Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Μηχανή του ατμού

Ο δρόμος που οδήγησε στη μηχανή του ατμού αρχίζει από την αλεξανδρινή εποχή με τον Ήρωνα, περνά μέσα από τον Papin και τη χύτρα του και συνεχίζεται μέσα από τους Άγγλους και τους Σκοτσέζους μηχανικούς του 18^ου αιώνα . Γίνεται ένας εντελώς ΒΡΕΤΑΝΙΚΟΣ «δρόμος».

Από τις αρχές του 18^ου αιώνα οι ανάγκες των μεταλλευτικών επιχειρήσεων ωθούσαν την επινοητικότητα των μηχανικών σε εφευρέσεις που διαδέχονταν η μία την άλλη. Το 1712 ο Thomas NEWCOMEN κατασκεύασε μία μηχανική αντλία με έμβολο (πιστόνι) και κύλινδρο που έμελλε να χρησιμοποιηθεί επί πέντε περίπου δεκαετίες για την ΑΝΤΛΗΣΗ ΝΕΡΟΥ από τις στοές των ορυχείων. Η καινοτομία ήταν ότι ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΣΕ ΤΟΝ ΑΤΜΟ ΓΙΑ ΝΑ ΚΙΝΗΣΕΙ ΤΟ ΠΙΣΤΟΝΙ μέσα σε κύλινδρο έτσι ώστε να πετύχει παλινδρομική κίνηση. Το πιστόνι συνδεόταν με μία δοκό στηριγμένη σε υπομόχλιο κι αυτή με τη σειρά της με μία κανονική ατμοσφαιρική υδραντλία. Η ΦΩΤΙΑ ΖΕΣΤΑΙΝΕ ΤΟ ΝΕΡΟ ΜΕΣΑ ΣΤΟ ΜΕΓΑΛΟ ΚΑΖΑΝΙ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΟΤΑΝ ΑΤΜΟΣ Ο ΟΠΟΙΟΣ ΕΙΣΕΒΑΛΛΕ ΣΤΟΝ ΚΥΛΙΝΔΡΟ ΚΙ ΕΣΠΡΩΧΝΕ ΤΟ ΠΙΣΤΟΝΙ ΝΑ ΚΙΝΗΘΕΙ ΠΡΟΣ ΤΑ ΠΑΝΩ. Όταν το έμβολο έφθανε στην ανώτερη θέση, ένας κατάλληλος μηχανισμός διοχέτευε κρύο νερό το οποίο συμπύκνωνε τον ατμό. Η συνέπεια ήταν να δημιουργείται σχετικό κενό δηλαδή η προϋπόθεση ώστε η ατμοσφαιρική πίεση να αναγκάζει το πιστόνι να επανέλθει στην αρχική του θέση.

Ένα σωρό ΦΥΣΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ έπαιρναν μέρος στη λειτουργία της μηχανής. Θέρμανση, βρασμός, ψύξη, συμπύκνωση, παλινδρομική κίνηση, ισορροπία μοχλού, επιταχυνόμενες κινήσεις, επιβραδύνσεις, επίδραση της ατμοσφαιρικής πίεσης. Δίπλα σε αυτά και οι ακαθόριστη ακόμα ΕΝΝΟΙΑ που είχε σχέση με τη «δύναμη που κρυβόταν στο κάρβουνο» και το ωφέλιμο έργο που μπορούσε να προσφέρει η μηχανή. Ήταν συνεπώς απόλυτα δικαιολογημένο το να προκαλέσει το ενδιαφέρον όχι μόνο των μηχανικών και των επιχειρηματιών αλλά και των καθηγητών της Φυσικής. Στο πανεπιστήμιο της Γλασκόβης χρησιμοποιούσαν ένα μοντέλο της μηχανής αυτής για τα μαθήματα. Στα μέσα του 18^ου αιώνα εκατό περίπου τέτοιες μηχανές λειτουργούσαν στην Αγγλία αλλά όλες παρουσίαζαν το σοβαρό μειονέκτημα στο ζήτημα της ΑΠΟΔΟΣΗΣ. Ο εφοδιασμός του απαιτούσε βουνά ολόκληρα από κάρβουνα.

