No necesitas un taller mecánico. Necesitas tres latas de refresco vacías y un poco de paciencia. Eso es todo.
Este proyecto recrea una de las primeras alternativas de combustión interna comercialmente viables: el motor Stirling. No es sólo un truco de feria de ciencias. Es una escultura cinética que resuena y se hace pedazos en tu escritorio. Hace girar un volante. Incluso podría generar algunos vatios de electricidad si tienes suerte.
Pero, sobre todo, demuestra un punto. Robert Stirling lo diseñó en 1816. Quería reemplazar el vapor con aire. El vapor era peligroso. Explotó. Las calderas explotaban con regularidad. El motor de aire caliente de Stirling era más seguro. Usó un “economizador”, ahora llamado regenerador, para atrapar el calor y aumentar la eficiencia del combustible. Su hermano James ayudó a refinar el diseño. A mediados del siglo XIX, estos motores funcionaban en fundiciones.
Sin embargo, no eran lo suficientemente potentes como para reemplazar el vapor en la industria pesada. La revolución industrial exigió un par bruto. Vapor entregado. El motor Stirling ofrecía elegancia. Hoy, transmite nostalgia.
¿Por qué construir un motor Stirling de lata de coque?
Construir un motor Stirling de lata de Coca-Cola te enseña termodinámica de una manera que los libros de texto no pueden. Observas cómo se expande el fluido de trabajo. Lo ves contraerse. Sientes el trabajo mecánico que se realiza.
El principio es simple. Una fuente de calor, normalmente una vela ligera, calienta el aire dentro de la lata. El aire se expande. Empuja un pistón. El aire pasa a una sección más fría. Se contrae. El pistón retrocede. Coloque un cigüeñal. Añade un volante. Tienes un motor.
La mayor parte de lo que construyas será “basura” para la persona promedio. Tapas de botellas de plástico. CD antiguos. Goma para globos. Pero juntos crean movimiento. Es ingeniería casera. Es creativo. Y funciona.
Lista de piezas para el motor Stirling de bricolaje
Necesitas materiales específicos. No improvises demasiado. La precisión importa aquí.
- Tres (3) latas de refresco de aluminio.
*Un (1) globo de látex - Dos (2) cabecillas de radios
- Cuatro (4) bloques de terminales eléctricos de 5A
- Lana de acero
- Una (1) tapa de botella de plástico
- Alambre de acero
- Alambre de cobre
- Varilla de pasador
- Cable eléctrico
- hilo de pescar
- Tres (3) discos compactos (CD)
- Abrelatas
- cuchillo utilitario
- Súper pegamento
La mecánica de un motor de aire caliente
¿Cómo se mueve realmente?
El aire del interior se convierte en el fluido de trabajo. Cuando la vela calienta el fondo de la lata, las moléculas de aire se aceleran. Empujan hacia afuera. Esta presión impulsa el pistón. El pistón está conectado a un cigüeñal. El cigüeñal hace girar el volante. El volante transmite impulso a través de los “puntos muertos” de la rotación.
Luego, el aire pasa a la cámara superior. La cámara superior es más fría. El aire pierde calor. Se contrae. El vacío empuja el pistón hacia abajo. El ciclo se repite.
Es un bucle termodinámico. No hay combustión dentro del cilindro. Sin chispas. Sólo transferencia de calor.
“El deseo de Stirling de crear una alternativa más segura al vapor fue derrotado por la necesidad de más potencia”.
Primeros pasos: pasos de preparación
Antes de cortar aluminio, debes prepararte.
Stirling no fue el primero en probar un motor neumático. Pero él fue el primero en hacerlo viable. Su diseño de 1818 accionaba una bomba de agua en una cantera escocesa. Ese es el punto de referencia. Su objetivo es ese tipo de confiabilidad.
El primer paso es reunir los materiales. Ordenarlos. Verifique si hay daños. Asegúrate de que las latas de refresco estén vacías y limpias. Retire todas las etiquetas. Los residuos de pegamento arruinan los sellos.
A continuación, prepara el globo. Tendrás que cortarle una forma específica más adelante. Tenga listo su cuchillo multiusos. Las hojas afiladas hacen cortes limpios. Las hojas desafiladas rasgan la goma.
Luego, mira los CD. Formarán la base o la carcasa del volante. Deben estar limpios y sin rayones.
Finalmente, revisa tu cable. Cobre para conductividad. Acero para mayor resistencia. Sedal para eslabones de baja fricción. Cada material tiene un trabajo. No los mezcles.
La construcción comienza con el cilindro. La lata de refresco proporciona la contención. Pero una lata por sí sola no hace un motor. Necesitas pistones. Necesitas sellos. Necesita una forma de transferir el movimiento lineal a fuerza de rotación.
Ahí es donde entran en juego las cabecillas de los radios. Actúan como cojinetes. La rotación suave es clave. La fricción mata estos motores. Si el pistón se atasca, el ciclo se detiene. Debes asegurarte de que cada parte móvil gire libremente.
Comience marcando sus latas. Mida dos veces. Cortar una vez. El aluminio se rompe fácilmente. Ir despacio.
La anatomía de un motor de lata
La filosofía de Larsen es lo suficientemente simple como para resultar molesta si no se sigue. Piensa como un relojero. La precisión no es sólo una sugerencia aquí; es la diferencia entre una lata giratoria y un pisapapeles.
