Você não precisa de uma oficina mecânica. Você precisa de três latas de refrigerante vazias e um pouco de paciência. É isso.
Este projeto recria uma das primeiras alternativas de combustão interna comercialmente viáveis: o motor Stirling. Não é apenas um truque para uma feira de ciências. É uma escultura cinética que se espalha em sua mesa. Ele gira um volante. Pode até gerar alguns watts de eletricidade se você tiver sorte.
Mas principalmente, isso prova um ponto. Robert Stirling projetou isso em 1816. Ele queria substituir o vapor pelo ar. O vapor era perigoso. Ele explodiu. As caldeiras explodiam com regularidade. O motor de ar quente de Stirling era mais seguro. Ele usou um “economizador”, agora chamado de regenerador, para reter o calor e aumentar a eficiência do combustível. Seu irmão James ajudou a refinar o design. Em meados do século 19, esses motores funcionavam em fundições.
No entanto, eles não eram poderosos o suficiente para substituir o vapor na indústria pesada. A revolução industrial exigiu torque bruto. Vapor entregue. O motor de Stirling proporcionava elegância. Hoje, entrega nostalgia.
Por que construir um motor Stirling de lata de Coca-Cola?
Construir um motor Stirling em lata de Coca-Cola ensina termodinâmica de uma forma que os livros didáticos não conseguem. Você observa o fluido de trabalho se expandir. Você vê isso se contrair. Você sente o trabalho mecânico sendo feito.
O princípio é simples. Uma fonte de calor, geralmente uma vela acesa, aquece o ar dentro da lata. O ar se expande. Ele empurra um pistão. O ar se move para uma seção mais fria. Ele contrai. O pistão se move para trás. Anexe um virabrequim. Adicione um volante. Você tem um motor.
A maior parte do que você constrói será “lixo” para a pessoa comum. Tampas de garrafas plásticas. CDs antigos. Borracha de balão. Mas juntos, eles criam movimento. É engenharia caseira. É criativo. E funciona.
Lista de peças para motor Stirling DIY
Você precisa de materiais específicos. Não improvise muito. A precisão é importante aqui.
- Três (3) latas de refrigerante de alumínio
- Um (1) balão de látex
- Dois (2) bicos de raios
- Quatro (4) blocos de terminais elétricos 5A
- Lã de aço
- Uma (1) tampa de garrafa plástica
- Fio de aço
- Fio de cobre
- Haste de passador
- Fio elétrico
*Linha de pesca - Três (3) discos compactos (CDs)
- Abridor de latas
- Faca utilitária
*Super cola
A mecânica de um motor de ar quente
Como ele realmente se move?
O ar interno se torna o fluido de trabalho. Quando a vela aquece o fundo da lata, as moléculas de ar aceleram. Eles empurram para fora. Essa pressão aciona o pistão. O pistão está conectado a um virabrequim. O virabrequim gira o volante. O volante transmite impulso através dos “pontos mortos” da rotação.
O ar então se move para a câmara superior. A câmara superior é mais fria. O ar perde calor. Ele contrai. O vácuo puxa o pistão de volta para baixo. O ciclo se repete.
É um loop termodinâmico. Nenhuma combustão dentro do cilindro. Sem faíscas. Apenas transferência de calor.
“O desejo de Stirling de criar uma alternativa mais segura ao vapor foi derrotado pela necessidade de mais energia.”
Primeiros passos: etapas de preparação
Antes de cortar o alumínio, você precisa se preparar.
Stirling não foi o primeiro a experimentar um motor pneumático. Mas ele foi o primeiro a torná-lo viável. Seu projeto de 1818 acionou uma bomba d’água em uma pedreira escocesa. Essa é a referência. Você está buscando esse tipo de confiabilidade.
Seu primeiro passo é reunir os materiais. Classifique-os. Verifique se há danos. Certifique-se de que suas latas de refrigerante estejam vazias e limpas. Remova todos os rótulos. Resíduos de cola estragam as vedações.
A seguir, prepare o balão. Você precisará cortar uma forma específica mais tarde. Prepare seu canivete. Lâminas afiadas fazem cortes limpos. Lâminas cegas rasgam a borracha.
Então, olhe para os CDs. Eles formarão a base ou a carcaça do volante. Eles precisam estar limpos e sem arranhões.
Finalmente, verifique seu fio. Cobre para condutividade. Aço para maior resistência. Linha de pesca para links de baixo atrito. Cada material tem uma função. Não os misture.
A construção começa com o cilindro. A lata de refrigerante fornece a contenção. Mas uma lata por si só não faz um motor. Você precisa de pistões. Você precisa de selos. Você precisa de uma maneira de transferir o movimento linear para a força rotacional.
É aí que entram os bicos dos raios. Eles atuam como rolamentos. A rotação suave é fundamental. O atrito mata esses motores. Se o pistão emperrar, o ciclo para. Você deve garantir que todas as partes móveis girem livremente.
Comece marcando suas latas. Meça duas vezes. Corte uma vez. O alumínio rasga facilmente. Ir devagar.
A anatomia de um motor Can
A filosofia de Larsen é simples o suficiente para ser irritante se você não a seguir. Pense como um relojoeiro. A precisão não é apenas uma sugestão aqui; é a diferença entre uma lata giratória e um peso de papel.
