تحريك جدران القصر آليًا: المسلمون و«الحيل النافعة»

ازدهرت تقنيات الهندسة الميكانيكية في العالم الإسلامي منذ بداية القرن الثالث الهجري (التاسع الميلادي)، وعرفت آنذاك بعلم الحيل النافعة، وكانت عبارة عن مجموعة من الآلات والتجهيزات التي يعتمد البحث فيها على حركة الهواء (الأيروديناميكا Aerodynamics)، أو حركة السوائل واتزانها (الهيدروديناميكا Hydrodynamics والهيدروستاتيكا Hydrostatics).

ولا شك في أن علماء الحضارة الإسلامية اطلعوا على بعض ما تركه أبناء الحضارات السابقة من قدماء المصريين والفرس والهنود والصينيين والإغريق، إلا أنهم نجحوا في صقل كافة هذه الخبرات عبر إجراء مزيد من التجارب التطبيقية والتطوير؛ وعليه تم الوصول إلى النتائج الأكثر دقة، إضافة إلى تصحيح الأخطاء السابقة، وإضافة القواعد الخاصة به. كما نتج عن ذلك أيضًا مكتبة ضخمة من الكتب الرائدة، التي استمر الاستفادة منها لعدة قرون.

كل ذلك يثير الفضول للتعرف عن قرب على بعض ما قدمه علماء الحضارة العربية والإسلامية، وذلك من خلال عرض بعض النماذج التي تندرج تحت مظلة الهندسة الميكانيكية بلغة الحاضر، حيث إن معظم هذه النماذج عبارة آلات لا غنى عنها اليوم مثل الساعات والمحركات وغير ذلك.

آلة شواء بقوة البخار (بداية عصر التوربينات)

قام تقي الدين الشامي المتوفى في 1585م بوضع المحرك البخاري الأول في عام 1551م كمحاولة أولى لتدوير السفود (أسياخ الشواء). على الأرجح يُعد تقي الدين هو صاحب الاستخدام الأول في التاريخ للبخار من أجل توليد قوة حركية (ميكانيكية). وقد تناول بالشرح في مؤلفاته كيفية هذه الحركة والاستفادة منها، حيث إن السيخ الذي يحمل اللحم على النار يدور وحده من دون أي قوة من البشر أو الحيوان.

وتم ذلك حيث جعل طرف السفود على هيئة عجلة مستديرة ولها أجنحة، وفي مقابلها إبريق مجوف من النحاس ذات رأس مغلقة ومملوء بالماء، حيث يتم وضع فوهة الإبريق أمام أجنحة العجلة المستديرة، ومن تحته النار وسوف يصدر البخار من الفوهة البخار ليدير أجنحة العجلة لتتحرك الأسياخ تلقائيًا، وعندما تنتهي الماء من الإبريق ثم يتم غمس فوهة الإبريق في الماء البارد، فتجذب الحرارة الماء من الحوض إلى الإبريق، وسوف يعود البخار إلى تدوير أجنحة العجلة من جديد.

وفي عام 1629م (بعد نحو 80 عامًا من محاولة تقي الدين) وصف المهندس الإيطالي «جيوفاني برانكا» التوربينات البخارية. كذلك في عام 1648م (أي بعد نحو 100 عامٍ من محاولة تقي الدين) وصف الفيلسوف والمؤلف الموسوعي الإنجليزي جون ويلكنز محركًا بخاريًا لتدوير المراوح في كتابه «سحر الرياضيات».

الإخوة بنو موسى: الآلات ذاتية التشغيل

في 850 م استخدم الثلاثة محمد وأحمد وحسن أبناء موسى بن شاكر (أخوة مهندسون عاشوا في بغداد) مبادئ علم سكون الموائع أو بالهيدروستاتيكا (سكون الموائع يدرس توازن واستقرار السوائل والغازات) في تصميم كثير من الآلات الميكانيكية، حيث اعتمدوا على توازن السّوائل، واستخدموا الصّمّامات الّتي تعمل تلقائيًا، والأنظمة الّتي تعمل بعد زمن معيّن، وغير ذلك من مبادئ التّحكّم الآليّ، حيث ابتكروا عددًا من المعدات الزراعية، والنافورات التي تظهر أشكالًا مختلفة بالمياه الصاعدة إلى الأعلى، كما قدموا عديدًا من الآلات ألعاب الأطفال المعتدة على الحركة، كما وضعوا شرحًا مفصلًا عن بعض الآلات المتحركة لجر الأثقال أو رفعها.

