המצאת מנוע הקיטור

מנוע אטמוספרי

גם לאחר המצאתו של סאוורי נותרה בעינה בעיית הצפות המים במכרות. המצאתו של סאוורי הציגה מבוי סתום ולא נראה היה שניתן להתקדם בכיוון דרך הפתרון שהיא התוותה. את המים ניתן היה לשאוב בעזרת המתקן של סארווי רק עד לגובה מרבי מסוים. ניתן היה להגדיל גובה זה, אך לשם כך היה צריך לדחוס את אדי הקיטור לפני קירורם. דחיסת אדי הקיטור הייתה יוצרת לחץ אטמוספרי פנימי גבוה מידי בתוך הצינור החלול והוא עלול היה להתפוצץ. אכן דוודים רבים אשר שימשו כגליל עבור המתקן של סארווי התפוצצו בניסיונות שנערכו לשם הגדלת טווח ההעלאה של המשאבה.

היה זה מהנדס אנגלי אחר בשם

תוֹמַאס נְיוּקוֹמֶן (Thomas Newcomen)

אשר שם לעצמו כמטרה לבנות מכונה אשר תנצל בצורה יעילה את כוח הקיטור לטובת שאיבת מים מתוך המכרות המוצפים. ניוקומן היה סוחר במוצרי ברזל שרבים מלקוחותיו היו בעלי מכרות ברזל. כך ניוקומן התוודע לבעיה של מכרות המוצפים במים ובצורך להמציא מכונת שאיבה יעילה.

ניוקומן בחן את המכונה עם גליל הבוכנה שהמציא פפין והיה מודע לעיקרון הפיסיקלי שסאוורי ניצל של הריק הנוצר כאשר אדי הקיטור מתעבים בתוך כלי סגור. מצויד בשתי ידיעות אלו הוא ישב לתכנן מכונה חדשה. המכונה של ניוקומן כוללת גליל ובתוכו בוכנה. הבוכנה קשורה לצידה האחד של קורה הנעה סביב ציר העובר דרך מרכזה. לצידה האחר של הקורה קשורה משקולת. לפני הפעלת המכונה המשקולת מושכת את צד הקורה בה היא תלויה כלפי מטה, צד הקורה השני עולה מעלה ועמו הבוכנה הקשורה אליו.


מבנה כללי
1. התנור מייצר אדי קיטור
2. הצד הימני הכבד של הקורה נמשך למטה, קיטור נכנס לגליל
3. טיפות מים מותזים פנימה ואדי הקיטור מתעבים
4. וואקום נוצר בגליל
5. הוואקום מושך הבוכנה והקורה מטה, בוכנת המשאבה בצד ימין עולה
6. המים שהתעבו מוצאים החוצה, בצד ימין המים שנשאבו נפלטים החוצה

מנוע אטמוספרי של ניוקומן

החלל הגדול שנוצר בגליל מתחת לבוכנה ממולא באדי קיטור. מיד לאחר מילוי חלל הגליל באדי קיטור מותזים פנימה גם מים קרים. המים הקרים מצננים את דפנות הגליל מבפנים וגורמים להתעבות אדי הקיטור שבו למים. התעבות אדי הקיטור למים יוצרת ריק בתוך הגליל. הריק מתבטל על-ידי משיכת הבוכנה מטה כדי לאזן בין הלחץ האטמוספרי הנמוך שבחלל הכלוא מתחת לבוכנה ללחץ האטמוספרי של החלל החיצוני. כך מושגת תנועה של הבוכנה כלפי מטה. תנועת הבוכנה לא מושגת בזכות פעולת לחץ של אדי הקיטור! תנועת הבוכנה מושגת בזכות הפרשי לחץ אטמוספרי בין פנים חלל הגליל לבין חוץ הגליל. משום כך, נקראת המשאבה של ניוקומן בשם מנוע אטמוספרי.

מנוע אטמוספרי של ניוקומן בפעולה

אחרי שהבוכנה ירדה מטה מאפשרים שוב לאדי קיטור להיכנס לחלל שמתחת לבוכנה. כובד המשקולת שבצד השני של הקורה מושך למעלה את הבוכנה שבצד האחד של הקורה למצבה ההתחלתי. המשקולת הינה אופציונאלית בלבד, שכן יתכן והבוכנה של המשאבה לשאיבת המים כבדה דיה לעומת הבוכנה של המנוע. המערכת כוללת למעשה שתי משאבות, משאבה ראשית לייבוש שלולית המים ומשאבה משנית שמעלה מים למאגר מים קטן הנמצא בראש המתקן. מתוך מאגר המים הקטן נלקחים המים המותזים לתוך הגליל לצורך העיבוי וגם מים לתוך הדוד ליצירת אדים חדשים.

