعة لأنواع الطبخ حيث يتم توليد الحرارة مباشرة داخل الطعام نفسه.

كيف يقوم البوتاجاز المغناطيسي بالتسخين؟

ببساطة، العنصر الرئيسي المستخدم في التسخين هو مولد مجال كهرومغناطيسي عالي التردد، يكون هذا المولد مثبت أسفل سطح البوتاجاز، وعندما يوضع وعاء من مادة مغناطيسية في المجال الكهرومغناطيسي المتردد فان المجال المغناطيسي ينتقل إلى الوعاء فتقاوم مادة الوعاء التغير السريع في المجال المغناطيسي عن طريق توليد تيار كهربي متردد له مجال مغناطيسي يعاكس المجال المغناطيسي الخارجي فانه هذا التيار يسبب في تسخين الوعاء ويرفع درجة حرارته. وبالتحكم في شدة المجال الكهرومغناطيسي فانه يمكن التحكم في مقدار الحرارة المتولدة في الوعاء ويمكن تغير حرارته في غضون لحظات.

كيف يعمل الطهي بالحث المغناطيسي؟

(1) تقوم دوائر الكترونية بتوليد مجال كهرومغناطيسي عالي التردد في ملف خاص.

(2) ينتقل المجال الكهرومغناطيسي عبر الوعاء المصنوع من مواد مغناطيسية تسمح بنفاذ المجال المغناطيسي فيها، يسبب المجال المغناطيسي المتردد مرور تيار كهربي في مادة الوعاء يسبب في توليد الحرارة فيه.

(3) تنتقل الحرارة المتولدة في الوعاء إلى الطعام داخله.

(4) لا يحدث المجال المغناطيسي أي تأثير خارج الوعاء، وبمجرد رفع الوعاء يتوقف عمل المجال المغناطيسي وتتوقف عملية توليد الحرارة.

(تعرف عملية توليد التيار الكهربي المذكورة في الخطوة #2 أعلاه بتأثير إدي eddy current وفي الحقيقة معظم الحرارة تنتج من مقاومة المادة المغناطيسية المصنع منها الوعاء للتغير السريع في المجال المغناطيسي).

هناك نقطة أخرى تتعلق بالحث المغناطيسي وهي إن كل الأوعية المستخدمة في الطهي يجب أن تكون مصنوعة من مواد مغناطيسية تعرف باسم ferrous أي المواد الحديدية مثل الحديد للتجاوب مع المجال المغناطيسي. أما الأوعية المصنعة من الألمنيوم والنحاس وأوعية البايركس (نوع من أنواع الزجاج الذي يتحمل حرارة تصل إلى 400 درجة مئوية) لا تصلح للاستخدام مع البوتاجاز المغناطيسي.

وحديثا تم تطوير تكنولوجيا الطهي المغناطيسي لتعمل مع كل الأوعية مهما اختلفت مواد تصنيعها وتعتمد هذه التقنية على إنتاج مجال كهرومغناطيسي عالي التردد بحيث لا تستطيع أي مادة أن تمنع نفاذه فيها سوءا كانت زجاج أو سيراميك أو الألمنيوم أو نحاس. وهي مستخدمة في اليابان، وربما تحتاج إلى وقت لتنتشر لباقي الدول.

يوجد الآن جيل جديد من البوتاجاز المغناطيسي يعرف باسم “zoneless”. وهو يجعل كل سطح البوتاجاز سطح للطهي فيمكنك ترتيب أوعية الطهي عليه بشكل أكثر فعالية. وقد تم هذا عن طريق وضع مجسات خاصة أسفل سطح البوتاجاز لتعرف مكان وعاء الطهي بالتحديد وكذلك حجمه ومن هذه المعلومات يتم توليد المجال المغناطيسي المناسب لحجم الوعاء ومكانه على سطح البوتاجاز.

وبهذا يمكنك وضع أي أوعية تحتاجها في نفس الوقت وبأي شكل وبالترتيب الذي تريده، مما يجعل استغلال الطاقة بشكل أكثر فعالية علماُ بان هذه التقنية لم تظهر للاستخدام إلا في العام 2006.

