מכונה

מכונה היא התקן המְבַצֵע עבודות לאדם. באופן מדויק יותר, מכונה היא התקן מורכב שצורך, מעביר או משנה אנרגיה על מנת לבצע משימה או עבודה מסוימת. בדרך כלל, מכונות דורשות מקור אנרגיה חיצוני כדי לבצע עבודות.

במובן הקלאסי מכונה היא מערכת מוחשית, כלומר, מורכבת מחומר וניתן לגעת בה אשר מקבלת קלט, מעבדת אותו לפי המבנה שלה, ומחזירה בהתאם לכך פלט, אך ניתן לשוח גם על תוכנה מורכבת כ"מכונה וירטואלית" (אם כי למונח זה שימושים שונים).

מאפיינים

בני האדם השתמשו במכונות משחר ההיסטוריה על מנת להגביר את יכולותיהם. למעשה, ניתן לראות בכלי העבודה ובכלי הנשק הפשוטים סוג של מכונות פרימיטיביות. כיום מקובל להגדיר מכונה כהתקן מורכב, שבנוי ממספר חלקים, כך שכלי עבודה פשוטים אינם נחשבים בגדר מכונות. המכונות הראשונות עוצבו על מנת לתעל בצורה טובה את כוחו של האדם. מכונות מתקדמות יותר השתמשו בחוקים פיזיקליים פשוטים של המכניקה כדי להפחית את הכוח הדרוש כדי לבצע פעולה מסוימת. מכונות מסוג אלה כוללת את המנוף – המשתמש בעקרון שימור המומנט (מומנט = כוח כפול אורך זרוע ההנפה), הגלגלת, הגלגל וגלגלי השיניים ועוד. מכונות אחרות התבססו על אגירה אטית של אנרגיה (בדרך כלל אנרגיה אלסטית) ושחרורה בפתאומיות. זהו עקרון הפעולה של הקשת, אחד מכלי הנשק המורכבים ("מכונות") הקדומים בהיסטוריה האנושית.

גם היום זהו אחד המאפיינים של המכונה: שימוש בחוקי הפיזיקה (ובפרט המכניקה, ההידרודינמיקה או האלקטרומגנטיות) כדי לאפשר ביצוע עבודה הדורשת כוח רב, למשך פרקי זמן ממושכים. למשל: המנופים הומצאו כדי להרים משאות כבדים שאדם רגיל (ואפילו תריסר) אינם יכולים להרים. יתרה מזו, מנוף יכול להחזיק משא באוויר לפרקי זמן כמעט בלתי מוגבלים, בעוד שהאדם מתעייף על נקלה ונאלץ לשמוט את המשא.

היתרון המכני (Mechanical Advantage) של מכונה פשוטה הוא היחס בין הכוח שהמכונה מפעילה על המטרה לבין הכוח שמפעיל הספק על המכונה כדי לבצע את הפעולה. לדוגמה: במנוף פשוט, אם ידית ההנפה הארוכה היא באורך A וידית ההנפה הקצרה היא באורך B אזי היתרון המכני הוא A/B . נתון זה אינו מתאר באופן מלא את הביצועים והתפוקה של המכונה, שכן נדרש כוח נוסף כדי להתגבר על החיכוך. היעילות המכנית (Mechanical Efficiency) של מכונה הוא היחס בין היתרון המכני בפועל (AMA) ליתרון המכני האידיאלי (IMA). במכונות פיזיקליות בעולמנו יחס זה תמיד קטן מ-1 (כלומר: היעילות תמיד קטנה מ-100%). הסיבה לכך היא החוק השני של התרמודינמיקה.

התפתחות המכונה המודרנית

שכלולים הנדסיים

שרטוט של טרבושה, כלי מצור ששימש ליידוי אבנים והופעל בכוח כתריסר חיילים

בעת העתיקה ובימי הביניים נבנו מכונות מורכבות וגדולות, שהורכבו בעיקר ממנופים, גלגלות, חבלים ומערכי גלגלים. הללו הונעו או בכוח אנשים רבים (למשל: טרבושה, סוג של מרגמה עתיקה, הייתה מעין מנוף שיידה אבנים גדולות, והפעילו אותו כתריסר איש שמשכו בכל כוחם בחבל המחובר לידית ההנפה. כלי מצור רבים הם דוגמה מצוינת למכונות כאלה) או בכוח בעלי חיים (למשל: גלגל אבן רחיים). מכונות אחרות, בעיקר כאלה המבוססות על טורבינות וגלגלי כפות הונעו על ידי הזרם בנהרות או על ידי אנרגיית הרוח. אלו היו מקורות האנרגיה הנפוצים שהניעו טחנות רוח.

