cz. 7 SILNIKI JAK I CZYM NAPÊDZANO CYWILIZACJÊ... 30 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.
3 000 000 lat p.n.e. 2 000 000 1 500 000 lat p.n.e. 350 000-250 000 lat p.n.e. ok. 10 000 lat p.n.e. ok. 8 000 p.n.e. w IV tysi¹cleciu p.n.e. ok. 3000-2900 r. p.n.e. ok. 1500 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. 1605 r. ok. 1628 r. 1680 r. 1689/90 r. 1693 r. 1699 r. 1705 r. 1712 r. 1764 r. 1782 r. 1816 r. 1821 r. 1824 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. 7000 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
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.
1829 r. 1836 r. 1838 r. 1860 r. 1861 r. 1862 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. 1880 r. 1883 r. 1888 r. 1888 r. 1889 r. 1890 r. 1892 r. 1897 r. 1909 r. 1916 r. 1929 r. 1930 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. 1800 m w Wendelstein. Sir Frank Whittle z Wlk. Brytanii konstruuje silnik odrzutowy. Napęd na rybę Napęd na niedźwiedzia Motor 33
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
1946 r. I 1957 r. 1974 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