Представьте себе двигатель, который работает тише и может быть эффективнее бензинового или дизельного. Это двигатель Стирлинга — устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу, используя внешний источник тепла. В качестве такого источника может выступать что угодно: от солнечного света до обычной свечи. Хотя сегодня такие двигатели применяются в довольно специфических областях (например, на подводных лодках или в исследовательских станциях в Антарктиде), они обладают огромным потенциалом для повседневного использования. Чтобы наглядно разобраться в принципе его работы, мы соберём простейшую модель, используя консервную банку и другие доступные материалы. В нашей модели тепло от свечи будет нагревать воздух внутри банки, заставляя перемещаться специальный поршень-вытеснитель. Движение воздуха, в свою очередь, приведёт в действие систему рычагов и коленчатый вал, который и заставит вращаться маховик.
Что потребуется для сборки
Для эксперимента подготовьте:
- Консервную банку (у нас была стандартная банка от супа размером примерно 10.5 см в высоту и 7 см в диаметре, но подойдёт и другая).
- Прочную нить.
- Воздушный шарик.
- 2 канцелярские кнопки.
- Проволочную вешалку (достаточно тонкую, чтобы её можно было гнуть).
- Деревянные бруски и инструмент для их резки (мы использовали обрезки).
- Скрепку.
- Несколько шурупов.
- Дрель.
- Клей.
- Свечу.
Изготовление поршня-вытеснителя
Поршень-вытеснитель — ключевой элемент, который будет двигаться внутри банки под действием тепла.
Инструкция по его созданию:
a) Вырежьте из дерева несколько кругов, которые будут свободно входить в банку. Диаметр кругов должен быть примерно на 0.5 см меньше внутреннего диаметра банки (у нас банка 7 см, круги — 6.5 см). Это необходимо для свободной циркуляции воздуха вокруг поршня. Идеально подойдёт лёгкая бальза.
b) Склейте круги в цилиндр. Высота цилиндра должна составлять примерно 2/3 высоты банки (наша банка 10.5 см, цилиндр — около 7 см).
Сборка деревянной рамы
Рама будет удерживать всю конструкцию двигателя. Её конструкция достаточно проста и допускает корректировки.
a) Подготовьте две прямоугольные стенки из дерева размером примерно 20x30 см.
b) Вырежьте четыре бруска-опоры одинаковой длины (около 20 см).
c) Прикрепите бруски к стенкам. Верхние два бруска зафиксируйте шурупами по углам. Нижние два расположите так, чтобы на них устойчиво стояла банка, не проваливаясь (для банки шириной 7 см расстояние между брусками — около 6 см).
d) Просверлите соосные отверстия в обеих стенках на высоте примерно 10 см от верха. В них позже будет установлен коленчатый вал.
Важно сохранить пропорции, но абсолютная точность размеров не критична.
Изготовление коленчатого вала
Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращение.
a) Изогните проволоку от вешалки, создав три прямоугольных колена. Ориентируйтесь на схему с размерами.
(Фото: RimstarOrg на Youtube)
Подготовка шатунов (соединительных тяг)
Шатуны свяжут движущуюся часть банки с коленчатым валом.
a) Вырежьте две деревянные планки шириной около 0.5 см и длиной 10 см.
b) На верхнем конце каждой планки (отступив 1 см от края) сделайте небольшое отверстие (например, гвоздём). Убедитесь, что проволока вала свободно входит в него.
Создание рабочего колеса (или другого устройства)
Энергия от свечи в итоге заставит вращаться маховик. На этом этапе можно проявить фантазию и придумать, что будет приводить в движение ваш двигатель. Вращающийся вал может питать множество устройств. Для демонстрации цикла Стирлинга мы сделали простое колесо.
a) Вырежьте из дерева круг диаметром около 10 см. Просверлите в центре отверстие для крепления на вал.
Альтернативные идеи вместо колеса:
- Вентилятор.
- Систему шестерён.
- Часовой механизм.
- Элемент машины Руба Голдберга.
Финальная сборка двигателя
Теперь соберём все детали воедино!
a) Прикрепите нить к поршню-вытеснителю. Вбейте гвоздь в центр верхней части цилиндра, привяжите к нему нить, оставив достаточный запас. Поместите цилиндр в банку.
b) Отрежьте горлышко у надутого (чтобы растянуть) воздушного шарика. Иглой проденьте свободный конец нити через центр шарика.
c) С внутренней стороны шарика, по обе стороны от нити, воткните две канцелярские кнопки остриём наружу.
d) Наденьте нижние концы шатунов на острия кнопок.
e) Натяните шарик на горловину банки, обеспечив герметичность. Нить должна быть отцентрована, а шатуны — располагаться свободно. Края шарика можно дополнительно зафиксировать скотчем.
f) Проденьте коленчатый вал через отверстия в шатунах, расположив их в двух противоположных коленах вала.
g) Установите вал в отверстия на боковых стенках рамы. С внешней стороны рамы закрепите на валу маховик.
h) Прицепите скрепку к среднему колену вала внутри рамы. Привяжите к ней свободный конец нити от поршня, отрегулировав натяжение так, чтобы вал мог проворачиваться.
Запуск и первые испытания
После сборки можно запускать двигатель!
a) Установите свечу под банкой. Её можно разместить между нижними брусками рамы, а банку поставить сверху. При необходимости поднимите всю конструкцию на подставке.
b) Зажгите свечу и наблюдайте за результатом!
Колесо начнёт вращаться не сразу, а через минуту-другую, когда воздух внутри достаточно прогреется. Не расстраивайтесь, если с первого раза что-то пойдёт не так — это часть экспериментального процесса. Сборка такой модели — увлекательный проект, который открывает двери в мир альтернативной энергетики и изобретательства.