היכולת לרתום אנרגיה היא המנוע החזק ביותר של ההתקדמות האנושית. מביות האש ועד לניצול כוח הרוח, האנושות תמיד חיפשה דרכים להניע את העולם. בפוסט הזה ננתח את אחת ההמצאות המשמעותיות ביותר אי פעם: מנוע הקיטור.
בסרטון שלפניכם (עם כתוביות בעברית) מערוץ © Real Engineering, נפרק לגורמים את המכניקה של המנוע, נבין למה הדגמים המוקדמים היו כה בזבזניים, ואיך שיפורים הנדסיים גאוניים סללו את הדרך לייצור החשמל המודרני.
כוח הקיטור בפעולה: טרקטור "מרשל" (Marshall 7nhp) משנת 1912. שימו לב למערכת הארכובה היחידה שהופכת את לחץ הקיטור לתנועה סיבובית עוצמתית.
מנוע הקיטור כקטליזטור היסטורי
האבולוציה של מנוע הקיטור שינתה את פני החברה באופן מוחלט. היא פתחה נתיבי מסחר חובקי עולם, הניעה הגירה המונית לערים והציתה את המהפכה התעשייתית. אך מעבר להיסטוריה, המנוע הזה לימד אותנו שיעורים קריטיים במדע ובהנדסה.
איך המנוע הראשון באמת פעל?
מנועי הקיטור השימושיים הראשונים נועדו לשאיבת מים ממכרות פחם. המכונות הללו היו מסורבלות ולא יעילות, אך הן מצאו "נישה" במכרות שבהם הדלק היה זמין וזול.
המכניקה פשוטה אך מבריקה: המנוע הופך את האנרגיה האצורה בפחם לחום. החום מרתיח מים ויוצר קיטור, שמתרחב בתוך צילינדר ודוחף בוכנה כלפי מעלה. בשלב זה הבוכנה נלחמת בלחץ האטמוספירי, אך לא מתבצעת עבודה מכנית ממשית (כי השרשרת מחוברת במתח בלבד).
המהפך: יצירת הוואקום
הקסם קורה כשמרססים מים קרים לתוך הצילינדר. הטמפרטורה צונחת, הקיטור מתעבה, והלחץ בתוך הצילינדר נופל. כעת, הלחץ האטמוספירי הוא זה שדוחף את הבוכנה בכוח חזרה למטה – וזהו "מהלך הכוח" שמבצע את העבודה המכנית.
פתרון בעיות היעילות: וואט ווילקינסון
למה המנועים המוקדמים בזבזו כל כך הרבה אנרגיה? הבעיה המרכזית הייתה קירור הצילינדר כולו בכל פעם מחדש. ג'יימס וואט פתר זאת בעזרת הוספת מעבה (Condenser) נפרד, המאפשר לקיטור להתקרר בלי לבזבז את החום של הצילינדר.
במקביל, ג'ון וילקינסון פתר בעיה הנדסית אחרת: דליפות. הוא המציא מכונת חריטה שאפשרה לייצר צילינדרים מדויקים מברזל יצוק. הדיוק הזה מנע מהקיטור לברוח, העלה את הלחץ המקסימלי והפך את המנוע לעוצמתי באמת.
המעבר לתנועה סיבובית וגלגל התנופה
כדי להפוך תנועה קווית (מעלה-מטה) לתנועה סיבובית, ההנדסה עברה לשימוש בארכובה (Crankshaft). המהנדסים סובבו את הצילינדר על צידו והחלו להשתמש בקיטור משני צדי הבוכנה.
כדי למנוע תנועה קופצנית ורעידות, נוסף גלגל התנופה (Flywheel). גלגל התנופה מתפקד כ"סוללה מכנית" – הוא אוגר אנרגיה קינטית ושומר על מומנט אחיד ותנועה חלקה לאורך כל המחזור.
מנוע הקיטור בעידן המודרני
אולי תופתעו, אבל מנוע הקיטור לא נעלם. גם היום, תחנות כוח גרעיניות, פחמיות וסולאריות משתמשות באותו עיקרון תרמי. הטכנולוגיה פשוט התפתחה לצורה יעילה בהרבה: טורבינות קיטור. הלקחים שלמדנו מהמנועים המגושמים של המאה ה-18 הם אלו שמספקים לנו חשמל במאה ה-21.
לסרטוני 'איך זה פועל' נוספים עם כתוביות בעברית או תרגום תוכן לעברית לַחֲצוּ על הקישור