Source

http://theinductionsite.com/how-induction-works.shtml

تمت الترجمة بواسطة المركز العلمي للترجمة

www.trgma.com

كيف تعمل ماسحات زجاج السيارة

Windshield Wipers

أول ماسحة زجاج سيارة كانت تعمل بطريقة يدوية بتحريك ذراع داخل السيارة للأمام والخلف، وفي يومنا هذا نحن نستخدم ماسحات زجاج كهربية.  تقوم ماسحات الزجاج في السيارة بالحفاظ على نظافة الزجاج أثناء القيادة وجعل الرؤية واضحة وخصوصا عند سقوط المطر.  تستخدم ماسحة الزجاج في كافة أنواع السيارات الكبيرة والصغيرة وفي بعض السيارات توجد على المصابيح الأمامية وكذلك على زجاج السيارة الخلفي وتثبت على نوافذ الطائرات وحتى المكوك الفضائي.

في هذه المقالة من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرج الآلية التي تعمل بها ماسحة الزجاج في السيارة وكيف يتم التحكم بها ومن ثم سوف نشرح فكرة المجسات الخاصة برصد قطرات المطر والتي تقوم بتشغيل الماسحات بطريقة أوتوماتيكية وتتحكم بسرعة عمل الماسحات كلما زادت قوة المطر.

داخل ماسحات الزجاج Inside the wipers

تحتوي ماسحة الزجاج على تقنيتين ميكانيكيتين تعملان معا لتقوم الماسحة بعملها المطلوب منها من خلال حركتها المنتظمة والمتكررة على زجاج السيارة. وهاتين التقنيتين هما:

(1) الموتور الكهربي electric motor  وترس خاص يسمى worm gear أي ترس الدودة يزود الماسحة بطاقة الحركة.

(2) ذراع توصيل يقوم بتحويل الحركة الدورانية الناتجة عن الموتور الكهربي إلى حركة انتقالية للماسحة للأمام والخلف.

الموتور والترسMotor and Gear

تحتاج الماسحة عند حركتها على زجاج السيارة إلى قوة كبيرة لتجعلها تتحرك بقوة ذهابا وإيابا لتمسح زجاج السيارة. ولكي تحصل الماسحة على هذه القوة يتم الاعتماد على ترس الدودة worm gear مثبت على الموتور الكهربي.

يعمل ترس الدودة على مضاعفة الازدواج الناتج عن الموتور الكهربي بقيمة تصل إلى 50 مرة، هذا بالإضافة إلى انه يقوم أيضا بتقليل سرعة حركة الموتور بـ 50 مرة أيضا.  وبتوصيل ترس الدودة مع الذراع المتصل مع الماسحات ليحركها ذهابا وإيابا على زجاج السيارة.

وفي داخل الموتور والترس يوجد دائرة الكترونية تحتوي على مجسات حساسة تقوم برصد موضع الماسحة بالنسبة لزجاج السيارة. فعندما نقوم بإيقاف الماسحة في أي لحظة فان هذه المجسات الحساسة تحافظ على استمرار التيار الكهربي حتى تصل الماسحة إلى أدنى موضع لها على زجاج السيارة وتتوقف عندها وذلك حتى لا تقف الماسحة في منتصف الزجاج الأمامي مما يعيق الرؤية وقد يسبب في حوادث خطيرة ولهذا فان هذه الدائرة الالكترونية تقوم بإيقاف الماسحة عند أدنى مستوى لها في أي لحظة تقوم فيها بإيقافها يدوياً.

ذراع التوصيل Linkage

عبارة عن قطعة معدنية قصيرة تسمى الحدبة cam مثبتة على عمود ترس الدودة.  تدور الحدبة في حركة دورانية مستمرة مع دوران الموتور.  ويتصل بالحدبة ساق طويل، وعند دوران الحدبة فإنها تحرك الساق الطويل للأمام والخلف.  وبحركة الساق الطويلة فإنها تحرك أيضا قطعتين معدنيتين مثبتة عليهما شفرات الماسحة المتصلة مع الساق الطويلة مما يسمح بحركة شفرات الماسحة على زجاج السيارة كما في الشكل الموضح أدناه.

