Silniki
Silnik to maszyna , która pozwala zamienić energię na pracę mechaniczną. Energia dostarczana jest w postaci paliwa. Zmagazynowaną w paliwie energię można uwolnić przez spalanie. Są dwa podstawowe rodzaje silników: silniki spalinowe, czyli silniki spalania wewnętrznego, oraz silniki spalania zewnętrznego , np. maszyny parowe, ponieważ spalanie paliwa zachodzi poza silnikiem.
Silniki napędzające obecnie pojazdy, statki i samoloty to silniki spalinowe. Olej napędowy lub benzyna spalane są wewnątrz silnika. Nie jest to szczególnie wydajny typ silnika- tylko 1/3 do energii zmagazynowanej w paliwie zamieniana jest na prace mechaniczną. Ponadto spaliny silników samochodowych zawierają wiele trujących substancji, m.in. ołów, tlenek węgla. Zaleta jest jednak szybkie wyzwalanie energii, bez potrzeby czekania na zagotowanie wody i powstania ciśnienia, jak w maszynie parowej.
Do lat 40 samoloty napędzane były przez silniki tłokowe, podobnie jak samochody, aż brytyjski inżynier Frank Whittle wynalazł nowy rodzaj silnika- turbinę gazową. Gorące gazy spalinowe powstające wewnątrz silnika obracają wałem turbiny zamiast popychać tłoki, jak w silniku samochodowym. W turbiny gazowe wyposażono kilka samochodów eksperymentalnych, ale silniki tłokowe nadal zdecydowanie dominują.
Turbina gazowa odniosła większy sukces jako napęd statków, szczególnie okrętów wojennych.
Silnik samochodowy
W ciągu ponad stu lat silnik samochodowy zmienił świat. Samochód zmienił się również. Niezgrabny mechaniczny powóz stał się szybkim, wygodnym samochodem.
Większość samochodów ma silnik benzynowy. Jeśli benzyna zmiesza się z powietrzem, powstaje wtedy iskra i eksplozja. Moc, która wytwarza się podczas eksplozji, obraca koła samochodu. Kierowca może zwiększać szybkość samochodu przez naciśnięcie pedału przyspieszenia. To powoduje, że do silnika dostaje się więcej benzyny.
Samochody poruszają się do przodu w wyniku obracania się przednich i tylnich kół. Silnik zazwyczaj umieszczony jest z przodu. Ruch tłoków silnika w górę i w dół powoduje obrót wału korbowego. Wał korbowy połączony jest ze sprzęgłem i ze skrzynia biegów. Sprzęgło oddziela silnik od skrzyni biegów. Kiedy kierowca naciska pedał sprzęgła, wał korbowy odłącza się od skrzyni biegów. Gdy kierowca musi wykorzystać maksymalnie moc silnika, włącza pierwszy bieg. Samochód potrzebuje dużej mocy silnika, aby ruszyć z miejsca lub wjechać na wzgórze. Kiedy jedziemy po równej, płaskiej drodze, włączamy najwyży bieg.
Silnik spalinowy
W silniku spalinowym paliwo jest spalane wewnątrz silnika. Silniki tego rodzaju stosowane są we wszystkich współczesnych samochodach, statkach i samolotach. Istnieją trzy rodzaje silników spalinowych: silnik benzynowy, silnik Diesla i turbina gazowa. We wszystkich trzech typach spalanie paliwa powoduje rozgrzanie powietrza. Gorące powietrze rozpręża się; jego ruch zamienić można na użyteczną pracę. W silniku benzynowym i w silniku Diesla powietrze rozpręża się wewnątrz cylindra i popycha tłok połączony z kołami pojazdu. W silniku benzynowym zapłon jest wywoływany przeskokiem iskry elektrycznej; w wysokoprężnym silniku Diesla samo wysokie ciśnienie mieszanki prowadzi do osiągnięcia temperatury zapłonu. Turbina gazowa i silniki odrzutowe nie maja wcale cylindrów. Wzdłuż silnika przepływa powietrze, które po sprężeniu rozgrzewa się w komorze spalania. Siła ciągu powstaje dzięki strumieniowi gazów uciekających od tyłu.
