SILNIKI JAK I CZYM NAPÊDZANO CYWILIZACJÊ...

Transkrypt

1 cz. 7 SILNIKI JAK I CZYM NAPÊDZANO CYWILIZACJÊ Piotr Kawalerowicz Jedn¹ z najbardziej ludzkich, spoœród wielu charakterystycznych dla cz³owieka cech, jest ciekawoœæ. W po³¹czeniu z uporem, pracowitoœci¹ i dociekliwoœci¹ czêsto by³a Ÿród³em odkryæ - zarówno tych popychaj¹cych cywilizacjê do przodu, jak i tych, które na lata pogr¹ a³y j¹ w mrokach. Nic lepiej nie wp³ywa na rozwój techniki, jak wojna, niestety! Do pogr¹ ania w mroku, jak dowodzi historia, znacznie lepiej s³u y³y klêski g³odu, najazdy barbarzyñców i religie, które w czasach pokoju mia³y czas zaj¹æ siê skutecznie indywidualnymi grzesznikami i paleniem ich dzie³ oraz ich samych. W staro ytnych Chinach bardzo efektywnemu zakrywaniu odkryæ (np. Ameryki) s³u y³a rada mandarynów. Obecnie wiele patentów jest utajnianych ze wzglêdu na kluczowe znaczenie dla bezpieczeñstwa obronnego kraju lub wykupywanych przez wielkie koncerny, które nastêpnie zamykaj¹ wynalazki w sejfach, gdy nie zarobi³y jeszcze wystarczaj¹co du o na starych, ju wdro onych rozwi¹zaniach. Jaka jest historia wynalazków i odkryæ, sk¹d siê bra³y, kto i gdzie ich dokonywa³, jaki by³ ich dalszy los i wp³yw na cywilizacje? SILNIK Ju staro ytni Grecy znali si³ê parow¹ i próbowali praktycznie j¹ wykorzystaæ, czego dowodem jest mechanizm parowy zastosowany do otwierania ciê - kich drzwi œwi¹tyni. Postêpuj¹cy rozwój cywilizacyjny w obszarze nauki i rzemios³a sprawia, e cz³owiek coraz intensywniej poszukuje sposobu, aby zast¹piæ pracê miêœni, wody czy wiatru innym rodzajem napêdu. Poszukiwania takie podejmuje w wielu czêsto bardzo ró nych i odleg³ych od siebie kierunkach. Czêœæ z tych prób bazuje na zjawiskach zaobserwowanych w otoczeniu np. ruchu wody. Inne dotycz¹ nowo odkrywanych materia³ów i dziedzin nauki. Przyk³adem mog¹ byæ próby wykorzystania energii fal morskich, ale równie podejmowane wysi³ki, aby ujarzmiæ i wykorzystaæ energiê pochodz¹c¹ z wybuchu np. prochu. W czasach œredniowiecza i oœwiecenia podejmowano próby skonstruowania tzw. perpetuum mobile - maszyny, która raz wprawiona w ruch, porusza³aby siê w nieskoñczonoœæ. Australopitek i Homo habilis - cz³owiek pierwotny. Homo sapiens - cz³owiek rozumny. Pierwsze wyraÿne przejawy tzw. kultury rolnej - uprawy, co poci¹ga za sob¹ pocz¹tki osiad³ego trybu ycia (Mezopotamia, Azja Wschodnia, Meksyk, Peru). Ko³o deptakowe, kierat - pierwsza maszyna poruszana si³¹ miêœni. Bania Herona (aeolipila), rodzaj turbiny parowej wynalezionej przez Herona z Aleksandrii. Zasada dzia³ania: podgrzewany kulisty kocio³ z wod¹, zamontowany w sposób umo liwiaj¹cy swobodny obrót, zaopatrzony w naprzeciwleg³e zakrzywione króæce wyprowadzaj¹ce parê wodn¹. Odrzut pary wodnej wydostaj¹cej siê z bani wytwarza si³ê ci¹gu i nadaje jej ruch