أيضًا اخترع الإخوة بنو موسى أول آلة موسيقية ميكانيكية تعمل بالطاقة المائية من خلال تشغيل أسطوانات قابلة للتبديل تلقائيًا، وهذه الأسطوانات ذات دبابيس على سطحها. ظلّت الجهاز الأساسي لإنتاج وإعادة إنتاج الموسيقى تلقائيًا حتى النصف الثاني من القرن التاسع عشر.

كما صنعوا زجاجة من أنبوبين، يُسكب في كل منهما الماء الملون وعند صب الماء يتدفق كل لون من الأنبوب المعاكس له. هذا على عكس دُمى الحيوانات التي تصدر أصواتًا اصطناعية، مثل جهاز الثور الذي يصدر صوتًا يشير إلى انتهاء عملية الشرب، هذا بجانب أنهم أدخلوا مصباحًا لا ينطفئ حتى عند تعرضه لرياح، ومصباحًا آخر يسحب فتيله ويصب الزيت الخاص به تلقائيًا.

يضاف إلى ذلك أنهم أقاموا حوضًا للحيوانات يزيد من كمية الماء في حالة نقصه. كما اهتموا بالوقت وصنعوا ساعة نحاسية ضخمة تم تركيبها في مرصد «سر مان رع» في بغداد، وتحتوي على دمية تصدر أصواتًا أو نغمات في أوقات معينة، بما في ذلك دمية طائر يصدر أصواتًا في بعد الأوقات.

حضارات العالم تجتمع في ساعة الفيل

من إبداعات الجزري المهمة ساعة الفيل الأسطورية، ففي نهاية القرن الثاني عشر، صنع الجزري هذه الساعة المعقدة، التي جمعت علامات وأشكالًا تعبر عن تنوع الحضارات الإنسانية، لإظهار الطابع العالمي للإسلام، الذي انتشر من إسبانيا إلى آسيا الوسطى.

الساعة على شكل فيل ضخم يعلوه منزل صغير، والفيل يتحكم فيه الروبوتات أو الدُمى المتحركة، ويوجد تنين وعنقاء، بينما يمثل الفيل نفسه الحضارة الهندية، والتنين يشير الحضارة الآسيوية، وطائر العنقاء يعبر عن حضارة مصر القديمة، والروبوت أو الدُمية ذات العمامة رمز الحضارة العربية الإسلامية، هذا بخلاف لسجاد الفارسي المستخدم. ولصناعة هذه الساعة طبق الجزري تقنيات مهمة في علم الميكانيكا مثل الأوزان وسلسلة نقل الحركة الميكانيكية.

الساعة الفلكية والمزاول في المساجد

في أوائل القرن الثاني عشر الميلادي، طور علماء الفلك المسلمون الساعة الفلكية والمزولة الشمسية (أداة توقيت نهارية) واستخدموها في المساجد. ومن أشهر من أسهم في تطويرهم الجزري وابن الشاطر وأبو الريحان البيروني. وقد اتفقت الآراء على أن اليوم مقسمًا إلى 12 جزءًا بغض النظر عن الموسم. وقد اخترع ابن الشاطر ساعات متساوية الطول على أساس علم المثلثات وذلك عام 1371م.

أدرك ابن الشاطر إذا استخدام ساعة شمسية موازية لمحور الأرض سوف يحصل على ساعة شمسية تعرض قيمًا ثابتة للوقت على مدار العام. وساعة ابن الشاطر هي أقدم ساعة بها محور قطبي، لذلك تم إحضار هذا المفهوم إلى الغرب عام 1446م. كما أنشأ تقي الدين الشامي في وقت لاحق ساعة لمرصده في إسطنبول، وهو ابتكار مهم منذ القرن السادس عشر في علم الفلك التطبيقي، حيث لم تكن الساعات دقيقة بما يكفي لاستخدامها في الأغراض الفلكية حتى القرن العشرين.

أنواع أخرى من الساعات

هناك ساعة لقياس الوقت يعود الفضل في صناعتها اللعالِم العربي الأندلسي عباس بن فرناس في اختراع الساعة الخاصة بقياس الوقت الزمني، وبخاصة أوقات الصلاة. سميت الميقاتة. كما أن هناك الساعة الفلكية والمزاول التي تخص المساجد، حيث إنه في أوائل القرن الثاني عشر الميلادي، طور علماء الفلك المسلمون الساعة الفلكية والمزولة الشمسية (أداة توقيت نهارية) واستخدموها في المساجد. ومن أشهر من أسهم في تطويرها الجزري وابن الشاطر وأبو الريحان البيروني.

