ビームエンジン

これはビームエンジンです。約15馬力を継続的に生み出し、これは約150人分の力に相当します。このようなエンジンは蒸気を動力に変え、産業革命を推進しました。この記事では、最初の原理からエンジンを構築し、インタラクティブな図解を使って各アイデアを探求します（上のエンジンを2本指で回転させたり、ピンチでズームしたり、ドラッグしたり、⌘/Ctrl + スクロールでズームしたりしてみてください）。エンジンの旅を蒸気から始めましょう。 蒸気 下に、水を満たした鍋と、その下にある火があります。火が水を加熱すると、一部が沸騰し始め、蒸気に変わります。蒸気は驚くべき変化を遂げます。元の水の体積の1,700倍に膨張します。1カップの水は約400リットルの蒸気になり、浴槽2つを満たすのに十分です。蒸気が膨張するのに十分な空間がない場合、容器のすべての壁を押します。このすべての壁への押し付けが圧力であり、これを大気圧の倍数である「気圧」で測定します。蒸気は水の表面にも圧力をかけ、これは水が触れるすべての場所に圧力を均等に伝達します。次に、蒸気の特性を利用する方法が必要です。 ピストンとシリンダー ピストンは、シリンダー内にぴったりと収まる円形のディスクです。蒸気はピストンの片面に圧力をかけ、ロッドがその力を別の場所に伝達します。力は2つの要因に依存します。蒸気の圧力とピストンの面積です。1気圧の圧力差では、ピストンの1平方センチメートルあたり約1キログラムの力が生じます。初期のボイラー製造業者は、高圧蒸気を安全に利用する方法を知りませんでした。1そのため、より大きな力を得るために、ピストンを幅広くしました。面積は直径の二乗で増加するため、ピストンの幅を2倍にすると、同じ圧力で面積が4倍になり、力が4倍になります。これが、初期の蒸気機関が巨大なシリンダーを持っていた理由であり、時には人が中に入れるほどの幅がありました。下の図では、ボイラーの圧力は変化しません。ピストンが車を持ち上げることができるまで、幅だけを増やしてみてください。蒸気がピストンに圧力をかけることで、私たちは実際に仕事ができます。しかし、低圧蒸気はあまり強くありません。重い機械を動かすために、技術者は驚くべき情報源に目を向けました。それは大気です。 空気の重さ 空気は重さがないように感じますが、それは私たちがそれに囲まれているからです。あなたの手から大気圏のてっぺんまで伸びる、1平方センチメートルの空気の柱を想像してください。その柱は約1キログラムの重さがあり、大気はすべての平方センチメートルに約1キログラムの力を加えています。私たちは、私たち自身の内部にある空気や体液が同じ圧力で押し返してくれるため、この巨大な圧力に気づきません。しかし、片方の表面に圧力がかかると、もう片方の表面にかかる圧力はそのままです。ストローで飲み物を飲むときに起こることがこれです。口がストロー内の圧力を下げ、カップの中の飲み物に圧力をかけている大気がそれを上に押し上げます。オットー・フォン・ゲーリッケは、1654年にこの効果の壮観なデモンストレーションを行いました。彼は2つの銅半球を接合して約半メートルの球を作り、空気を抜き取りました。観察者たちは驚嘆しましたが、馬のチームでもその半球を引き離すことはできませんでした。大気は約2トンの力でそれらを締め付けていたのです！バルブを開けて空気を再び取り込むと、手で簡単に離れました。真空を作り出すことは、当初は非常に困難でした。ゲーリッケは、彼の球から労を惜しまず空気を汲み出さなければなりませんでしたが、蒸気はそれよりもはるかに速い方法で真空を作り出すことができます。容器を蒸気で満たし、その後、水のスプレーで冷却すると、蒸気は約1/1700の体積に凝縮します。シリンダーを蒸気で満たし、ピストンの下で凝縮させると、大気がピストンを真空へと押し込みます。ほぼ完全な真空は、以前に使用したのと同じ圧力差、つまりピストンの1平方センチメートルあたり約1キログラムの力を生み出します。半メートルの幅のピストンは、大気から約2トンの力を集めることができました。 