obrotowy. Fontanna parowa Salomona de Causa. Podnoœnik wody Somerseta. Fizyk i astronom holenderski Christian Huygens opisuje wynalezion¹ przez siebie i Denisa Papina maszynê prochow¹ - silnik wyci¹garki z zap³onem iskrowym, który wytwarza³ du e si³y poprzeczne i mo na go traktowaæ jako pierwowzór silnika gazowego. Na pomys³ skonstruowania silnika spalinowego naprowadzi³ ich eksperyment: zapalili w metalowym cylindrze proch, chc¹c w ten sposób uzyskaæ pró niê. Podczas doœwiadczenia stwierdzili, e ciœnienie w cylindrze nie tylko nie spad³o, ale znacznie siê podwy szy³o. Anglik J. Hardley uzyskuje patent na maszynê, w której do napêdu wykorzystuje si³ê fal morskich. Na dnie morskim zakotwiczona jest pionowa prowadnica, wzd³u której porusza siê, wraz z fal¹ morsk¹, p³ywak. Ruch p³ywaka jest nastêpnie przekazywany za pomoc¹ uk³adu dzwigni na mimoœród napêdzaj¹cy ko³o m³yñskie. Thomas Savery, londyñski in ynier, skonstruowa³ podnoœnik wody s³u ¹cy do odwadniania kopalñ - prawdopodobnie by³ to pierwszy przypadek plagiatu silnika (wynalazku Papina). Thomas Newkomen i John Cawley buduj¹ na podstawie eksperymentu fizyka Denisa Papina z 1689 r. pracuj¹cy silnik parowy. Silnik atmosferyczny Thomasa Newkomena James Watt konstruuje maszyny parowe Maszyna parowa, patent James Watt - pierwsza, szerzej zastosowana w przemyœle. Zasada silnika elektrycznego: doświadczenie Michaela Faradaya Silnik elektryczny - Michael Faraday odkrywa podstawow¹ zasadê silnika elektrycznego - obracaj¹cy siê ci¹gle wokó³ sta³ego magnesu przewodnik.

2 lat p.n.e lat p.n.e lat p.n.e. ok lat p.n.e. ok p.n.e. w IV tysi¹cleciu p.n.e. ok r. p.n.e. ok r. p.n.e. ok. III w. p.n.e. ok. 140 r. p.n.e ok. 120 r. p.n.e p.n.e. /n.e. ok. 900 r. V 1519 r r. ok r r. 1689/90 r r r r r r r r r r. Homo erectus - cz³owiek wyprostowany. Cz³owiek z Cromagnon. Pojawia siê: pismo, ko³o, agiel, wytop metali z rud. Pomiêdzy Eufratem i Tygrysem (obecnie - Irak) powstaj¹ pierwsze ufortyfikowane miasta. W tym okresie Sumerowie zak³adaj¹ w po³udniowej Mezopotamii nad rzek¹ Eufrat miasto Ur. Pierwsze opisy dotycz¹ce wykorzystania ko³a wodnego (rodzaj silnika wodnego) w krajach hellenistycznych. Mechanizm otwierania drzwi œwi¹tyni - pierwszy znany mechanizm napêdzany par¹ W okolicach Pekinu i Persji pojawi³y siê pierwsze m³yny poruszane si³¹ wiatru - bêd¹ce w istocie silnikiem wiatrowym. Umiera Leonardo da Vinci, pozostawiaj¹c po sobie ok stron notatek zawieraj¹cych pomys³y i wynalazki. Przyrodnik francuski Denis Papin konstruuje pierwszy t³okowy silnik parowy. Wykorzystywany by³ do Koło wodne podsiębierne wykorzystujące energię potencjalną wody oraz jej energię kinetyczną Koło wodne nasiębierne wykorzystujące głównie energię potencjalną wody, o sprawności 60-70%. napêdzania pomp w fontannach. Szkocki duchowny