Non hai bisogno di un’officina meccanica. Hai bisogno di tre lattine di soda vuote e un po’ di pazienza. Questo è tutto.
Questo progetto ricrea una delle prime alternative a combustione interna commercialmente valide: il motore Stirling. Non è solo un trucco da fiera della scienza. È una scultura cinetica che sbuffa e si rompe sulla tua scrivania. Fa girare un volano. Potrebbe anche generare qualche watt di elettricità se sei fortunato.
Ma soprattutto dimostra un punto. Robert Stirling lo progettò nel 1816. Voleva sostituire il vapore con l’aria. Il vapore era pericoloso. È esploso. Le caldaie esplodevano con regolarità. Il motore ad aria calda di Stirling era più sicuro. Utilizzava un “economizzatore”, ora chiamato rigeneratore, per intrappolare il calore e aumentare l’efficienza del carburante. Suo fratello James ha contribuito a perfezionare il design. Entro la metà del 19° secolo, questi motori funzionavano nelle fonderie.
Tuttavia, non erano abbastanza potenti da sostituire il vapore per l’industria pesante. La rivoluzione industriale richiedeva una coppia pura. Vapore erogato. Il motore di Stirling trasmetteva eleganza. Oggi trasmette nostalgia.
Perché costruire un motore Stirling per lattine di Coca-Cola?
Costruire un motore Stirling per lattine di Coca-Cola ti insegna la termodinamica in un modo che i libri di testo non possono fare. Guardi il fluido di lavoro espandersi. Lo vedi contrarsi. Senti il lavoro meccanico che viene svolto.
Il principio è semplice. Una fonte di calore, solitamente una candela, riscalda l’aria all’interno della lattina. L’aria si espande. Spinge un pistone. L’aria si sposta in una sezione più fresca. Si contrae. Il pistone si sposta indietro. Collegare un albero motore. Aggiungi un volano. Hai un motore.
La maggior parte di ciò che costruisci sarà “spazzatura” per la persona media. Tappi di bottiglia in plastica. Vecchi CD. Gomma per palloncini. Ma insieme creano movimento. È ingegneria fatta in casa. È creativo. E funziona.
Elenco delle parti per il motore Stirling fai-da-te
Hai bisogno di materiali specifici. Non improvvisare troppo. Qui la precisione conta.
- Tre (3) lattine di soda in alluminio
- Un (1) palloncino in lattice
- Due (2) nippli per raggi
- Quattro (4) morsettiere elettriche da 5 A
- Lana d’acciaio
- Un (1) tappo di bottiglia di plastica
- Filo di acciaio
- Filo di rame
- Asta di centraggio
- Cavo elettrico
- Lenza
- Tre (3) compact disc (CD)
- Apriscatole
- Coltello multiuso
*Super colla
La meccanica di un motore ad aria calda
Come si muove effettivamente?
L’aria all’interno diventa il fluido di lavoro. Quando la candela riscalda il fondo della lattina, le molecole d’aria accelerano. Spingono verso l’esterno. Questa pressione aziona il pistone. Il pistone è collegato ad un albero motore. L’albero motore fa girare il volano. Il volano trasporta la quantità di moto attraverso i “punti morti” della rotazione.
L’aria si sposta quindi nella camera superiore. La camera superiore è più fresca. L’aria perde calore. Si contrae. Il vuoto riporta il pistone verso il basso. Il ciclo si ripete.
È un circuito termodinamico. Nessuna combustione all’interno del cilindro. Nessuna scintilla. Solo trasferimento di calore.
“Il desiderio di Stirling di creare un’alternativa più sicura al vapore fu sconfitto dalla necessità di più energia.”
Per iniziare: passaggi di preparazione
Prima di tagliare l’alluminio, devi prepararti.
Stirling non fu il primo a provare un motore ad aria. Ma è stato il primo a renderlo praticabile. Il suo progetto del 1818 alimentava una pompa dell’acqua in una cava scozzese. Questo è il punto di riferimento. Stai puntando a quel tipo di affidabilità.
