نحن نعلم جميعا أهمية الكوابح (أو الفرامل كما يشار إليها عادة) في السيارة ودورها في إيقاف السيارة أو إبطاء سرعتها عند الضرورة. إن ذلك يعني ببساطة أنه لولا الكوابح لما أمكننا أبدا إيقاف السيارة أو السيطرة عليها في الطرقات. وطريقة استخدام هذا النظام بسيطة جدا، حيث يكفي الضغط على دواسة الكبح لإيقاف السيارة. ولكن كيف تنقل السيارة القوة من قدمك إلى الإطارات؟ وكيف تتضاعف هذه القوة إلى أن تكون كافية لإيقاف كتلة ضخمة مثل كتلة السيارة؟

في هذا المقال سوف نتتبع بشيء من التبسيط سلسلة العمليات التي تنقل القوة من الدواسة إلى الإطار، وفي طريقنا سوف نوضح المفاهيم الأساسية التي يعمل على أساسها نظام الكبح.

ويبدأ عمل نظام الكبح بالضغط على الدواسة، وعلى الفور تنقل السيارة قوة الضغط من قدمك إلى نظام الكبح من خلال سائل. وحيث إن الكوابح في الواقع تحتاج قوة أكبر بكثير من قوة الضغط على الدواسة فإن السيارة يجب أن تضاعف هذه القوة. وهي تفعل ذلك بطريقتين:

- نظام الرافعة

- القوة الهيدروليكية

تنقل الكوابح القوة إلى الإطارات عن طريق الاحتكاك، وكذلك تنقل الإطارات بدورها هذه القوة إلى أرضية الطريق بنفس الطريقة، أي طريقة الاحتكاك. وقبل توضيح مكونات نظام الكبح، دعنا نشرح بتبسيط المفاهيم الأساسية التي وردت أعلاه، أي نظام الرافعة والقوة الهيدروليكية والاحتكاك.

نظام الرافعة

الدواسة مصممة بحيث يمكنها مضاعفة قوة ضغط قدمك عدة مرات قبل أن تنتقل القوة إلى سائل الكبح.

في الشكل رقم(1) تطبق قوة (F) على الطرف الأيسر من الرافعة، وحيث إن طول الجانب الأيسر من الرافعة (2X) يساوي ضعف طول الجانب الأيمن (X) فإن القوة الناتجة على الجانب الأيمن (2F) تساوي ضعف القوة المطبقة على الجانب الأيسر (F)، ولكنها تعمل على نصف المسافة (Y) التي يتحركها الطرف الأيسر(2Y). وبتغيير أطوال كل من الجانبين الأيسر والأيمن يمكن الحصول على مضاعفات مختلفة للقوى على الجانب الأيمن.

القوة الهيدروليكية

الفكرة الأساسية التي تقوم عليها طريقة أي نظام هيدروليكي بسيطة جدا: يتم نقل قوة مطبقة على نقطة معينة إلى نقطة أخرى باستخدام سائل غير قابل للانضغاط، يكون عادة زيتا من أي نوع، وفي معظم هذه النظم تتضاعف القوة الناتجة على الطرف الآخر.

وفيما يلي شرح مبسط لطريقة عمل نظام هيدروليكي بسيط.. في الشكل رقم(2) مكبسان (باللون الأحمر) مركبان بداخل أسطوانتين مليئتين بالزيت (باللون الأزرق الفاتح) وموصلتين، كل منهما بالأخرى، عن طريق أنبوب مليء بالزيت.

وعند تطبيق قوة إلى أسفل في الأسطوانة اليسرى تنتقل هذه القوة إلى الأسطوانة اليمنى عبر زيت الأنبوب. ولأن الزيت غير قابل للانضغاط فإن كامل القوة المطبقة في الأسطوانة اليسرى تنتقل إلى الأسطوانة اليمنى. والأنبوب الموصل بين الأسطوانتين قابل للإطالة أو التقصير، كما أنه قابل للتفريع وبذلك يمكن الحصول على أنواع مختلفة من النظم الهيدروليكية.

ولكن كيف يمكن مضاعفة القوة في النظم الهيدروليكية؟ يمكن ذلك ببساطة بتغيير حجم كل من الأسطوانة والمكبس في أحد طرفي النظام (انظر الشكل رقم (3)).

في الشكل قطر الأسطوانة اليسرى (قطر المكبس) يساوي 2 بوصة في حين إن قطر الأسطوانة اليمنى يساوي 6بوصات. وبتطبيق عمليات رياضية بسيطة سوف يتضح أن تطبيق أي قوة على الجانب الأيسر ينتج قوة تعادل تسعة أضعاف هذه القوة على الجانب الأيمن، وبتغيير قطر المكبس يمكن الحصول على نواتج مختلفة من القوى على الجانب الأيمن.

الاحتكاك

الاحتكاك هو مقياس مدى صعوبة تزحلق جسم فوق جسم آخر.. انظر إلى الشكل رقم (4)، كلتا الكتلتين في الشكل مصنوعة من مادة واحدة ولكن إحداهما أثقل من الآخر. ولا شك أننا جميعا نعلم أي من الكتلتين أصعب في التحريك بالنسبة للبلدوزر، ولكن ما تفسير ذلك؟ رغم أن كلا من الكتلتين تبدو ملساء للعين المجردة إلا أنهما في الواقع في غاية الخشونة عندما ننظر إليهما من الداخل بالمجهر الإلكتروني، حيث يتكون كل منهما من عدد كبير من (القمم والوديان) متداخلة كل منها في الأخرى، وقد تلتحم كل منها في الأخرى، وكلما كانت الكتلة كبيرة زاد معدل التداخل بينها، ولذلك فإن القوة المطلوبة لتحريك كتلة ما فوق كتلة من نفس المادة تتناسب مع وزن الكتلة. وينطبق هذا المفهوم على أنظمة مثل الكوابح وأجهزة نقل السرعة في السيارة، حيث يبذل ضغط على قرص دوار، ويؤدي توقف دوران القرص بدوره إلى توقف السيارة. وفيما يلي شكل مبسط لنظام الكبح، ويتضح من الشكل رقم(5) أن المسافة بين الدواسة والمحور تساوي أربعة أضعاف المسافة بين الأسطوانة والمحور، وهذا يضاعف القوة المطبقة على الدواسة أربع مرات قبل أن تتنقل عبر سائل الأسطوانة. كذلك يوضح الشكل أن قطر أسطوانة الكابح يساوي ثلاثة أضعاف قطر أسطوانة الدواسة، وهذا بدوره يضاعف القوة إلى تسعة أضعاف، ويعني أن هذا النظام يضاعف القوة المبذولة على الدواسة إلى 36 ضعفا. فإذا طبقت بقدمك قوة قدرها عشرة أرطال على الدواسة فإن النظام سوف ينتج قوة قدرها 360 رطلا على العجلة التي تكبس على كابح الإطار.