Robert Stirling zbudowa³ dobrze funkcjonuj¹cy cieplny silnik powietrzny z paleniskiem zewnêtrznym. Silnik Stirlinga przetwarza energiê ciepln¹ w energiê mechaniczn¹, jednak bez procesu wewnêtrznego spalania paliwa, lecz na skutek dostarczania ciep³a z zewn¹trz. Dziêki temu mo liwe jest zasilanie go dowolnym rodzajem paliwa. W ma- ³ych modelach, zabawkach, wykorzystuje siê np. ciep³o ludzkiej d³oni. Francuski in. Claude Burdin modyfikuje zasadê dzia³ania ko³a wodnego, u ywaj¹c po raz pierwszy s³owa turbina (z ³ac. turbo - wir). Maszyna ma sprawnoœæ od 80-85%. Rozwi¹zanie to znajduje zastosowanie w budowie silników. Warto poznaæ Silniki Silnik - maszyna zamieniaj¹ca doprowadzon¹ energiê na pracê mechaniczn¹. Podzia³ silników w zale noœci od rodzaju wykorzystywanej energii:! silnik cieplny silnik o spalaniu wewnêtrznym - silnik spalinowy, silnik rakietowy, s. odrzutowy, s. turbinowy silnik o spalaniu zewnêtrznym - maszyna parowa, turbina parowa! silnik elektryczny! silnik hydrauliczny! silnik pneumatyczny! silnik Stirlinga! silnik s³oneczny! silnik wiatrowy - wiatrak! silnik wodny - ko³o wodne, turbina wodna! silnik ywy* ) - cz³owiek, zwierzê * ) nazwa aktualnie bardzo rzadko u ywana Czy wiesz, e... silnik cieplny: Silnik o spalaniu zewnêtrznym - silnik, w którym paliwo spalane jest poza silnikiem, a do silnika dostarczane s¹ spaliny lub inne medium, którego energia jest podnoszona w wyniku spalania paliwa. Silnikami o spalaniu zewnêtrznym s¹: maszyna parowa, turbina parowa, turbina spalinowa. Silnik o spalaniu wewnêtrznym to silnik, w którym paliwo spalane jest w przestrzeni roboczej silnika. Do silników o spalaniu wewnêtrznym zaliczaj¹ siê: silnik spalinowy, silnik odrzutowy, silnik turbinowy, silnik rakietowy. Inne: Silnik elektryczny - silnik, w którym energia elektryczna zamieniana jest na energiê mechaniczn¹. Silnik hydrauliczny - silnik zamieniaj¹cy energiê potencjaln¹ lub/i kinetyczn¹ cieczy w energiê mechaniczn¹. Silnik rakietowy - silnik wykorzystuj¹cy energiê odrzutu spalanych gazów, przy czym zarówno paliwo rakietowe, 31

3 32 Wprawdzie takie rozwi¹zanie wielu ówczesnym umys³om wydawa³o siê niemo liwe, ale równie nie potrafili oni bezspornie udowodniæ, e sta³y, pozbawiony napêdu ruch jest niemo liwy, co by³o na rêkê wielu ówczesnym konstruktorom-oszustom. W latach osiemdziesi¹tych XVII w. w Europie przeprowadzano liczne doœwiadczenia zwi¹zane z ciœnieniem powietrza, pró ni¹, ciœnieniem gazu i pary. Efektem tych prac, oraz poprzedzaj¹cych je kilkunastu lat rozwa añ filozoficznych i dociekañ fizycznych by³o powstanie silnika parowego. Du y wk³ad w jego powstanie w³o y³ francuski lekarz Denis Papin, który prowadzi³ badania nad par¹. Odkry³ on, e sch³odzona para kondensuje w wodê, czemu towarzyszy obni enie ciœnienia. Uda³o mu siê