Енциклопедія Технологій та Методик - Теплові двигуни
Ще в XIX столітті англійський фізик Джоуль помітив, що якщо попередньо розтягнуту гумову стрічку трохи нагріти, то вона відразу починає стискатися. Цим явищем зацікавився Пауль Арчібальд із Каліфорнійського університету, який вирішив використати його у тепловому двигуні. Конструкція Арчибальда складалася (рис. 1) із гумових стрічок, натягнутих між краями двох дисків. Вона дуже нагадувала біле колесо. Диски розставлені під кутом вісім градусів і оберталися кожен на своєму валу. У центрі вали з'єднувалися між собою за допомогою гнучкого з'єднання, необхідного для компенсації зусиль від розтягнутих гумових стрічок та для синхронного обертання двох дисків.
У межах одного обороту кожна гумова стрічка може розслабитися, то натягнутися. Максимальним розтягуванням буде, коли краї дисків розходяться і коли гумова стрічка досягає рівня теплої води. Як тільки вона стикається з водою, виникає додаткове зусилля, що стискає, яке призводить до перерозподілу всіх сил, що діють на диски. В результаті з'являється сила, що змушує диски обертатися зі постійною швидкістю. Потрібно лише мати на увазі, що надмірне тепло призводить до зменшення швидкості обертання і навіть повної зупинки двигуна. На початку 20-х років проблемою використання ефекту Джоуля зацікавився Вільям Віганд, основоположник гумотехнічної промисловості та фахівець із питань надійності автомобільних шин. До програми лекцій, що він читав перед студентами університету, входила демонстрація ефекту Джоуля. У великій лекційній залі до стелі прикріплювалася довга гумова стрічка, на нижньому кінці якої висів вантаж, що розтягує стрічку вчетверо. Коли спалахували пальники Бунзена, встановлені поруч зі стрічкою, вантаж моментально підстрибував угору.Коли подача газу в пальники припинялася і вогонь згасав, вантаж знову повертався у вихідне положення. Пізніше в результаті співпраці Віганда зі Скіпелем з'явилися дві цікаві конструкції двигунів. Перша була (рис. 2) складний маятник, у якого на стрижні були дві досить масивні гирі.
Маятник здійснює коливання, спираючись на ножові опори. Точно на таких же опорах кріпиться гумова стрічка, яка за будь-яких відхилень від вертикального положення маятника повинна створювати підйомну силу, що не перевищує ваги обох гир. При усуненні від вертикалі відбувається додаткове розтягнення стрічки. Тому маятник після кількох загасаючих коливань зупиняється. Для безперервного руху до нього необхідно підвести енергію. Джерелом її може бути звичайний рефлектор. Але тепло має впливати на гумову стрічку лише у певних фазах коливання маятника. У конструкції маятника передбачена тіньова заслінка, яка дає можливість променям нагрівати гумову стрічку тільки за найбільших відхилень маятника. Внаслідок чергування нагрівання та охолодження стрічки вона весь час змушує маятник коливатися. Цей двигун вже дещо простіше у виготовленні, ніж двигун Арчібальда. Розміри двигуна Віганда та Скіпеля можна вибирати за своїм бажанням. Краще, якщо висота всієї конструкції не перевищуватиме одного метра. Решта докладно видно на малюнку. Для виготовлення іншого двигуна Віганда (мал. 3) знадобиться обід велосипедного колеса, краї якого у двох точках жорстко з'єднані з металевою прямокутною рамою.
Звичайна швейна голка служить віссю, де у вертикальній площині обертається колесо. Тепло від променистого джерела змушує гумки стискатися на певномуділянці обертання і призводить до усунення центру ваги колеса. При цьому система починає обертатися, намагаючись зайняти рівноважний стан. Швидкість її обертання - до 22 обертів на хвилину. Л. Стонг побудував покращену модель (рис. 5), що увібрала елементи всіх попередніх. Колінчастий вал Віганда був залишений, металеву раму замінило колесо. Гумові стрічки були натягнуті між краями колеса та стаціонарно закріпленим коленвалом. Колесо оберталося в посудині з водою так само, як і в першому двигуні. Використовуючи касету від 16-мм кіноплівки, кілька тефлонових втулок та гумові стрічки, цю модель можна побудувати за кілька годин. Такий двигун розвиватиме до 12 об/хв у воді з температурою 50° при відносній вологості повітря 50%.
Розміри двигуна Стонга можна вибирати практично будь-які, тому що навантаження на підшипники буде радіальним, а натяг від гумових стрічок взаємно компенсує один одного. Вихідна потужність може бути збільшена не тільки збільшенням діаметра колеса, але і збільшенням числа гумових стрічок або розміщенням на одному валу відразу декількох подібних коліс. Необхідно знати, що потужність двигуна, що використовує воду як теплопередавальне середовище, залежить від швидкості випаровування вологи з гумових стрічок. Результати експериментів, виконаних із встановленими в гумові стрічки термопарами, показали, що при відносній вологості 50% інтервал охолодження цих стрічок був у 10 разів довшим за інтервал нагрівання. Але інтервал охолодження може бути зменшений або збільшенням швидкості руху повітряного середовища або застосуванням розбризкування холодної води. Якщо, наприклад, застосувати вентилятор, енергію для його приводу повинен давати сам двигун. Можна легко підрахувати крутний момент двигуна, застосовуючи закон Джоуля. Якщогумову стрічку розтягнути із зусиллям Р=5 кг при температурі Т = 300°К (27°С) і потім нагріти до Т = 339° К (66°С), то приріст сили (F) буде:
Знаючи величину цієї сили, ексцентриситет коленвала, а також кут застосування цієї сили, вираховується крутний момент. Хоча натуральну гуму можна збільшити у довжину на 600%, найкращі результати показують двигуни з подовженням гумових стрічок утричі. Тому, щоб у двигуні в початковий момент був урівноважений стан, необхідно кожну стрічку підвішувати і піддавати дії сили, причому намагатися при тому самому вантажі мати однакове подовження. Незважаючи на свою простоту, гумові теплові двигуни не знайшли практичного застосування, хоча там, де повністю відсутнє паливо та потрібні не надто великі потужності, вони можуть працювати. Віганд навіть планував будівництво двигуна потужністю в 5 к.с., а його уяву малювало гігантські двигуни десь у тропіках, що перетворюють сонячну енергію на роботу.
Автор: інженер Заворотов В. http://patlah.ru