وقد اخترع ابن الشاطر ساعات متساوية الطول على أساس علم المثلثات وذلك عام 1371م. أدرك ابن الشاطر إذا استخدام ساعة شمسية موازية لمحور الأرض سوف يحصل على ساعة شمسية تعرض قيمًا ثابتة للوقت على مدار العام. وساعة ابن الشاطر هي أقدم ساعة بها محور قطبي، لذلك تم إحضار هذا المفهوم إلى الغرب عام 1446م. كما أنشأ تقي الدين الشامي في وقت لاحق ساعة لمرصده في إسطنبول، وهو ابتكار مهم منذ القرن السادس عشر في علم الفلك التطبيقي، حيث لم تكن الساعات دقيقة بما يكفي لاستخدامها في الأغراض الفلكية حتى القرن العشرين.

مضخات ومحطات رفع مياه

هناك عديد من الاختراعات التي تخصصت في استخدامات المياه على نطاق كبير. وكان من رواد هذا المجال هو الجزري المتوفى عام 1206م، ومن أهم الاختراعات التي وضعها: مضخات سلسلة الساقية، حيث تعد أول استخدام معروف لآلية التنظيم كميات بشكل متساو، وقد تم العثور عليها في إحدى السواقي. كما قام الجزري ببناء مضخة سلسلة الساقية لتجميع المياه، التي تستخدم الطاقة الكهرومائية بدلًا من العمل اليدوي. وكانت آلات الساقية تزود دمشق بالمياه من القرن الثالث عشر الميلادي حتى يومنا هذا. كما قدم الجزري شبكة توزيع المياه على المناطق المختلفة بدمشق لتزويد المساجد والمستشفيات بالمياه.  

أما عن آلات رفع المياه، فهي عبارة عن مضخة مياه تستخدم عجلة لرفع المياه إلى ارتفاع 11 مترًا، باستخدام التدفق الطبيعي للنهر، حيث تخلق العجلة المائية دورانًا ثابتًا باستمرار، ينقل الترس المرتبط بالعمود هذه الحركة إلى ترس آخر. كما يوجد أيضًا مضخة شفط مزدوجة العمل حيث استخدم الجزري الطرق القديمة للصمامات وآلية قابض العمود المرفقي (عمود الكرنك لتحول الحركة الدائرية إلى حركة ترددية)، لتشغيل هذه المضخة بواسطة عجلة مائية، التي تستخدم نظام تروس تقود قضيب إمالة متصلًا بقضبان مكبس، وتتحرك المكابس في أسطوانات متعاكسة أفقيًا، وكل منها مزود بأنابيب شفط تعمل بالصمام وأنابيب توصيل متصلة عبر مركز الماكينة لتشكيل منفذ واحد في نظام الرش.

تشكل الوصلات المتصلة من خلال منتصف الماكينة مخرجًا واحدًا في نظام الري، وتعتبر المضخة غير عادية من حيث إنها تعد أول استخدام معروف لأنبوب فراغ حقيقي (الذي يسحب السوائل في فراغ جزئي) في مضخة. وهو أيضًا أول تطبيق لمبدأ التمثيل الرباعي. كما أنه يحول الحركة الدورانية إلى حركة ترددية. يمكن لمضخة الشفط هذه ضخ 13.6 متر من الماء مع الأنابيب المتصلة. كان هذا أكثر تقدمًا من مضخات الشفط التي ظهرت في أوروبا في القرن الخامس عشر، التي لم يكن بها أنابيب توصيل.

الرف الأوتوماتيكي للمصحف والحائط المتحرك

علي بن خلف المرادي عاش في القرن الحادي عشر الميلاد، عالم ومهندس أندلسي، قام ببناء عديد من الساعات المعقدة والأجهزة الجديدة آنذاك، وكذلك أجزاء مهمة من الطواحين والمكابس، وشرح 31 لأنواع الآلات الميكانيكية ومزولة متطورة جدًا آنذاك.

وفي مسجد قرطبة الكبير، قدم منصة خشبية كبيرة تفتح من تلقاء نفسها وتقدم نسخة من المصحف محمولة على رف دون أن يلمسه شخص، حيث يتم وضع المنصة على رف متحرك مع حزام وآلة غير مرئية في مكان آخر، يقدم المرادي شرحًا مفصلاً لتقنية متطورة أخرى في قصر جبل طارق، حيث يتم تحريك جدران مقصورة الخليفة تلقائيًا بواسطة الأجهزة الموجودة في غرفة المحرك المجاورة.