A maioria dos construtores presume que o motor Stirling é complexo. Não é. Os componentes principais são básicos. Você pode construir um com tambores de óleo. Você pode construir um com latas de tinta. O próprio Larsen preparou um de diversas panelas e frigideiras enquanto estava preso na casa de seus sogros no Dia de Ação de Graças. Funcionou.
Mas para o motor de lata de refrigerante, o alumínio é rei. É barato. Está pré-formado. É fácil de cortar. Não sobreviverá a uma pista de corrida, obviamente. Não suporta cargas pesadas. Mas ele lida perfeitamente com os micro-cavalos de potência de um ciclo termodinâmico DIY.
Selando o acordo
A câmara de pressão é onde a mágica acontece. Ou a miséria. Ele mantém o fluido de trabalho – geralmente ar – em um sistema fechado. O ar esquenta. Esfria. Ele se expande. Ele contrai.
Vazamentos são o inimigo. Todo mundo quer uma vedação perfeita. Larsen discorda. Na verdade, você precisa de um vazamento pequeno e controlado. Sem ele, a câmara torna-se um barómetro. Ele apenas reage às mudanças na pressão atmosférica ambiente. Não faz nada de útil. Um pequeno vazamento mantém a pressão interna desacoplada do mundo exterior, permitindo que o ciclo funcione.
Alguns entusiastas trocam o ar por hélio. Reage melhor durante o ciclo termodinâmico. Mais eficiência. Mais poder. Mas o ar é gratuito. Hélio não é. Comece com ar.
O batimento cardíaco
O mecanismo de acionamento traduz expansão e contração em movimento. Geralmente é fixado na lateral, mas pode ser integrado à estrutura do motor. Ele aciona um virabrequim.
Larsen chama o virabrequim de a parte mais crítica de toda a construção. Ele dita tudo. Tempo. Curso do deslocador. Velocidade do volante. Equilíbrio. Se você bagunçar tudo, bagunçará todo o motor. Gaste tempo com isso. Faça certo. Não é uma parte ter pressa.
Momento e Fricção
O volante não é apenas um suporte. É um dispositivo de armazenamento de energia. Quando o golpe de força é acionado, o volante absorve essa energia. Quando o motor precisa empurrar o deslocador para baixo contra o atrito e a resistência, o volante devolve essa energia.
Um volante balanceado não é negociável. Se estiver desequilibrado, o motor terá que trabalhar mais. Você não quer trabalho extra. You want efficiency. Uma roda desequilibrada significa que o deslocador atinge o topo da câmara e permanece lá. Dead stop.
### A Dança Termodinâmica
O deslocador move o ar. Não cria poder. Apenas muda o ar da zona quente para a zona fria.
Here is the cycle. Fonte de calor na parte inferior. Fonte de resfriamento na parte superior – gelo ou água fria geralmente funciona. Air heats up. Ele se expande. The displacer moves up. No topo, o ar atinge a superfície fria. It cools. Ele contrai. O deslocador desce.
Repita.
Isso não acontece automaticamente. Você precisa do mecanismo de acionamento, do virabrequim e do volante para coordenar o movimento.
O deslocador é normalmente um pedaço enrolado de lã de aço com um fio leve no centro. Novamente, a lógica do relojoeiro se aplica. Ele precisa deslizar livremente. Precisa preencher a maior parte da câmara. Deve permitir que o ar flua, mas restringi-lo apenas o suficiente. Minimize friction. Maximize effectiveness. Este é o tema constante. Cada parte luta pela eficiência.
The Heat Box
A caixa térmica é um suporte. Simples assim. Ele mantém o motor acima da fonte de calor.
Parece muito esforço para muito pouco resultado. Há uma satisfação tangível quando você termina a construção. Você soluciona os vazamentos. Você equilibra a roda. You light the match. Você o observa soprar sozinho.
O fascínio de Larsen começou há cinco anos. Poderia começar para você hoje.
Veja em ação
Se você ainda está cético, assista ao vídeo. Uma lata de refrigerante girando apenas na chama de uma vela. Não é mágica. É termodinâmica.
Mais sobre motores térmicos
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Fontes
- Marrom, Buster. “Como funcionam os motores de ar quente.” Hot Air Engines. (29 de fevereiro de 2012) http://www.hotairengines.com/WorkingDescription/Work.htm
- Editores da Revista Make; “O melhor da criação.” O’Reilly Media, Inc. 306-317.
-Larsen, Jim. StirlingBuilder. com. (29 de fevereiro de 2012) http://www.stirlingbuilder.com/
-Larsen, Jim. Entrevista pessoal. 2 de março de 2012
-Larsen, Jim. “Onze produtos de motor Stirling que você pode construir.” Publicado pelo próprio, janeiro de 2012. (29 de fevereiro de 2012)
-Larsen, Jim. “Motor Stirling rápido e fácil.” Autopublicado. Setembro de 2011. (29 de fevereiro de 2012) - Legal, Karim. “Como funcionam os motores Stirling.” HowStuffWorks. com. 4 de maio de 2001. (29 de fevereiro de 2012) https://www.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
-Purvis, Ben. “Dean Kamen desenvolvendo um híbrido ecológico que funcionará com qualquer coisa que queime.” Gizmag.com, 28 de junho de 2009. (1º de março de 2012) http://www.gizmag.com/dean-kamen-segway-hybrid-scooter/12096/