כעת נפנה אל החידוש המשמעותי שהציג ניוקומן. ניוקומן השכיל להבין שהתהליך המחזורי של חימום גליל הבוכנה כדי לייצר אדי קיטור ואח"כ קירורה כל פעם מחדש כדי לעבות אותם הוא מקור המכשלה ההופך את המכונה ללא יעילה. ניוקומן החליט להפריד בין גליל הבוכנה המכיל את אדי הקיטור ובין המקור המספק לו את אדי קיטור. כלומר, במקום לחמם את הגליל הקר עד שיווצרו בו בכל פעם מחדש אדי קיטור, הציע ניוקומן להחזיק דוד מים נפרד אשר ממנו יילקחו דרך צינור אדי קיטור בכמות הנדרשת ובזמן הנדרש. כך, אין צורך לחמם כל פעם מחדש את הגליל אשר בו הבוכנה נעה או לחכות עד אשר זה יתקרר. הדוד תמיד יהיה חם ויכיל אדי קיטור מוכנים לפעולה במשך כל זמן ההפעלה של המנוע.

בשנת 1712 הוקמה המשאבה הראשונה על בסיס מנוע הקיטור של ניוקומן במכרה פחם באנגליה. מחזור פעולה אחד של המשאבה נמשך כ- 5 שניות. בכוחה של המשאבה היה להרים כ- 40 ליטר מים מעומק של כ- 50 מטר. עדיין המכונה לא הייתה יעילה במונחים של היום, אך לתקופתה היא הייתה יעילה מספיק וכדאית מבחינה כלכלית. לראייה, הוקמו עוד תחנות שאיבה מהסוג שניוקומן תכנן באנגליה עצמה ובאירופה כולה.

בראשית דרכה מכונה זו לא היתה אוטומטית. ליד כל מכונת שאיבה היה מופקד פועל אשר הוקצה לו תפקיד מיוחד – לשחרר בכל מחזור פעולה של המכונה את השסתום המתאים כך שאדי הקיטור יצאו מהדוד אל תוך גליל הבוכנה. אך עד מהרה הפועל האנושי הוחלף במנגון אוטומטי אשר פתח את השסתום בכל פעם שהבוכנה חזרה וירדה שוב מטה. כך הושגה סופסוף מכונה המבצעת עבודה מכאנית באופן אוטומטי כאשר מקור האנרגייה המסופק לה הוא אנרגיית חום.

חיסרון בולט בפעולת המכונה הוא הצורך בקירור הגליל כדי לעבות את אדי הקיטור שבו. קירור הגליל גרר אחריו שני חסרונות. חיסרון ראשון הוא שאדי הקיטור הראשונים הנכנסים אל הגליל המקורר מתעבים מיידית והופכים למים עוד לפני שביצעו עבודה כלשהי. זהו בזבוז של אנרגית חום. רק לאחר שהתחממו דפנות הגליל דיים הפסיק הקיטור המוזרם לגליל להתעבות ונוצל להעלאת הבוכנה מעלה. חיסרון שני הוא שהצורך בקירור הגליל כדי לגרום לבוכנה לרדת חזרה מטה השהה את כל מחזור הפעולה של המכונה. כך שהייתה קיימת מגבלת מהירות פעולה של המכונה.

שני חסרונות אלו פגמו ביעילות המכונה שהציג ניוקומן והגבילו את שימושה רק במכרות הפחם, בהם הפחם מצוי בחינם ובשפע, כך שיעילות מרבית אינה הכרחית. עבור מכרות הברזל, הנחושת וכל היתר, בהן לא מצוי הפחם בשפע לא הייתה עלות ההפעלה של המכונה של ניוקומן זולה כלל וכלל. כך שאם ברצוננו לרתום את כוח הקיטור גם למקומות אחרים בהם לא מצוי מקור החימום, כצורת הפחם, בחינם ובשפע יהיה עלינו לפתור חסרונות אלו ולהציג מכונה יעילה יותר.

לפרק הקודם | לפרק הבא


[ מנוע לריכוך עצמות | ידיד הכורים | מנוע אטמוספרי | יחידת המעבה |
שכלול מנוע קיטור | ווסת צנטריפוגלי | כוח-סוס | סיכום ]





[ עמוד ראשי - המצאות | מתמטיקה קדומה | מספרים אי-רציונליים | משפט פיתגורס | גיאומטריה אוקלידית | אלגברה | התפתחות הסְפַרוֹת | משוואות קוביות וקווארדיות | מספרים מורכבים | לוגריתם | חשבון דיפרנציאלי ואינטגראלי | עיקרון הציפה | זכוכית מגדלת | משקפיים | מיקרוסקופ | טלסקופ | חוק סְנֵל | חוק בויל | חוקי התנועה | עיקרון ברנולי | שלושת חוקי התרמודינמיקה | טבלה מחזורית | מדידת מהירות האור | כוח לורנץ | קרינת רנטגן | טרנספורמצית לורנץ | תורת היחסות הפרטית | גילוי האטום | תורת היחסות הכללית | חשמל | חוק קולון | חוק אוהם | חוקי קירכהוף | נורת להט | מנוע קיטור | מנפה כותנה | מצלמה | מקרר | מזגן | מחשב | מכבש דפוס | כתב ברייל | טלגרף | טלפון | רדיו | טלוויזיה | כדור פורח | מצנח | רכבת | אופניים | מכונית | אווירון מדחף | מטוס סילון | אבק שריפה | תותח | רובה מוסקט | מרגמה | אקדח | מוקש | מקלע | רובה-מטען | הוביצר | תת-מקלע | רימון-יד | טנק | רובה-סער | פצצת אטום | תורת האבולוציה | פסטור | תיאוריית התורשה | פניצילין ]