James WATT

Αυτή ακριβώς ήταν και η αιτία που έφερε τον νεαρό κατασκευαστή οργάνων James Watt – Τζέημς Γουότ, στην Ελλάδα τον λέμε Τζέημς Βατ - στο προσκήνιο. Γεννημένος στο Greenock της Σκοτίας στην πλευρά του Ατλαντικού , το 1764 ήταν 28 ετών, βρισκόταν στη Γλασκόβη και επισκεύαζε ένα μοντέλο της μηχανής Newcomen από αυτά που χρησιμοποιούσαν στο πανεπιστήμιο της Γλασκόβης για τα μαθήματα, όταν παρατήρησε «ΚΑΤΙ». «Είδε» ότι το κύριο μειονέκτημα της μηχανής οφειλόταν στην εισαγωγή και συμπύκνωση του υδρατμού μέσα στον ΙΔΙΟ κύλινδρο. Κατά τη λειτουργία της, καθώς το πιστόνι ανέβαινε προς τα πάνω έπρεπε ο ατμός να «παραμένει ατμός» χρειαζόταν συνεπώς να διατηρείται ζεστός ο κύλινδρος. Από την άλλη, κατά την επιστροφή του εμβόλου προς το κατώτερο σημείο του, για να διατηρείται το σχετικό κενό έπρεπε ο κύλινδρος να διατηρείται κρύος. Με λέξεις σημερινές ένα μέρος της ενέργειας ξοδευόταν επειδή σε κάθε επιστροφή του εμβόλου έπρεπε τα κρύα τοιχώματα του κυλίνδρου να ξαναζεσταίνονται.

Όλα αυτά σήμαιναν απώλεια ενέργειας τρομακτική. Ο 28χρονος Watt άρχισε να αναρωτιέται αν θα μπορούσε να ξεπεράσει αυτό το σοβαρό μειονέκτημα. Και το κατάφερε. Η λύση που έδωσε ήταν η χρησιμοποίηση ενός ΞΕΧΩΡΙΣΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ για τη συμπύκνωση του ατμού, ενός ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΗ δηλαδή που θα μπορούσε ΝΑ ΔΙΑΤΗΡΕΙΤΑΙ ΣΥΝΕΧΩΣ ΚΡΥΟΣ, ενώ Ο ΚΥΛΙΝΔΡΟΣ ΘΑ ΕΜΕΝΕ ΠΑΝΤΑ ΖΕΣΤΟΣ. Το αποτέλεσμα ήταν άμεσο. Η ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΑΥΞΗΘΗΚΕ. Με την εντυπωσιακή βελτίωση που πέτυχε αργότερα έμεινε στην ιστορία ένας από τους μεγαλύτερους εφευρέτες όλων των εποχών. Γιατί και οι συνέπειες φάνηκαν γρήγορα.

Οι μηχανές του είχαν ανάγκη από 5400 τόνους κάρβουνο το χρόνο αντί για 17000 τόνους που κατανάλωναν οι παλιότερες.

Το 1775 ο Watt ίδρυσε μαζί με τον επιχειρηματία Boulton το εργοστάσιο κατασκευής ατμομηχανών «Boulton & Watt» στο Μπέρμινχαμ και το 1778 άρχισε να τελειοποιεί την ατμομηχανή του χαμηλής πιέσεως, της οποίας την ευρεσιτεχνία είχε από το 1769. Ανέπτυξε την ατμομηχανή διπλής δράσης, στην οποία ο ατμός επενεργεί εναλλάξ και στις δύο κατευθύνσεις της κίνησης του εμβόλου.

http://www.k-wz.de/vmotor/dampfme.html

http://www.youtube.com/watch?v=8AsW2mWAmuQ

1784. Μηχανή των Watt και Bolton

Το έτος 1800 λειτουργούν στην Αγγλία 290 τέτοιες μηχανές και οι περισσότερες για την άντληση νερού από τα ορυχεία. Δέκα χρόνια αργότερα φθάνουν τις 5000 και η αξιοποίηση τους έχει διαδοθεί τόσο στη ΣΙΔΗΡΟΥΡΓΙΑ όσο και στην ΥΦΑΝΤΟΥΡΓΙΚΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ. Το 1807 θα κάνει το ταξίδι του το πρώτο ατμόπλοιο και επτά χρόνια αργότερα η πρώτη σιδηροδρομική μηχανή. Ήταν φανερό ότι η ανθρωπότητα είχε μπει στον αιώνα του ατμού.