شفرات الماسحة Wiper Blades

شفرات الماسحة هي التي نقوم باستبدالها كل فترة من الزمن والتي تحتوي على قطعة جلدية تقوم بإزالة الماء عن زجاج السيارة،   ومن المفترض ان تعمل هذه الشفرات 1.5 مليون مسحة قبل استبدالها ويمكن زيادة فترة عمرها بتنظيفها باستمرار من الأوساخ والأتربة التي قد تكون علقت بها والتأكد من سلامة المماسك الستة أو الثمانية التي تثبت القطعة الجلدية بالماسحة التي تقوم بتوزيع الضغط بشكل متساوي على طول الماسحة.

مماسك شفرة الماسحة الجلدية ووظيفتها توزيع الضغط بانتظام على طول الماسحة اثناء حركتها على الزجاج

نقاط الارتكاز Pivot Points

تتشابه معظم السيارات في تصميم ماسحات الزجاج، حيث تظهر على شكل ماسحتين تتحركان مع بعضهما البعض لتنظيف السطح الخارجي لزجاج السيارة الأمامي. تثبت كل مساحة على نقطة ارتكاز الأولى قريبة من السائق والثانية في الوسط تقريبا.  والشكل التالي يوضح طريقة حركة مختلف أنواع ماسحات الزجاج.

أنواع مختلفة لأنظمة مسح زجاج السيارات

في بعض التصاميم تكون هناك ماسحة واحدة مثبتة على نقطة ارتكاز في المنتصف وأثناء حركة الماسحة تتمدد وتقصر في حركة منتظمة لتغطي اكبر مساحة ممكنة من زجاج السيارة.  ويظهر ذلك في الشكل أعلاه single arm controlled.

التحكم بالماسحة Wiper Controls

معظم أنواع الماسحات في السيارات يمكن التحكم في سرعتها اما بالزيادة أو النقصان علما بان سرعة الموتور لا تتغير إنما فقط يكون التحكم في فترة ثبات الماسحة بين كل مسحة وأخرى وكلما قلت المدة الزمنية لتوقف الماسحة تكون سرعتها اكبر وإذا كانت الفترة الزمنية للتوقف كبيرة كانت سرعة الماسحة قليلة.  وفي أنظمة الماسحات الحديثة يوجد 10 درجات مختلفة للتحكم في سرعة الماسحة بالإضافة إلى السرعة العادية والسرعة العالية كما يظهر في الشكل التالي ذراع التحكم بالماسحة المجاورة لمقود السيارة.

ذراع التحكم بتشغيل الماسحة وضبط سرعتها

مجسات المطر Rain-sensing Wipers

قامت بعض الشركات بتوفير أنظمة الكترونية تعتمد على مجسات تستطيع ان تلتقط الاهتزازات الناتجة عن ارتطام قطرات المطر بزجاج السيارة وبناء على ذلك تقوم بتشغيل الماسحات اتوماتيكيا وتتحكم بسرعتها بالدرجة المناسبة لشدة هطول المطر، ولكن هذه الأنظمة لم تثبت فعاليتها وكان لها الكثير من المشاكل.

اما في الوقت الحالي فتنتج شركة TRW أنظمة حديثة تعتمد على مجسات ضوئية لتحديد نسبة الرطوبة في الجو وكذلك مجسات حساسة للمطر.  تثبت هذه المجسات داخل السيارة وبجوار المرآة المركزية في السيارة المستخدمة للرؤية خلف السيارة.

يعتمد هذا المجس على الأشعة تحت الحمراء التي تنطلق من المجس على الزجاج الأمامي للسيارة بزاوية 45 درجة فإذا كان الجو جافا فان معظم الضوء سوف ينعكس إلى المجس مرة أخرى، ولكن إذا كان هناك قطرات مطر على الزجاج فان الضوء ينعكس في مختلف الاتجاهات أي يتشتت. وهذا يعني شدة الضوء المنعكس ستكون اقل وبذلك فان المجس يقوم بتشغيل الماسحات حسب شدة الضوء الذي رصده والذي يتناسب مع مقدار قطرات المطر على زجاج السيارة وإذا قلت قطرات المطر فان سرعة الماسحة وهكذا.

ولمزيد من المعلومات حول الموضوع يمكن الاستعانة بالروابط التالية:

Who invented the windshield wiper?

Patents: Robert Kearns and the intermittent windshield wiper

Windshield Wiper Repair Tips

GM Goodwrench Videos

والى اللقاء في موضوع جديد عن كيف تعمل الأشياء في السيارة

د.حازم فلاح سكيك