La mayoría de los constructores asumen que un motor Stirling es complejo. No lo es. Los componentes principales son básicos. Puedes construir uno a partir de bidones de petróleo. Puedes construir uno con latas de pintura. El propio Larsen preparó uno con una variedad de ollas y sartenes mientras estaba atrapado en la casa de sus suegros para el Día de Acción de Gracias. Funcionó.
Pero para el motor de lata de refresco, el aluminio es el rey. Es barato. Está preformado. Es fácil de cortar. Obviamente, no sobrevivirá a una pista de carreras. No puede soportar cargas importantes. Pero maneja bien los microcaballos de fuerza de un ciclo termodinámico de bricolaje.
Cerrando el trato
La cámara de presión es donde ocurre la magia. O la miseria. Mantiene el fluido de trabajo, generalmente aire, en un sistema cerrado. El aire se calienta. Se enfría. Se expande. Se contrae.
Las fugas son el enemigo. Todo el mundo quiere un sello perfecto. Larsen no está de acuerdo. En realidad, necesita una fuga pequeña y controlada. Sin él, la cámara se convierte en un barómetro. Simplemente reacciona a los cambios en la presión atmosférica ambiental. No hace nada útil. Una pequeña fuga mantiene la presión interna desacoplada del mundo exterior, permitiendo que el ciclo funcione.
Algunos entusiastas cambian el aire por helio. Reacciona mejor durante el ciclo termodinámico. Más eficiencia. Más poder. Pero el aire es gratis. El helio no lo es. Comience con aire.
El latido del corazón
El mecanismo de accionamiento traduce la expansión y la contracción en movimiento. Suele estar fijado al lateral, pero puede integrarse en la estructura del motor. Impulsa un cigüeñal.
Larsen llama al cigüeñal la parte más crítica de toda la construcción. Lo dicta todo. Momento. Viaje del desplazador. Velocidad del volante. Balance. Si arruinas esto, arruinas todo el motor. Dedica tiempo a ello. Hazlo bien. No es una parte para apresurarse.
Momento y fricción
El volante no es sólo un accesorio. Es un dispositivo de almacenamiento de energía. Cuando se dispara el golpe de potencia, el volante absorbe esa energía. Cuando el motor necesita empujar el desplazador hacia abajo contra la fricción y la resistencia, el volante devuelve esa energía.
Un volante equilibrado no es negociable. Si está desequilibrado, el motor tiene que trabajar más. No quieres trabajo extra. Quieres eficiencia. Una rueda desequilibrada significa que el desplazador golpea la parte superior de la cámara y permanece allí. Parada total.
La Danza Termodinámica
El desplazador mueve el aire. No crea poder. Simplemente desplaza el aire de la zona caliente a la zona fría.
Aquí está el ciclo. Fuente de calor en la parte inferior. Una fuente de enfriamiento en la parte superior (normalmente funciona con hielo o agua fría). El aire se calienta. Se expande. El desplazador sube. En la cima, el aire golpea la superficie fría. Se enfría. Se contrae. El desplazador desciende.
Repetir.
Esto no sucede automáticamente. Necesita el mecanismo de transmisión, el cigüeñal y el volante para coordinar el movimiento.
El desplazador suele ser una pieza enrollada de lana de acero con un cable ligero en el centro. Una vez más, se aplica la lógica del relojero. Necesita deslizarse libremente. Necesita llenar la mayor parte de la cámara. Debe permitir que el aire fluya pero restringirlo lo suficiente. Minimizar la fricción. Maximizar la efectividad. Este es el tema constante. Cada parte lucha por la eficiencia.
La caja de calor
La caja de calor es un soporte. Así de simple. Mantiene el motor sobre la fuente de calor.
Se siente como un gran esfuerzo para muy poco resultado. Hay una satisfacción tangible cuando terminas la construcción. Usted soluciona los problemas de las fugas. Tú equilibras la rueda. Enciendes la cerilla. Lo ves flotar solo.
La fascinación de Larsen comenzó hace cinco años. Podría comenzar para usted hoy.
Véalo en acción
Si aún tienes dudas, mira el vídeo. Una lata de refresco girando sobre nada más que la llama de una vela. No es magia. Es termodinámica.
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Fuentes
- Marrón, Buster. “Cómo funcionan los motores de aire caliente”. Motores de aire caliente. (29 de febrero de 2012) http://www.hotairengines.com/WorkingDescription/Work.htm
- Editores de la revista Make; “Lo mejor de la marca”. O’Reilly Media, Inc. 2007. Págs. 306-317.
- Larsen, Jim. StirlingBuilder.com. (29 de febrero de 2012) http://www.stirlingbuilder.com/
- Larsen, Jim. Entrevista personal. 2 de marzo de 2012
- Larsen, Jim. “Once productos de motores Stirling que puedes construir”. Autoeditado, enero de 2012 (29 de febrero de 2012).
- Larsen, Jim. “Motor Stirling rápido y sencillo”. Autoeditado. Septiembre de 2011. (29 de febrero de 2012)
- Bien, Karim. “Cómo funcionan los motores Stirling”. HowStuffWorks.com. 4 de mayo de 2001. (29 de febrero de 2012) https://www.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
- Purvis, Ben. “Dean Kamen desarrolla un híbrido ecológico que funcionará con cualquier cosa que se queme”. Gizmag.com, 28 de junio de 2009. (1 de marzo de 2012) http://www.gizmag.com/dean-kamen-segway-hybrid-scooter/12096/