בימי הביניים המאוחרים וימי הרנסאנס החל להיות רווח השימוש במכונות המופעלות על ידי קפיץ. למעשה, מדובר במכונות שאוגרות אנרגיה מכנית על ידי מתיחת הקפיץ ואז משחררות אותה באיטיות כדי ליצור תנועה לפרק זמן מסוים. מכונות אלה היה צריך למתוח מחדש מדי זמן מה. דוגמה למכונות כאלה הם השעונים שהופעלו על ידי מערכות של גלגלי שיניים והותקנו לרוב בראש מגדל בכיכר המרכזית.

האמן האיטלקי לאונרדו דה וינצ'י היה מגדולי המהנדסים של תקופתו, ותכנון עשרות מכונות מתקדמות שהקדימו את זמנן, אך רובן הונעו בידי בני אדם, בעלי חיים או מערכות של גלגלים וקפיצים.

המצאת המנוע

ההתפתחות המשמעותית בתחום המכונות הייתה המצאת המכונה הממונעת, כלומר: מכונה שמונעת על ידי מנוע ולא על ידי בעלי חיים, בני אדם או איתני הטבע (רוח, מפל מים וכו'). מנוע (Engine) הוא התקן הממיר חום לאנרגיה מכנית, כלומר: התקן המפיק מאנרגיה עבודה מכנית (תנועה של בוכנה, סיבוב של גלגל וכו'). ישנן מכונות שכל תפקידן הוא לחמם או לקרר, אלה נקראות "מנועי חום" או "מקררים". התאוריה הפיזיקלית של המנועים נחקרה במסגרת התרמודינמיקה. מדע זה פותח באופן אמפירי עד המאה ה-19, אז הציעו לודוויג בולצמן, אלברט איינשטיין ווילארד גיבס מודל אטומיסטי ותאוריה המסבירים את תופעות התרמודינמיקה.

קטר קיטור צרפתי מתחילת המאה ה-20. הרכבת הייתה כלי תחבורה מרכזי במאה ה-19 וסייעה להתפתחות המהירה של המערב.

המנועים הראשונים היו מנועי קיטור. היכולת לרתום את אנרגיית הקיטור אפשרה לבצע עבודות בקנה מידה שלא נראה עוד בעבר וחוללה את המהפכה התעשייתית. המצאה זו שינתה את ההיסטוריה מאחר שהיא הולידה את כלי התחבורה היבשתי הראשון שאפשר ניידות ומהירות הגעה למרחקים ארוכים – הרכבת. המצאת הרכבת שינתה את פני אירופה והייתה אחד הגורמים המשמעותיים בפיתוח המהיר שלה ושל אמריקה במאה ה-19. בתקופה זו פותחו גם ספינות הקיטור.

בתחילת המאה ה-20 חלה התפתחות נוספת: המצאת מנוע בעירה פנימית שאפשרה את המצאת המכונית (Automobile) – כלי רכב שנע על גבי גלגלים עם צמיגי גומי ופתח עידן חדש של ניידות יבשתית. עד מהרה הפכה המכונית לכלי תחבורה ועבודה מרכזי בחיי היום יום. לצד המכונית התפתח הטרקטור – כלי רכב שנע על גבי זחלים ושימש לעבודות עפר ועבודות חקלאיות. השילוב של הטרקטור יחד עם ההנדסה ההידראולית הוליד את הדחפור ומגוון כלים של ציוד מכני הנדסי שאפשרו בנייה ועבודות עפר בהיקף וקצב שעוד לא נראה כמותו. יחד עם בנייה של עגורנים ומנופי ענק החלה בנייה חסרת תקדים, שאפשרה עוד התקדמות טכנולוגית.

מלחמת העולם הראשונה היוותה אף היא זרז טכנולוגי אדיר ובה הומצאו או שוכללו מכונת הירייה, הצוללת, הטנק, המטוס ומכשירי הרדיו. הייצור ההמוני של מכונות מלחמה אלה, בנוסף לדרישה עצומה להספקה של ציוד כגון מזון ותחמושת הוביל לשכלולים גדולים בפסי הייצור והגברת המיכון של התעשייה.