Όλα αυτά ήταν επιτεύγματα των Βρετανών μηχανικών χωρίς ουσιαστικά καμία βοήθεια από την πλευρά της Φυσικής. Οι Βρετανοί μηχανικοί μάλλον πρόσφεραν γνώση στην επιστήμη χωρίς να διδάσκονται από αυτήν. Μόνο μετά το 1820 άρχισαν να παίζει κάποιο ρόλο οι θεωρητικοί. Κι αυτό έγινε με την εμφάνιση του Γάλλου Sadi CARNOT, την εισαγωγή της έννοιας ΕΝΕΡΓΕΙΑ και την οικοδόμηση της θερμοδυναμικής η οποία ακολούθησε. Και η οικοδόμηση αυτή δεν έγινε μόνο από Βρετανούς. Πήραν μέρος ως πρωταγωνιστές και οι Γάλλοι και ακόμα περισσότερο οι Γερμανοί.

Η ΑΤΜΟΜΗΧΑΝΗ ΥΠΗΡΞΕ ΜΙΑ ΣΗΜΑΝΤΙΚΗ ΔΑΣΚΑΛΑ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ. Εκτός των άλλων τους εξώθησε να επινοήσουν την έννοια ΕΝΕΡΓΕΙΑ και μέσα από αυτήν τους δίδαξε τι μπορούν να πετύχουν με τις ποσότητες μεταβιβαζόμενης ενέργειας αλλά και τι είναι αδύνατον να συμβεί με αυτές. Μερικές δεκαετίες αργότερα γύρω δηλαδή στο μέσον του 19^ου αιώνα θα οδηγηθούν μέσω των Άγγλων JOULE και Kelvin και των Γερμανών Mayer, Helmholtz και Clausius, στη διατύπωση της Διατήρησης της ενέργειας και του Δεύτερου νόμου της Θερμοδυναμικής.

H μονάδα «ένα Watt»

Πολύ αργότερα – το έτος 1889 - η μονάδα μέτρησης του μεγέθους «ΙΣΧΥΣ» με το οποίο προσδιορίζεται ο ρυθμός μεταβιβαζόμενης ενέργειας ονομάστηκε “ένα Watt”. Όταν μεταβιβάζεται ενέργεια με ρυθμό ένα Joule το δευτερόλεπτο λέμε ότι η ισχύς είναι “ένα Watt”. Οι Γάλλοι, οι Γερμανοί και οι Έλληνες την προφέρουν «βατ», ενώ οι άλλοι την προφέρουν «γουότ».

Συμβολίζεται με 1 W.

Το 1960 η μονάδα αυτή ενσωματώθηκε στο Διεθνές Σύστημα, το S.I.

Τόσο η εφεύρεση όσο και η βελτίωση της ατμομηχανής κατά τον 18^ο αιώνα ήταν έργο Βρετανών.

Ήταν μια βρετανική αποκλειστικότητα.

Τον 19^ο αιώνα η συνεχής πρόοδος στηρίχτηκε και σε Βρετανούς αλλά στο προσκήνιο της μηχανολογίας έκαναν την εμφάνισή τους και οι Γάλλοι με τον Sadi CARNOT και τον Victor Regnault , ενώ αργότερα η παρουσία των Γερμανών ήταν βαρύνουσα. Τόσο οι θεωρητικοί όπως ο Rudolf Clausius όσο και οι τεχνικοί, ο ένας μετά τον άλλο, ο Nicolas Otto, ο Karl Benz, o Daimler, ο Rudolf Diesel - και όχι μόνο αυτοί- έκαναν διαδοχικά την εμφάνισή τους και άνοιξαν δρόμους προς τις τετράχρονες μηχανές εσωτερικής καύσεως και τις χωρίς εσωτερική ανάφλεξη «ντήζελ» οι οποίοι θα οδηγούσαν στη μοτοσικλέτα στο αυτοκίνητο και στο αεροπλάνο για να επηρεάσουν όχι μόνο την ποιότητα της ζωής των ανθρώπων του μέλλοντος αλλά και τη νοοτροπία τους.