عبد الرحمن الخازني: وزن الهواء

أدرك عبد الرحمن الخازني المعروف بأبي الفتح (1115 – 1155م) وزن الهواء، معنى ذلك يعني أن وجود الجسم في الهواء لا يعني وزنه الحقيقي، بل ينقصه وزن الهواء بنفس بقدر حجم ذلك الجسم؛ وذلك يعني أن العالم الغربي تورتشيلى ليس هو أول من تحدث عن الهواء كما يزعم الغرب، بل العالم العربي المسلم عبد الرحمن الخازن الذي تناول وزن. كما أثبت أن للهواء قوة رافعة كالسوائل، وأن وزن الجسم العالق في الهواء بالتأكيد يقل عن الوزن الحقيقي للجسم، وأن ما يقل منه يعتمد على كثافة الهواء. وكل هذه النظريات ساعدت في أمور مهمة كالطيران مثلا.

رصد الخازني ظاهرة الجاذبية ووصف خصائص الجذب، كما رصد العلاقة بين سرعة الجسم والمسافة التي يقطعها وما يستغرقه من الزمن، الأمر الذي يعد بمثابة نقطة البداية لصياغة قانون الجاذبية عند نيوتن (1642 – 1727 م). كما تحدث الخازني عن إيجاد العلاقة بين وزن الهواء وكثافته، وأوضح أن وزن المادة يختلف في الهواء الكثيف عن الهواء الخفيف أو الأقل كثافة، وذلك يرجع لاختلاف الضغط الجوي. كما اخترع الخازن ميزانًا غريبًا بغرض وزن الأشياء في الهواء والماء، واخترع آلة لقياس الثقل النوعي للسوائل واستخراج الثقل النوعي لعديد من السوائل والمعادن.  احتفظ الخازني بكل هذه المجهودات العلمية العظيمة في كتابه ميزان الحكمة الذي ظل المرجع الأساسي لعلم الميكانيكا لمئات السنين، الذي تُرجم إلى اللغات الغربية، وأصبح أحد المراجع الأساسية في الجامعات الأوربية.

علم حركة الهواء (الأيروديناميكا – Aerodynamics)

قام عباس بن فرناس بأول رحلة طيران ناجحة عام 850 م في قرطبة (بإسبانيا حاليًا). بدأ عباس بن فرناس التجربة بوصف حركة الطيور وأجنحتها، وكذلك تحليقها في الهواء، ثم أجرى عديدًا من التجارب  الهندسية المرتبطة بحركة الهواء من خلال مراعاة الوزن والسرعة والرياح وغيرها من القضايا الحساسة التي سوف تحدث الفارق، وبالفعل طار لمدة دقائق.

لم يكن عباس بن فرناس الوحيد فقد حاول أبو نصر إسماعيل بن حماد الجوهري. أصله من فاراب (تقع في كازاخستان حاليًا)، قبل عام 1005م محاولة الطيران ولكن حساباته لم تكن دقيقه بشكل كاف إذ توفي أثناء التجربة. أما المحاولة الأكثر نجاحًا فهي رحلة طيران عابرة للقارات قام بها أحمد چلبي المعروف بـ«هزارفن» أي صاحب ألف فن، وهو عالم مسلم عثماني ولد عام 1609م في إسطنبول. قام بتسع محاولات للطيران ولمسافات قصيرة في إسطنبول ونجح فيها كلها. بعد ذلك قام بتجربته المعروفة باسم بالطيران الكبير عام 1632م، حيث نجح بقطع مسافة 3358 مترََا بالطيران باستخدام أجنحة اصطناعية من أعلى برج جلاطة الذي في يقع في القسم الأوروپي من مدينة إسطنبول ووصل إلى منطقة أوسكودار التي تقع في القسم الآسيوي من إسطنبول، حيث يفصل بينهما مضيق البسفور.

جهاز أوتوماتيكي لسحب عينة الدم

كان شائعًا في وقت الطبيب جالينوس (الحضارة اليونانية القديمة) وصف استخراج بعض الدم من جسم المريض حسب العمر والوزن والموسم. كان هناك دائمًا عديد من المرضى ينتظرون سحب الدم وكان على الطبيب أن يأخذ الكمية الدقيقة من الدم من جسم المرضى بشكل دقيق، وهو ما لم يكن سهلاً في ذلك الوقت. قام الجزري، المتوفى عام 1206م، بحل هذه المشكلة من خلال أنه صمم جهاز لاستخراج الدم من جسم المريض إلى الوعاء السفلي، حيث أن مقدار وزن وعوامة متوازنة بحبل ملفوف حول القطعة، مما يزيد من كمية الدم المطلوب سحبها، كما يمكن للممرضة رؤية كمية الدم المسحوبة في نفس الوقت.