אוטומטיזציה של המכונה

בסוף המאה ה-19 התפתח המיכון האוטומטי והמצאת הסרט הנע. בתי החרושת כללו מכונות ענק שביצעו באופן אוטומטי ומחזורי פעולות מוגדרות, כאשר המוצר בשלביו השונים נע לאורך מסוע בין המכונות השונות. מגמה זו גברה במאה ה-20 בתקופת מלחמת העולם הראשונה (ואחר כך בתקופת מלחמת העולם השנייה) כאשר המעצמות הלוחמות נזקקו לכמויות עצומות של אמצעי לחימה, תחמושת, כלי רכב ואספקה. מיכון זה של פס הייצור והחלפת מאות פועלים במכונות ענק העושות את עבודתם גרם לאבטלה רבה עד שהמשק והחברה הסתגלו לשינויים אלה.

מעגל משולב, חלק ממהפכת האלקטרוניקה

במאה ה-20 עברו רוב המכונות תהליך של אוטומטיזציה והפכו לנפוצות יותר ויותר, גם בקרב משקים פרטיים (לדוגמה: מכונת כביסה, מדיח כלים, פקס, מכשירי אלקטרוניקה). בשנים אלה חדרו המכונות גם לתחום החקלאות ואפשרו הגברה נכרת בתפוקת המזון שייצרו חקלאי מדינות המערב. למעשה, המכונות ייעלו כל כך את העבודה החקלאית, כך שכיום (2005) למרות שרק 1% מכוח העבודה בארצות הברית עוסק בחקלאות, ארצות הברית מצליחה לספק את כל צורכי המזון של אוכלוסייתה ואף לייצר עודפי מזון.

ההתקדמות המשמעותית בתחום האוטומציה באה בעקבות מלחמת העולם השנייה, אז פותחו המחשבים הראשונים. המצאת המחשב הייתה הפתח לבניית מכונות הניתנות לתכנות, או רובוטים, דבר המשפר את יעילות המכונה ואת מגוון היכולות שלה. התפתחות חשובה נוספת הייתה המצאת הטרנזיסטור, שאפשרה מזעור ניכר באלקטרוניקה והתרחבות התחום של מכונות ממוחשבות ורובוטים (בולטת בתחום זה היא יפן). בעקבות המצאות אלה ושכלולן, חדרו המכונות ליותר ויותר תעשיות ונהפכו אף למוצרים נוספים במשקי הבית הפרטיים. מכשירי חשמל ואלקטרוניקה נמכרו לקהל הרחב במחירים שווים לכל נפש, והפכו את העולם המערבי למלא במכונות עם אלקטרוניקה כמעט בכל מקום. מגמה זו גברה עוד יותר בשנות ה-90 של המאה ה-20 עם ההתפתחות הגדולה במחשבים הביתיים והגידול העצום בכמות המחשבים המחוברים לאינטרנט.

במאה ה-21 החלה מגמה לשלב בכל מכונה או מכשיר חשמלי שבב מחשב/מעבד על מנת לשפר את ביצועיה, יעילותה ואת מגוון היכולות שהיא יכולה לעשות. כעת מתכננים מכשירים שיוכלו להתממשק עם מחשבי כף יד או טלפון סלולרי שימצאו ברשות המשתמש הביתי וכך יקלו על הפעלת המכונות, העברת מידע ביניהן והתקשורת.

כיום, רוב העבודות היצרניות בעולם נעשות באמצעות מכונות. חלקן נעשות באופן אוטומטי וחלקן נעשות על ידי בני אדם שנעזרים במכונות. כתוצאה מהשימוש ההולך וגובר במכונות, עלה וגבר הביקוש לדלק, בייחוד נפט. השימוש בשריפת דלק להפקת אנרגיה גרם לזיהום סביבתי שהגיע לשיאו בשנות ה-80 של המאה ה-20. בשנות ה-90 התפתחה מודעות לכך והחלו מאמצים בהקטנת הזיהום שמייצרת התעשייה ומציאת אלטרנטיבות ירוקות להפקת האנרגיה והמכונות של היום (למשל: מכונית ירוקה). למרות מאמצים אלו, ארגוני איכות הסביבה הביעו חשש שהמיכון הגובר יביא לדילול משאבי כדור הארץ ופגיעה בלתי הפיכה בסביבה, שתיצור נזק בלתי הפיך לדורות הבאים.