ニューコメンのエンジン 1700年代初頭、鉱山は深くなり、浸水が大きな問題となっていました。坑道が水面下に入ると、水が絶えず染み込み、昼夜を問わず汲み出す必要がありました。ポンプは、円を描いて歩く馬のチームによって駆動されていました。一組の馬が疲れると、別の組が交代しましたが、最も深い鉱山は雨天時には依然として浸水し、貴重な石炭が放棄されなければなりませんでした。新しい解決策が必要であり、蒸気がその答えを提供することになります。トーマス・ニューコメンは鉱山に道具を供給しており、浸水が大きな問題であると同時に機会でもあることを知っていました。彼は真空ピストンストロークを、一日中稼働できるエンジンに変えるのに何年も費やしました。彼はピストンを巨大なロッキングビームの一端に接続し、もう一方の端に重いポンプロッドを吊り下げました。大気がピストンを下方に駆動し、ポンプロッドを持ち上げました。その重みによってピストンが引き戻され、シリンダーが再び蒸気で満たされました。ニューコメンの最初の成功したエンジンは、1712年にダドリー近くの炭鉱に設置されました。毎分約12ストロークで稼働し、1ストロークあたり約45リットルの水を50メートル持ち上げました。馬とは異なり、食料や休息なしで24時間稼働できました。同様のエンジンはすぐにコーンウォールからニューカッスルまで現れました。3ニューコメンのエンジンは機能しました！しかし、それは驚くほどの量の石炭を消費しました。シリンダーに直接噴霧された冷たい水は、蒸気とともに大量の鉄を冷やしました。蒸気の約4分の3は、各ストロークでシリンダーを再び加熱するために無駄にされました。鉱山はこのトレードオフに満足していました。なぜなら、彼らは廃棄物と見なされていた細かな石炭（スラック）を燃やしていたからです。それ以外の場所では、燃料費が単純に高すぎました。これにより、蒸気機関は50年間石炭鉱山に留まることになりました。 ボイラー ニューコメンは、蒸気自体ではなく、大気を使ってピストンを押すようにしたのはなぜでしょうか？彼のボイラーは十分に強くありませんでした。ハヤブサのボイラーは、周囲の大気よりも約20分の1しか圧力を生みませんでした。それは薄い銅または鉄の板をリベットで接合して作られており、幅広の壁と弱い継ぎ目は多くの圧力を安全に保持できませんでした。次のセクションで登場するジェームズ・ワットは、下のワゴンボイラーを使用しました。炉の上に広いチャンバーに水が置かれ、熱いガスが下を通過し、丸い屋根の下に蒸気が集まりました。広い底は熱を捉えるのに適していましたが、ワゴン型は圧力を保持するのにひどいものでした。下の図で蒸気圧を上げ、丸い屋根、平らな側面、内側に湾曲した底に何が起こるかを比較してください。図は、後期の製造業者がボイラー全体を屋根のように外側に湾曲させた理由も示しています。彼らは鉄板を長い円筒形に丸め、平らな側面と内側に湾曲した底を取り除きました。円筒を幅広くすると、圧力が同じでも、それを引き裂こうとする力が大きくなるため、ボイラーは狭く保たれました。4より良い鉄とリベット加工により、はるかに高い圧力が可能になり、1800年頃にはリチャード・トレヴィシックが数気圧でエンジンを稼働させていました。これで、ニューコメンが真空を利用した理由が理解できます。彼のボイラーは、大気圧を約50グラム/平方センチメートル上回る力しか生み出せませんでした。蒸気を凝縮させて大気にピストンを押させることで、彼は約1キログラム/平方センチメートル、つまり同じボイラーから約20倍の力を得ました。 ワットの独立凝縮器 1765年、ワットはグラスゴー大学でニューコメンエンジンの模型を修理していました。彼はそれが消費する蒸気の量に驚き、それがどこへ行くのかを理解しようとし始めました。彼は同僚のジョセフ・ブラックとこの問題について話し合いました。ブラックは水が沸騰する際に吸収される熱を研究していました。ブラックはそれを潜熱と呼びました。1キログラムの水を沸騰させるには、それを氷点から沸点まで加熱するのに必要なエネルギーの5倍以上が必要です。この知識を得て、ワットは蒸気の体積を凝縮するために必要な水の正確な量を計算しました。