usystematyzowaæ wiedzê dotycz¹c¹ tego zjawiska i zaproponowaæ praktyczne jej zastosowanie. Odkrytej w naczyniu pró niowym Guericke a sile z niczego Papin prorokuje, zreszt¹ s³usznie, wielk¹ przysz³oœæ. Ale to nie eksperymenty i zapa³ kilku ludzi doprowadzi³y do powstania pierwszej maszyny parowej (silnika parowego). Jego powstanie nie by³oby mo liwe bez równoczesnego postêpu w wielu ró nych dziedzinach nauki. Rozwój maszyny parowej i jej upowszechnienie nie by³by mo liwy bez elaza jako taniego surowca, rozwoju metod precyzyjnej obróbki metalu, (które umo liwi³y wykonanie wa³ków przek³adni, t³oków itp.) czy badañ nad w³aœciwoœciami gazu. Wynalezienie maszyny parowej da³o pocz¹tek rewolucji przemys³owej, która umo liwi³a przejœcie od rzemios³a do produkcji fabrycznej na du ¹ skalê. Intensywny rozwój maszyny parowej mia³ miejsce w XIX wieku, a donios³¹ w nim rolê odegra³a firma Boulton & Watt. Bardzo istotnie zwiêkszono wtedy sprawnoœæ maszyny parowej. Pierwszy silnik konstrukcji Thomasa Newcomena by³ w stanie zamieniæ jedynie oko³o 5% energii cieplnej na mechaniczn¹, podczas gdy na prze³omie XIX i XX w. wspó³czynnik sprawnoœci, w wielokrotnie ulepszanym silniku parowym, osi¹gn¹³ wartoœæ 25 %. Kolejnym prze³omem by- ³o wynalezienie turbiny parowej, której sprawnoœæ wynosi- ³a oko³o 30-40%. W roku 1860 pojawia siê nowy rodzaj silnika - silnik spalinowy. Konstruuje go Francuz Étienne Lenoir. Kilkanaœcie lat póÿniej Nikolaus August Otto, konstruktor w fabryce Deutz, prezentuje dzia³aj¹cy silnik czterosuwowy zasilany mieszank¹ paliwowo-powietrzn¹. Z fabryk¹ t¹ wspó³pracowa³ przez pe- In ynier Jedlicka zbudowa³ pierwszy silnik elektryczny. William Barnett wynalaz³ silnik, w którym przed spalaniem zachodzi³o sprê- anie gazu. Silnik ten uwa any jest za pierwowzór silnika benzynowego. W³oski fizyk Antonio Pacinotti zbudowa³ we Florencji pierwszy silnik na pr¹d sta³y (móg³ tak e pracowaæ jako pr¹dnica). Francuski nauczyciel Augustin Mouchot opatentowa³ silnik s³oneczny. Silnik parowy z 1880 r. u ywany do napêdzania maszyn rolniczych. Wilhelm Maybach i Gottlieb Daimler wprowadzaj¹ na rynek silnik dwucylindrowy. Rudolf Diesel niemiecki in ynier sk³ada wniosek o patent na silnik spalinowy, który pracuje z samozap³onem bez œwiec zap³onowych. Nowatorska konstrukcja Diesla pozwoli³a na wyeliminowanie elektrycznego uk³adu zap³onowego oraz gaÿnika. Robert H. Gotard, amerykañski fizyk i in ynier, og³asza pierwsze prace teoretyczne nt. rakietowych zespo³ów napêdowych. Proponuje m.in. modele rakiet na paliwo ciek³e (ciek³y wodór i ciek³y tlen), systemy ch³odzenia dysz i rakiety wielostopniowe. Walentin G³uszko, in ynier wojskowy, rozpoczyna badania nad napêdem rakietowym na paliwo ciek³e, buduje pierwszy silnik rakietowy napêdzany benzyn¹ spalan¹ w ciek³ym tlenie.