Paliwem w pierwszych silniku spalinowym zbudowanym w latach 60 ubiegłego stulecia był gaz. W 1885 r. Gottlieb Daimler zbudował silnik spalinowy na paliwo ciekłe- benzynę. W 1894 r. Inny niemiecki inżynier, Rudolph Diesel, skonstruował silnik nazwany później jego nazwiskiem. Pierwsze turbiny gazowe o znaczeniu praktycznym powstały dopiero podczas II wojny światowej w Wielkiej Brytanii i Niemczech. Turbiny gazowe są obecnie używane do napędzania szybkich łodzi i okrętów wojennych.
Silnik Diesla
Silnik Diesla jest silnikiem spalinowym, w którym spalany jest ciężki olej napędowy. Pierwszy silnik tego rodzaju skonstruowany został przez niemieckiego inżyniera Rudolfa Diesla w 1897 roku. Jego działanie polega na zasysaniu powietrza do cylindra i sprężaniu go za pomocą tłoka. W miarę sprężania powietrza podnosi się jego temperatura. Gdy do cylindra wtryskiwana jest dokładnie domierzona ilość paliwa powietrze jest już tak gorące, że następuje natychmiastowy zapłon. Z tego powodu silnik Diesla nazywamy wysokoprężnym. Paląca się mieszanka rozszerza się gwałtownie i zmusza tłok do ruchu w przeciwne stronę. Podczas następnego ruchu tłoka do góry spaliny wypychane są z cylindra. Ruch posuwisto-zwrotny tłoka przekładany jest za pomocą wału korbowego na ruch obrotowy kół pojazdu . Silniki Diesla używane są obecnie w prawie wszystkich pojazdach przemysłowych i w rosnącej liczbie samochodów. Ich popularność spowodowana jest niskimi kosztami eksploatacji, częściowo dzięki temu że olej napędowy jest tańszy od benzyny.
Silnik elektryczny
Silnik elektryczny to maszyna która zamienia energię elektryczna na ruch. Jego działanie opiera się na fakcie, że gdy przez drut umieszczony w polu magnetycznym płynie prąd, można wprawić go w ruch. Silniki elektryczne znajdują się w lodówkach, suszarkach do włosów, robotach kuchennych, zegarach i wielu innych urządzeniach.
W większości silników elektrycznych magnesy są nieruchome, podczas gdy cewka, przez którą płynie prąd obraca się między biegunami. Kiedy prąd płynie przez cewkę, wytwarza on dodatkowe pole magnetyczne wokół cewki. Ponieważ bieguny różnoimienne przyciągają się, a jednoimienne odpychają, cewka obraca się aż do momentu kiedy, kiedy jej biegun północny znajdzie się naprzeciw bieguna południowego magnesu stałego i odwrotnie. Wtedy następuje zmiana kierunku przepływu prądu i odwrócenie biegunów pola magnetycznego cewki, która wykonuje znowu pół obrotu, aby ustawić się w odpowiedni sposób względem magnesu stałego. Jeśli kierunek przepływu prądu zmienia się nadal, cewka wciąż się obraca. Jeżeli chcemy pobierać prąd ze źródła prądu stałego, konieczny jest komutator, który zmienia kierunek przepływu prądu co pół obrotu.
Silnik liniowy
Silnik liniowy, inaczej liniowy silnik indukcyjny to jeden z rodzajów silnika elektrycznego. Na ogół silnik elektryczny składa się z elektromagnesów umieszczonych wokół cewki z drutu. Gdy prąd elektryczny płynie przez cewkę, powstaje dodatkowe pole magnetyczne. Jego oddziaływanie z elektromagnesami sprawia, że cewka zaczyna się kręcić. Jeżeli elektromagnesy zostaną ułożone w linii, jeden za drugim, zamiast wokół cewki, to można sprawić, że metalowy pręt będzie przesuwał się wzdłuż tej linii- jest to wtedy silnik liniowy. Pierwsze takie silniki skonstruowano podczas II wojny światowej, aby ułatwić samolotom startowanie ze statków.
Silniki liniowe znalazły zastosowanie jako napęd dla superszybkich pociągów, które nie poruszają się po zwykłych torach, lecz unoszą się na poduszce powietrznej lub dzięki magnesom.
