كيف تعمل القطارات المحلِّقة؟

كيف تعمل القطارات المحلِّقة؟
How Maglev Trains Work

By: Kevin Bonsor

ترجمة: مَعين يحيى بن جنيد (بتاريخ ٢٠٠٥/٥، ضمن سلسلة الترجمة التابعة للنادي العلمي السعودي. مع تصرفات طفيفة قمت بها بتاريخ نشر هذه التدوينة)

تدقيق علمي:عمرو مدني
تنسيق الصورة:نوف اللحياني

يعد السفر جوا -في الوقت الحالي- الوسيلة الفعالة و الاختيار الأجدى لكل من يرغب في السفر لمسافات طويلة -بل و قصيرة أحيانا- و على الرغم من شيوع تأخر الرحلات -أو تعطلها كما حدث في حادلة بركان ايسلندا عام ٢٠١٠م-، إلا أن الطائرات تظل الوسيلة الأسرع للسفر لمسافات طويلة.
أما البدائل الأخرى للطيران: كالسيارات، و الحافلات، و القطارات التقليدية و السفن فإنها 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 (أي أنها حقيقة تطفو فوق السكة بدون أي احتكاك معدني!)
في هذا المقال سوف نتعرف على كيفية عمل “الدفع الكهرومغناطيسي” Electromagnetic Propulsion، و كذلك على نوعين من القطارات المحلقة و كيفية عملهما، و أين توجد تلك القطارات 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 يستمر بشكل 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 الرئيسة خلف نظام شبكة القطارات المحلقة.

و هناك ثلاثة أجزاء لهذا النظام:
* مصدر رئيس للطاقة 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 تحتوي على محرك –تحديدا ذلك النوع من المحركات التي تُستخدم لتحريك القطارات العادية على طول السكة الحديدية-.  بالأحرى فإن محرك القطارات المحلقة غير ملحوظ فبدلا 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 (فولت) على الملفات داخل جانبي مسار التوجيه لينشأ عن ذلك نظام 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 الحديثة في العديد من الدول حاليا.
حيث 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

ملحوظة:
هذا الموضوع نشرته في موقع منتديات النادي العلمي السعودي بالتعاون مع دار الترجمة فجزاهم الله خيرا.

10 آراء على “كيف تعمل القطارات المحلِّقة؟”

  1. اود ان اعلم كيف تكون الملفات المغناطيسية في السكة الحديدية وفي القطار هل يكون فيه ملف مغناطيسي اف لا ارجو توضيح ذلك بالرسم 3D او PDF مع جزيل الشكر

  2. يعطيكم العافيه وان شاءالله يفيدني ف بحثي
    بس سؤال ابي تطبيقات عليه يعني على الاختراع نفسه
    وش الاساس العلمي اللي تبنى عليه القطارات
    كمان وش تاثيره على المجتمع
    وكيف تطور وف اي مدينه بدا وويين طبقوها

    وافكار ثانيه لو عندكم

    بوركتم

    1. حياك الله أخي سامي و يعطيك العافية.

      إذا لا تمانع الاطلاع على موضوعات إنجليزية، فأنصحك بالموضوعات الخفيفة التالية (من ويكيبيديا):

      عن تقنية التحليق المغناطيسي و بعض استخداماتها -بما فيها القطارات المحلقة-: https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_levitation

      عن القطارات الملحقة. تاريخها، أنواعها، تقنياتها، اقتصاديتها: https://en.wikipedia.org/wiki/Maglev

      تحياتي
      مَعين

    1. حاولت أن أبحث عن بعض المصادر:
      لكن لا أنصح بشراء أي شيء قبل التأكد من فائدته، و إذا كنت طالبة في الجامعة فقد تتمكني من الوصول إلى نسخة إلكترونية مجانا -سواء للكتب أو الأبحاث- فاسألي مكتبتك. وإلا فحاولي التواصل مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية فقد يكون لديهم خدمة توفير المصادر -ترسل المصادر بالإيميل حسب ما سمعت-. أو تواصلي مع المكتبة الرقمية السعودية فهم أيضا يوفرون مصادر كثيرة جدا -كتب رقمية وأبحاث-.

      علما بأنني جمعت هذه العناوين بدون الاطلاع محتواها.

      كتاب من أمازون: http://goo.gl/YmKz7O

      بحث يتعلق بمحاكاة نوع من القطارات المحلقة: http://goo.gl/ndbWNZ

      بحث (الرابط لملف PDF) عن نمذجة ومحاكاة القطارات المحلقة: https://goo.gl/hUnrFJ

      وبالتوفيق.

  3. السلام عليكم اخ معين عملت على الارسال مرارا وتكرارا ولم يحالفني الحظ
    حاولت اتوصل اليك عن طريق تويتر ويبدوا انك غير موجود
    اود شكرك كثيرا على مجهودك ومساعدتك ولكن البحث لم يقبل به
    الدكتور القائم علي وابلغني بتغييره واخذ من كتب ومراجع
    فهل لك بمساعدتي مرة اخرى؟

    1. وعليكم السلام عزيزي سامي،

      يوجد لدي حساب في تويتر وهو maienbinjonaid، وبإبمكانك مراسلتي بالإيميل عن طريق نموذج التواصل http://www.physlad.com/%D9%84%D9%84%D9%85%D8%B1%D8%A7%D8%B3%D9%84%D8%A9/

      في آخر رد لي -على شخص آخر- أشرت إلى كتاب من أمازون: http://goo.gl/YmKz7O حاول أن تحصل عليه عن طريق مكتبة الجامعة التي تدرس بها، أو عن طريق مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية أو عن طريق المكتبة الرقمية السعودية – أو أي وسيلة أخرى للحصول على الكتب.

      علما بأنني لم أطلع على الكتاب.

      أيضا لو بحثت في محرك جوجل الخاص بالأبحاث، ستجد عناوين لأبحاث كثيرة، ربما يفيدك بعضها
      https://scholar.google.co.uk/scholar?hl=en&q=magnetic+levitation+train+or+maglev+train&btnG=&as_sdt=1%2C5&as_sdtp=

      تحديدا، ربما تفيدك هذه المراجعة (عليها أكثر من 200 إشارة مرجعية): http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=1644911&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D1644911

      وأكرر حاول الحصول عليها عن طريق اشتراكات الجامعة أو المدينة أو المكتبة الرقمية.

      تحياتي وبالتوفيق

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.