4 1829 r r r r r r. Niemiecki konstruktor Brackenburg skonstruowa³ pierwszy samochód z silnikiem spalinowym, który spala³ mieszankê wodoru z czystym tlenem. Francuz Étienne Lenoir prezentuje, przeznaczony dla przemys³u, silnik gazowy dwustronnego dzia³ania (maszyna spalinowa). Konstrukcja oparta na zasadzie dzia³ania maszyny parowej dwustronnego dzia³ania, silnik pracowa³ bez sprê ania, spalanie odbywa³o siê zamiennie, pod i nad t³okiem. Francuski in ynier Alphonse Beau Rochas wynajduje silnik czterosuwowy. Opatentowana przez niego idea dzia³ania silnika sta³a siê podstaw¹ rozwoju dla przemys³u motoryzacyjnego. jak i utleniacz znajduj¹ siê w zbiornikach napêdzanego urz¹dzenia (utleniacz nie jest pobierany z atmosfery). Slinik Stirlinga - przetwarza energiê ciepln¹ w energiê mechaniczn¹, jednak bez procesu wewnêtrznego spalania paliwa, lecz na skutek dostarczania ciep³a z zewn¹trz, dziêki czemu mo liwe jest zasilanie go dowolnym rodzajem paliwa (np. w ma³ych modelach, zabawkach, wykorzystuje siê ciep³o ludzkiej d³oni). Z przymru eniem oka 1876 r r r r r r r r r r r r r. Nikolaus August Otto konstruuje w fabryce Deutz czterosuwowy silnik benzynowy - zg³asza swój wynalazek do Urzêdu Patentowego, jednak z powodu wczeœniejszych publikacji Alphonse Beau Rochasa czêœæ patentu zostaje uniewa niona. Wilhelm Maybach konstruuje silnik szybkobie ny wg idei Gottlieba Daimlera, który chcia³ skonstruowaæ silnik o niewielkich wymiarach nadaj¹cy siê do wykorzystania jako jednostka napêdu dla pojazdów. Nikola Tesla wynajduje trójfazowy silnik indukcyjny pr¹du zmiennego. Micha³ Doliwo-Dobrowolski, m³ody polski in ynier, póÿniejszy g³ówny in ynier firmy AEG, korzystaj¹c z odkrycia Tesli, buduje pierwszy silnik indukcyjny o mocy 0,1 km. Ma on mo liwoœæ regulacji szybkoœci obrotów, pracuje przy tym prawie bez ha³asu i w pe³ni nadaje siê do wykorzystania jako jednostka napêdowa maszyn. Konstanty E. Cio³kowski, nauczyciel matematyki (z pochodzenia Polak), tworzy w Rosji teoriê napêdu rakietowego. Rudolf Diesel zbudowa³ zgodnie ze swym projektem pierwszy silnik spalinowy. Karl Maybach (syn Wilhelma) zbudowa³ i przetestowa³ pierwszy silnik samolotowy do lotów wysokoœciowych. Wychodz¹c z za³o enia, e silnik, który ma pracowaæ na du ej wysokoœci, powinien byæ do tego specjalnie zaprojektowany, swoje badania prowadzi³ na wys m w Wendelstein. Sir Frank Whittle z Wlk. Brytanii konstruuje silnik odrzutowy. Napęd na rybę Napęd na niedźwiedzia Motor 33

5 wien czas inny s³awny konstruktor - Wilhelm Maybach, który póÿniej wraz z Gottliebem Daimlerem skonstruowa³ pierwszy benzynowy silnik samochodowy. W tym samym czasie, niezale nie, podobn¹ konstrukcjê opracowa³ te Carl Benz, zaœ zaledwie kilka lat póÿniej Rudolf Diesel skonstruowa³ silnik wysokoprê ny z zap³onem samoczynnym. W latach szeœædziesi¹tych XIX w,. rozwój wiedzy na temat zjawisk zwi¹zanych z przep³ywem pr¹du elektrycznego, umo liwi³ skonstruowanie silnika elektrycznego. Wprawdzie wynaleziony przez Michaela Faradaya silnik na pr¹d sta³y mia³ za ma³¹ moc, aby napêdzaæ maszyny i nie znalaz³ zastosowania w przemyœle, ale wyznaczy³ nowy kierunek poszukiwañ. W 1879 r. Werner von Siemens skonstruowa³ silnik na pr¹d zmienny, który z powodzeniem móg³ byæ wykorzystany jako napêd maszyn. Wiek XX i XXI to okres doskonalenia istniej¹cych konstrukcji i poszukiwañ nowych rozwi¹zañ. W efekcie poszukiwañ napêdu dla wojska, w czasie II wojny œwiatowej, powstaje silnik rakietowy, udoskonalany potem w latach Zimnej Wojny. Rozpoczêta przez supermocarstwa era podboju kosmosu stawia przed konstruktorami nowe wyzwania. Jednym z ostatnich osi¹gniêæ napêdu w przestrzeni kosmicznej jest silnik jonowy. 