今天,我们来学着制作一台200年历史的桌面发动机,让它成为你的作业伴侣。关键概念斯特林发动机。材料和操作:一个玻璃针管(塑料试管的摩擦比较大,效果可能会打折)、玻璃试管一个、能塞住试管的塞子、几枚弹珠、一段软管(直径和针管针口差不多)、钢丝、蜡烛。做法很简单:把弹珠放到试管里,用塞子塞好;用一段中空的软管连接针管和试管的塞子;把针筒打气的那端固定在桌面上。
注意:软管连接处要密封,漏气的话发动机就动不起来了。
我们刚刚做好的,是一个斯特林发动机(Stirling Engine),也叫热空气引擎。斯特林发动机是英国人 Robert Stirling 在1816年发明的,是一种活塞式热机。斯特林发动机和蒸汽机一样,一般被归为外燃机。
斯特林发动机的主要原理嘛,就是把气体这种可以压缩的介质保存在气缸(我们实验里的试管)里,通过加热让气体膨胀,再冷却收缩的过程做功。在我们的弹珠斯特林发动机里,加热试管的屁股时,气体膨胀,顺着吸管来到了针筒里,多余的空气推动针筒变高,拉动试管。试管移动后,带动弹珠滑到试管头部,试管的屁股离热源更远了,于是空气冷却,针管又变短了,试管又转回去,让弹珠滑到试管屁股的部位。就这样反复循环。
第一台斯特林发动机用处是把采石场的水泵干。在20世纪初,许多手工业者和小作坊就用斯特林发动机来充当通风设备、冷却设备、缝纫机什么的引擎。但是随着汽油、柴油还有电动发动机的发展,斯特林发动机逐渐退出江湖,目前只有比较有限的军事应用。
瑞典的南曼兰级潜艇(Södermanland-class)、新加坡的射手级(Archer-class)、日本的苍龙级潜艇用的就是斯特林发动机,因为斯特林发动机的一大优点就是运行的时候噪音小。
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