چرخ فالکرک؛ جابه‌جایی کشتی با انرژی چند کتری

چرخ فالکرک در اسکاتلند سازه‌ای دوار و غول‌پیکر است که قایق‌ها را بین دو کانال با اختلاف ارتفاع حدود ۳۵ متر جابه‌جا می‌کند؛ کاری که پیش از احداث این چرخ، از طریق مجموعه‌ای از یازده دروازه آبی و در طول نزدیک به یک روز کامل انجام می‌شد. این بالابر که کانال‌های فورث‌اند‌کلاید و یونیون را به هم متصل می‌کند، تنها بالابر چرخشی کشتی در جهان است و هر نیم‌دور چرخش آن به اندازه جوشاندن هشت کتری آب انرژی مصرف می‌کند.

با این سازه که در سال ۲۰۰۲ به بهره‌برداری رسید، همان جابه‌جایی اکنون در چند دقیقه انجام می‌شود. به گزارش زومیت، اهمیت این سازه بیش از ابعادش، در اصل فیزیکی ساده‌ای است که مصرف انرژی آن را به حد باورنکردنی پایین آورده است. چرخ از حدود هزار تن فولاد ساخته شده و وزن کل آن با تجهیزات و آب به حدود ۱۸۰۰ تن می‌رسد.

راز تعادل: اصل ارشمیدس

راز کارایی انرژی این چرخ در اصل ارشمیدس نهفته است: دو بازوی چرخ، هرکدام حاوی یک حوضچه آب‌بند شده هستند. زمانی که قایقی وارد حوضچه می‌شود، دقیقاً به اندازه وزن خودش آب از آن خارج می‌کند؛ بنابراین وزن هر حوضچه، صرف‌نظر از اینکه قایقی در آن باشد یا نه، همواره یکسان باقی می‌ماند.

به همین دلیل، دو طرف چرخ تقریباً همیشه در تعادل‌اند و موتورها تنها باید بر اصطکاک یاتاقان‌ها غلبه کنند. هر نیم‌دور چرخش تنها حدود ۱.۵ کیلووات‌ساعت انرژی مصرف می‌کند؛ معادل جوشاندن آب در حدود هشت کتری برقی.

ده موتور هیدرولیکی، ترمزهای دیسکی و سامانه‌های کنترل فشار و سرعت، چرخش آرام سازه را تضمین می‌کنند و مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای باعث می‌شود حوضچه‌ها در تمام مدت چرخش کاملاً افقی بمانند.

چرا برای مهندسان مهم است؟

چرخ فالکرک نمونه‌ای درخشان از این اصل است که هوشمندی طراحی می‌تواند جای قدرت خام را بگیرد. برای مهندسان سازه، دو درس فنی روشن دارد.

نخست، مدیریت بار متحرک و نامتعادل: هرچند دو حوضچه در حالت ایستا متعادل‌اند، در حین چرخش، اثرات دینامیکی، باد و اختلاف جزئی تراز آب، لنگرهای نامتعادل ایجاد می‌کند که سازه و یاتاقان مرکزی باید آن را تحمل کنند. این همان دسته از بارهاست که مبحث ششم (بارهای وارد بر ساختمان) برای تجهیزات دوار و جرثقیل‌ها ضرایب ویژه تعیین می‌کند.

دوم، طراحی فولادی برای خستگی: چرخی که روزی ده‌ها بار می‌چرخد، در طول عمر طراحی خود میلیون‌ها چرخه تنش را تجربه می‌کند. کنترل خستگی در اتصالات جوشی و پیچی، موضوعی است که مبحث دهم (ساختمان‌های فولادی) برای سازه‌های تحت بار تکراری الزامی کرده و در ایران اغلب در طراحی سازه‌های صنعتی نادیده گرفته می‌شود.

فراتر از این‌ها، فالکرک یادآور می‌شود که مهندسی خوب باید هزینه بهره‌برداری را هم‌سنگ هزینه ساخت ببیند؛ همان نگاهی که مبحث نوزدهم (صرفه‌جویی در مصرف انرژی) برای ساختمان‌ها دنبال می‌کند.