Il tuo primo passo è raccogliere i materiali. Ordinali. Verificare la presenza di danni. Assicurati che le lattine siano vuote e pulite. Rimuovi tutte le etichette. I residui di colla rovinano le guarnizioni.
Quindi, prepara il palloncino. Dovrai ritagliarne una forma specifica in seguito. Tieni pronto il tuo taglierino. Le lame affilate eseguono tagli netti. Le lame smussate strappano la gomma.
Quindi, guarda i CD. Formeranno la base o l’alloggiamento del volano. Devono essere puliti e privi di graffi.
Infine, controlla il cavo. Rame per conduttività. Acciaio per resistenza. Lenza per maglie a basso attrito. Ogni materiale ha un lavoro. Non mescolarli.
La costruzione inizia con il cilindro. La lattina di soda fornisce il contenimento. Ma una lattina da sola non fa un motore. Hai bisogno di pistoni. Hai bisogno di sigilli. Hai bisogno di un modo per trasferire il movimento lineare in forza rotazionale.
È qui che entrano in gioco i nippli dei raggi. Fungono da cuscinetti. La rotazione fluida è fondamentale. L’attrito uccide questi motori. Se il pistone si blocca, il ciclo si interrompe. È necessario assicurarsi che ogni parte mobile ruoti liberamente.
Inizia contrassegnando le tue lattine. Misura due volte. Taglia una volta. L’alluminio si strappa facilmente. Vai piano.
L’anatomia di un motore per lattine
La filosofia di Larsen è abbastanza semplice da risultare fastidiosa se non la si segue. Pensa come un orologiaio. La precisione non è solo un suggerimento qui; è la differenza tra una lattina rotante e un fermacarte.
La maggior parte dei costruttori ritiene che un motore Stirling sia complesso. Non lo è. I componenti principali sono basilari. Puoi costruirne uno con i fusti di petrolio. Puoi costruirne uno con barattoli di vernice. Lo stesso Larsen ne ha messo insieme uno da pentole e padelle assortite mentre era bloccato a casa dei suoceri per il Ringraziamento. Ha funzionato.
Ma per il motore delle lattine di soda, l’alluminio è il re. È economico. È preformato. È facile da tagliare. Non sopravviverà a una pista, ovviamente. Non è in grado di gestire un carico serio. Ma gestisce perfettamente la micro-potenza di un ciclo termodinamico fai-da-te.
Sigillare l’affare
La camera a pressione è il luogo in cui avviene la magia. O la miseria. Contiene il fluido di lavoro, solitamente aria, in un sistema chiuso. L’aria si riscalda. Si raffredda. Si espande. Si contrae.
Le perdite sono il nemico. Tutti vogliono una tenuta perfetta. Larsen non è d’accordo. In realtà hai bisogno di una piccola perdita controllata. Senza di essa, la camera diventa un barometro. Reagisce semplicemente ai cambiamenti della pressione atmosferica ambientale. Non fa nulla di utile. Una piccola perdita mantiene la pressione interna disaccoppiata dal mondo esterno, consentendo al ciclo di funzionare.
Alcuni appassionati scambiano l’aria con l’elio. Reagisce meglio durante il ciclo termodinamico. Più efficienza. Più potere. Ma l’aria è gratis. L’elio no. Inizia con l’aria.
Il battito del cuore
Il meccanismo di azionamento traduce l’espansione e la contrazione in movimento. Di solito è fissato lateralmente, ma può essere integrato nella struttura del motore. Aziona un albero motore.
Larsen definisce l’albero motore la parte più critica dell’intera costruzione. Detta tutto. Tempistica. Viaggio del dislocatore. Velocità del volano. Bilancia. Se sbagli tutto questo, rovini l’intero motore. Dedica del tempo a questo. Fallo bene. Non è una parte da affrettare.
