الإطارات... اختراع غير مجرى البشرية

الإطار عبارة عن غلاف مطاطي قوي ومرن متصل بحافة العجلة. توفر الإطارات سطحا قابلا للثبات وتعمل كوسادة لعجلات مركبة متحركة. في المقال التالي سوف نستعرض الاطارات... اختراع غير مجرى البشرية.

الاطارات.

توجد الإطارات في السيارات والشاحنات والحافلات ومعدات هبوط الطائرات والجرارات والمعدات الزراعية الأخرى والمركبات الصناعية مثل الرافعات الشوكية ووسائل النقل الشائعة مثل عربات الأطفال وعربات التسوق والكراسي المتحركة والدراجات والدراجات النارية.

إطارات معظم المركبات تعمل بالهواء المضغوط؛ يتم الاحتفاظ بالهواء تحت الضغط داخل الإطار. حتى وقت قريب، كانت الإطارات الهوائية تحتوي على أنبوب داخلي لتثبيت ضغط الهواء، ولكن الإطارات الهوائية مصممة الآن لتشكيل ختم ضغط مع حافة العجلة.

بداية اختراع الاطارات.

طور المخترع الاسكتلندي روبرت طومسون الإطار الهوائي بأنبوب داخلي في عام 1845، لكن تصميمه كان سابقا لعصره ولم يحظى باهتمام كبير. تم إعادة اختراع الإطار الهوائي في ثمانينيات القرن التاسع عشر بواسطة اسكتلندي آخر، هو جون بويد دنلوب، وأصبح شائعا على الفور بين راكبي الدراجات.

المطاط الطبيعي هو المادة الخام الرئيسية المستخدمة في تصنيع الإطارات، على الرغم من استخدام المطاط الصناعي أيضا. من أجل تطوير الخصائص المناسبة للقوة والمرونة ومقاومة التآكل، يجب معالجة المطاط بمجموعة متنوعة من المواد الكيميائية ثم تسخينه. اكتشف المخترع الأمريكي تشارلز جوديير عملية تقوية المطاط، المعروفة باسم الفلكنة أو المعالجة، وذلك عن طريق الصدفة في عام 1839. كان يجرب المطاط منذ عام 1830 ولكنه لم يتمكن من تطوير عملية معالجة مناسبة. أثناء تجربة خليط من المطاط الهندي والكبريت، أسقط جوديير الخليط على موقد ساخن. حدث تفاعل كيميائي، وبدلاً من الذوبان، شكل خليط المطاط والكبريت كتلة صلبة. واصل تجاربه حتى تمكن من معالجة الصفائح المطاطية المستمرة.

اليوم، تنتج المصانع الكبيرة والفعالة التي يعمل بها عمال مهرة أكثر من 250 مليون إطار جديد سنويا. على الرغم من أن الذكاء الصناعي تدخل في العديد من الخطوات في عملية التصنيع، إلا أن العمال المهرة لا يزالون مطلوبين لتجميع مكونات الإطار.

المواد الخام.

المطاط هو المادة الخام الرئيسية المستخدمة في تصنيع الإطارات، ويستخدم المطاط الطبيعي والصناعي. تم العثور على المطاط الطبيعي على شكل سائل حليبي في لحاء شجرة المطاط. لإنتاج المطاط الخام المستخدم في تصنيع الإطارات، يتم خلط مادة اللاتكس السائل مع الأحماض التي تتسبب في تصلب المطاط. تقوم المطابع بضغط المياه الزائدة وتشكيل المطاط إلى صفائح، ثم يتم تجفيف الألواح في مداخن طويلة، وضغطها في بالات ضخمة، وشحنها إلى مصانع الإطارات حول العالم. يتم إنتاج المطاط الصناعي من البوليمرات الموجودة في النفط الخام.

المكون الأساسي الآخر في مطاط الإطارات هو أسود الكربون. أسود الكربون عبارة عن مسحوق ناعم يتم إنشاؤه عند حرق النفط الخام أو الغاز الطبيعي بكمية محدودة من الأكسجين، مما يتسبب في احتراق غير كامل وخلق كمية كبيرة من السخام الناعم. هناك حاجة إلى الكثير من الكربون الأسود لتصنيع الإطارات لدرجة أن عربات السكك الحديدية تنقلها والصوامع الضخمة تخزن أسود الكربون في مصنع الإطارات حتى يتم الاحتياج إليه.

كما يستخدم الكبريت ومواد كيميائية أخرى في الإطارات. تنتج مواد كيميائية معينة، عند مزجها بالمطاط ثم تسخينها، خصائص إطارات محددة مثل الاحتكاك العالي (ولكن عدد الأميال المنخفض) لإطار السباق أو الأميال العالية (ولكن الاحتكاك المنخفض) لإطار سيارة الركاب. تحافظ بعض المواد الكيميائية على مرونة المطاط أثناء تشكيله في إطار بينما تحمي المواد الكيميائية الأخرى المطاط من الأشعة فوق البنفسجية في ضوء الشمس.