28-cylindrowy silnik marki Pratt & Whitney, przezwany kolbą kukurydzy, jeden z największych silników tłokowych, jakie kiedykolwiek zostały skonstruowane. Miał moc 3500 KM, był używany w samolotach convair B-36, boeing B-50 i C-97. Na Uniwersytecie Giessen w Niemczech rozpoczêto prace nad silnikiem jonowym. Polski in ynier i konstruktor Jerzy WoŸniak projektuje tzw. silnik X, który równoczeœnie posiada zalety silnika Wankla, eliminuj¹c przy tym niektóre jego wady. Cech¹ szczególn¹ X jest wyeliminowanie bezpoœredniego kontaktu t³oka ze œciankami cylindra. Projekt zosta³ pozytywnie oceniony przez fachowców z Politechniki Wroc³awskiej, posiada równie polski patent. Na razie istnieje tylko plastikowy model tego silnika s³u ¹cy do prezentacji zasady dzia³ania. Przeprowadzenie badañ i prac wdro eniowych obiecuj¹cej konstrukcji - to kilka lat pracy. 34 Silnik jonowy (ang. ion engine, ion propulsion system) jest to rodzaj silnika rakietowego. Silnik jonowy jest najbardziej wydajnym z silników u ywanych obecnie w przestrzeni kosmicznej. Prace nad silnikiem rozpoczêto w latach 50. XX wieku. Pierwsze wersje wykorzystywa³y do napêdu pary rtêci (Hg). Obecnie powszechnie wykorzystywany jest gaz szlachetny ksenon (Xe). Energia wyrzucaj¹ca gaz z silnika pochodzi z zewnêtrznego Ÿród³a (najczêœciej z baterii s³onecznych). Najpierw atomy ksenonu pozbawiane s¹ ³adunku ujemnego - zostaj¹ przekszta³cone w jony dodatnie. Nastêpnie s¹ rozpêdzane pod wp³ywem pola elektrycznego, osi¹gaj¹c prêdkoœæ 36 km/s. Du a prêdkoœæ wyrzucanego czynnika daje du ¹ si³ê ci¹gu przypadaj¹c¹ na jednostkê masy wyrzucanej substancji. Jednak ze wzglêdu na ma³¹ masê atomów ³¹czna masa wyrzucanego czynnika jest niewielka. W zwi¹zku z tym ca³kowita si³a ci¹gu rakiety nie jest du a, ale noœnika wystarcza na d³ugi czas i ma on mniejsz¹ masê. Statek wyposa ony w taki silnik porusza siê pocz¹tkowo bardzo powoli (kilka milimetrów na sekundê), przez co nie mo e byæ wykorzystywany, gdy potrzebne jest gwa³towne przyspieszenie. Do przygotowania kalendarium wykorzystano materia³y Ÿród³owe: Nauka Technika i Wynalazki Raymond L. Francis, wyd. AMBER Kronika Techniki - Praca zbiorowa, wyd. WEP PWN

6 1946 r. I 1957 r r. IX 1992 r. Niemiecki in ynier Felix Wankel po raz pierwszy uruchamia, skonstruowany przez siebie, silnik spalinowy z wiruj¹cym t³okiem. Jest to nowatorskie rozwi¹zanie - wszystkie ze stosowanych do tej pory silników gazowych, benzynowych lub Diesla maj¹ t³ok poruszaj¹cy siê ruchem posuwistozwrotnym i nie wytwarzaj¹ bezpoœrednio momentu obrotowego, tak jak to dzieje siê w silniku Wankla. Silnik A Wankla - schemat dzia³ania: 1 - ssanie, 2 - sprê anie, 3 - B zap³on, 4 - wydech, A - otwór wlotowy, B - mieszanina paliwa i powietrza, C - wiruj¹cy t³ok, D - œwiece zap³onowe, E - sprê anie mieszanki paliwowej, F - zap³on i spalanie mieszanki, G - wylot gazów spalinowych. C D E 1998 r. Zbliżenie na silnik jonowy. Jest on 10-krotnie bardziej wydajny od dotychczas stosowanych w silnikach rakietowych napędów chemicznych. F źródło czynnika napędzającego Schemat ideowy silnika jonowego zastosowanego przez NASA w misji Deep Space 1. Silnik jonowy wykorzystano do napędu wystrzelonej w 1998 sondy Deep Space 1 lecącej w kierunku Komety Berrely ego. Napęd, zaprojektowany tak, aby pracował przez 200 godzin, w praktyce działał ponad 50 razy dłużej. komora jonizacyjna G neutralizator jony, atomy, elektrony jednostka zasilająca kierunek ruchu