Momento e attrito
Il volano non è solo un oggetto di scena. È un dispositivo di accumulo di energia. Quando viene attivato il colpo di potenza, il volano assorbe quell’energia. Quando il motore ha bisogno di spingere nuovamente verso il basso il dislocatore per contrastare attrito e resistenza, il volano restituisce quell’energia.
Un volano equilibrato non è negoziabile. Se è sbilanciato, il motore deve lavorare di più. Non vuoi lavoro extra. Vuoi efficienza. Una ruota sbilanciata significa che il dislocatore colpisce la parte superiore della camera e rimane lì. Fermata morta.
La Danza Termodinamica
Il dislocatore muove l’aria. Non crea potere. Sposta semplicemente l’aria dalla zona calda alla zona fredda.
Ecco il ciclo. Fonte di calore sul fondo. Fonte di raffreddamento in alto: solitamente funziona il ghiaccio o l’acqua fredda. L’aria si riscalda. Si espande. Il dislocatore si sposta verso l’alto. Nella parte superiore, l’aria colpisce la superficie fredda. Si raffredda. Si contrae. Il dislocatore si abbassa.
Ripetere.
Ciò non avviene automaticamente. Per coordinare il movimento sono necessari il meccanismo di azionamento, l’albero motore e il volano.
Il dislocatore è tipicamente un pezzo arrotolato di lana d’acciaio con un filo leggero che passa al centro. Anche in questo caso si applica la logica dell’orologiaio. Deve scorrere liberamente. Deve riempire gran parte della camera. Deve consentire il flusso dell’aria ma limitarla quanto basta. Ridurre al minimo l’attrito. Massimizzare l’efficacia. Questo è il tema costante. Ogni parte lotta per l’efficienza.
La scatola del calore
La scatola termica è un supporto. Semplice proprio così. Mantiene il motore sopra la fonte di calore.
Sembra un grande sforzo per un risultato minimo. C’è una soddisfazione tangibile quando finisci la costruzione. Risolvi i problemi delle perdite. Metti in equilibrio la ruota. Accendi il fiammifero. Lo guardi sbuffare da solo.
Il fascino di Larsen è iniziato cinque anni fa. Potrebbe iniziare per te oggi.
Guardalo in azione
Se sei ancora scettico, guarda il video. Una lattina di soda che gira su nient’altro che la fiamma di una candela. Non è magia. È termodinamica.
Maggiori informazioni sui motori termici
- Come funzionano i motori Stirling
- Come funzionano i motori delle automobili
- Come funzionano i motori diesel
- Come funzionano i motori a due tempi
- Come funziona un motore a bulbo caldo
Fonti
- Marrone, Buster. “Come funzionano i motori ad aria calda.” Motori ad aria calda. (29 febbraio 2012) http://www.hotairengines.com/WorkingDescription/Work.htm
- Redattori della rivista Make; “Il meglio della marca.” O’Reilly Media, Inc. 2007. Pag. 306-317.
- Larsen, Jim. StirlingBuilder.com. (29 febbraio 2012) http://www.stirlingbuilder.com/
- Larsen, Jim. Intervista personale. 2 marzo 2012
- Larsen, Jim. “Undici motori Stirling che puoi costruire.” Autopubblicato, gennaio 2012. (29 febbraio 2012)
- Larsen, Jim. “Motore Stirling facile e veloce.” Autopubblicato. Settembre 2011. (29 febbraio 2012)
- Bello, Karim. “Come funzionano i motori Stirling.” HowStuffWorks.com. 4 maggio 2001. (29 febbraio 2012) https://www.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
- Purvis, Ben. “Dean Kamen sta sviluppando un ibrido ecologico che funzionerà con tutto ciò che brucia.” Gizmag.com, 28 giugno 2009. (1 marzo 2012) http://www.gizmag.com/dean-kamen-segway-hybrid-scooter/12096/