تصميم الاطارات.

الملامح الرئيسية لإطار سيارة الركاب هي المداس والجسم مع الجدران الجانبية والخرز. المداس هو النمط المرتفع الملامس للطريق. يدعم الهيكل المداس ويمنح الإطار شكله الخاص. الخرزات عبارة عن حزم من الأسلاك المعدنية مغطاة بالمطاط والتي تثبت الإطار على العجلة.

تلعب أنظمة الكمبيوتر الآن دورا رئيسيا في تصميم الإطارات. يسمح برنامج التحليل المعقد الذي يعمل على سنوات من بيانات الاختبار لمهندسي الإطارات بمحاكاة أداء تصميم المداس ومعايير التصميم الأخرى. ينشئ البرنامج صورة ملونة ثلاثية الأبعاد لتصميم إطار محتمل ويحسب تأثيرات الضغوط المختلفة على تصميم الإطار المقترح. توفر عمليات المحاكاة الحاسوبية المال لمصنعي الإطارات لأنه يمكن اكتشاف العديد من قيود التصميم قبل تجميع الإطارات من النوع الأولي واختبارها بالفعل.

بالإضافة إلى اختبارات تصميم المداس وبناء هيكل الإطارات، يمكن لأجهزة الكمبيوتر محاكاة تأثيرات أنواع مختلفة من مركبات المطاط. في إطارات سيارات الركاب الحديثة، يمكن استخدام ما يصل إلى عشرين نوعا مختلفا من المطاط في أجزاء مختلفة من الإطار. يمكن استخدام مركب مطاطي واحد في المداس من أجل الجر الجيد في الطقس البارد؛ مركب آخر يستخدم لزيادة الصلابة في الجدران الجانبية للإطار.

بعد أن يشعر مهندسو الإطارات بالرضا عن دراسات الكمبيوتر لإطار جديد، يعمل مهندسو التصنيع ومجمعو الإطارات المهرة مع المصممين لإنتاج نماذج أولية للإطارات للاختبار. عندما يكون مهندسو التصميم والتصنيع راضين عن تصميم جديد للإطارات، تبدأ مصانع الإطارات في الإنتاج الضخم للإطار الجديد.

يقدم تاريخ الإطارات مثالاً ممتازا على الكيفية التي يمكن أن تؤدي بها الابتكارات في صناعة ما إلى تغييرات هائلة في صناعة أخرى. ببساطة، أدى "انطلاق" صناعة السيارات إلى تحويل صناعة المطاط خلال السنوات الأولى من القرن العشرين. ركزت صناعة المطاط في أواخر القرن التاسع عشر على إنتاج الأحذية وإطارات الدراجات والعربات. بحلول الحرب العالمية الأولى، كانت الإطارات المطاطية والسيارات مرادفة فعليا في ذهن الجمهور. سبعة آلاف سيارة جديدة من مبيعات عام 1901 رافقت مبيعات 28000 إطار كمعدات أصلية (OE) و 68000 إطار بديل إضافي. بحلول عام 1918، مع تشكل الإطارات حوالي خمسين بالمائة من مبيعات المطاط، تجاوزت مبيعات إطارات OE أربعة ملايين سيارة جديدة تم إنتاجها، وبلغ إجمالي إنتاج الإطارات 24.5 مليون.

ترافقت هذه الزيادة الهائلة في الإنتاج مع ظهور شركات معروفة الآن مثل Goodyear و Goodrich و Firestone، وتشكيل مركز الصناعة في أكرون، أوهايو. وبينما ارتفعت العمالة، لم يكن بالإمكان زيادة الإنتاج إلا بمساعدة التكنولوجيا. كان الابتكار الأساسي هو ميكنة البناء الأساسي. قبل عام 1910، كان يتم بناء الإطارات بواسطة عمال يقومون بمد كل طبقة والخرز حول قلب حديدي وتثبيتها بالأسمنت وخياطتها. في عام 1909، حصلت شركة W.C State التابعة لشركة Goodyear على براءة اختراع لآلة تحمل الطبقات والخرز والمداس على بكرات محمولة على برج مركزي. قام العامل بسحب المادة المناسبة على القلب بينما كان المحرك الكهربائي للآلة يحمل الشد المناسب حتى يتمكن العامل من إنهاء التثبيت والغرز. ظلت المهارة والبراعة مهمة، لكن آلة البناء الأساسية قامت بتبسيط وتسريع الإنتاج من ستة إلى ثمانية إطارات في اليوم لكل عامل إلى عشرين إلى أربعين في اليوم، اعتمادا على النوع.