Silnik Wankla
Silnik Wankla jest rodzajem silnika spalinowego. Został skonstruowany w latach 50. przez niemieckiego inżyniera Feliksa Wankla. W zwykłym silniku ruch posuwisto- zwrotny tłoka musi być zamieniony na ruch kół. Połączenie pomiędzy silnikiem i kołami mogłoby być prostsze, jeśli tłok też będzie się obracał. W silniku Wankla trójkątny tłok obraca się wewnątrz komory o kształcie zbliżonym do ósemki. W czasie ruchu tłoka następuje zasysanie paliwa i powietrza przez specjalny otwór. Zapłon mieszanki wywoływany jest iskrą elektryczną. Gazy spalinowe rozszerzają się i popychają tłok.
Pierwszym samochodem z silnikiem Wankla był NSU Wankel Spyder. Pomimo małych rozmiarów silnika (500 cm3), samochód osiągał max prędkość 152 km/h. Pierwsze silniki tego rodzaju stwarzały wiele problemów. Uszczelki pomiędzy obracającym się tłokiem i komora szybko się zużywały, umożliwiając ucieczkę spalin do innych części komory. Silniki te zużywały też więcej paliwa niż inne silniki spalinowe, a ich spaliny powodowały więcej zanieczyszczeń.
Silnik odrzutowy
Pływak płynie odrzucając wodę do tyłu. Silnik odrzutowy pracuje w podobny sposób. Napędza statek powietrzny przez wyrzucanie gazów do tyłu. Silniki pracujące na tej zasadzie nazywamy silnikami odrzutowymi. Rakiety także mają silniki odrzutowe. Odrzutowiec różni się od rakiety tym że używa tlenu z powietrza do spalania paliwa w silniku, natomiast w rakietach tlen jest dostarczany do paliwa ze specjalnego zbiornika. Istnieją cztery typy silników odrzutowych. Są to silniki turboodrzutowe, turbośmigłowe, turbinowe dwuprzepływowe i odrzutowe strumieniowe. Silniki odrzutowe zastąpiły silniki tłokowe w wielu rodzajach samolotów. Jest po temu wiele przyczyn. Silniki odrzutowe ważą mniej niż silniki tłokowe. Także rzadziej się psują. Ich ruchome części kręcą się zamiast przesuwać się tam i z powrotem. To pozwala uniknąć wstrząsów. Silniki odrzutowe spalają tania naftę zamiast drogiej benzyny. Silniki odrzutowe mogą także nieść samoloty szybciej i wyżej niż silniki tłokowe. Niektóre odrzutowce bojowe mogą latać z prędkością 3 400 km/h.
Silnik parowy
Wrząca woda zamienia się w parę. Para wodna ma 1700 razy większą objętość niż woda, z której powstała. Jeśli więc wciśniesz parę do małego zbiornika, będzie ona mocno naciskała na ścianki. Jeżeli jedna z nich będzie ruchoma, to ciśnienie pary wypchnie ja na zewnątrz.
W XVIII wieku wynalazcy brytyjscy zaczęli wykorzystywać to zjawisko do budowy silników parowych. Pierwsze silniki parowe wykonywały prosty ruch tam i z powrotem. W silniku Tomasza Newcomena palenisko podgrzewało wodę w kotle. Woda dawała parę, która popychała tłok w cylindrze. Kiedy para ochłodziła się i skropliła, ciśnienie powietrza wpychało tłok z powrotem do cylindra. Silnik Newcomena był stosowany do pompowania wody w kopalniach.
James Watt zbudował silniejszy i sprawniejszy silnik, w którym tłok najpierw poruszał się w jedną stronę, a następnie w drugą. Drągi tłokowe obracały koło. Na początku XIX wieku takie silniki poruszały ciężkie ładunki szybciej niż zrobiliby to ludzie czy konie. Ponadto w odróżnieniu od ludzi i koni, silniki parowe nigdy się nie męczyły.
Silniki parowe napędzały maszyny w fabrykach, co umożliwiło rewolucję przemysłową. Napędzały też lokomotywy i parostatki. Po raz pierwszy ludzie podróżowali szybciej niż konno.
Silniki spalinowe w większości zastosowań zastąpiły silniki parowe. Ale wiele siłowni statków i generatorów w elektrowniach napędza para, która obraca koła zwane turbinami.