В истории двигателестроения были иной раз весьма примечательные экземпляры, и сегодня мы поговорим о некоторых из них! 

И начнём, пожалуй, с одного из самых редких экземпляров, редко встречающихся даже в виде самодельных устройств… 

Но для начала, отметим, что не так часто встречаются двигатели, в которых в полной мере используется отсутствие давления — и наш красавец как раз относится к числу таковых, так как и представляет собой вакуумный двигатель. 

Забавно, что в английском языке подобного типа устройство проходит под названиями, наподобие «flame licker» («лижущий пламя») или «flame eater» («пожиратель пламени»), где причина появления такого названия становится хорошо понятна, если посмотреть на анимацию его работы:

Мы здесь видим, что в самом начале, когда поршень находится близко к верхней мертвой мёртвой точке, механическая тяга приоткрывает лепестковый клапан, после чего, поршень начинает движение в обратном направлении, в результате чего, в цилиндре образуется разрежение, куда засасываются продукты сгорания от источника огня. 

В определённый момент*, когда поршень несколько отошёл от верхней мёртвой точки, происходит закрытие впускного клапана, и горячие газы начинают активно охлаждаться (это довольно занятно и об этом ниже).

*Глядя на анимацию выше мы можем для себя отметить очень интересный момент — что лепестковый клапан остаётся открытым практически на всём протяжении движения поршня! То есть, двигатель работает половину цикла с открытым цилиндром, сохраняя сообщение с атмосферой! 

На самом деле, это не случайно, так как здесь мы имеем дело с довольно малыми силами, и, если бы клапан закрылся чуть ли не сразу, позволив впустить только небольшую порцию газов, то это увеличило бы сопротивление, так как, по сути, разряжение возникло в цилиндре гораздо раньше, чем необходимо — потому что движущийся поршень начал бы «растягивать» эту порцию, что создало бы тормозящий эффект, отбирая часть энергии у накопителя — маховика. 

А здесь, получается, что постоянно идёт подсос новых порций расширяющихся горячих газов, и перекрытие подсоса происходит только близко к нижней мёртвой точке. 

Так как цилиндр у такого рода двигателей обычно покрыт снаружи развитым оребрением, а поршень движется и объём цилиндра увеличивается — газы расширяются, с одновременным падением их температуры, и образованием некоторого разряжения внутри цилиндра — это разрежение и является частью условия, которое в дальнейшем поможет тянуть поршень в обратную сторону, в результате чего и начнёт совершаться работа. 

Так как в цилиндре всё же не вакуум, а только лишь частичное разрежение, на определённой фазе движения поршня (близко к верхней мёртвой точке), лепестковый клапан снова открывается, выбрасывая наружу остатки сжатых газов, после чего, с прохождением верхней мёртвой точки — процесс повторяется…

Почему двигатели подобного рода не получили широкого распространения: так как у них имеется существенный недостаток в виде ограниченной мощности, потолком которой является атмосферное давление: если посмотреть на анимацию выше, то там можно увидеть, что поршень перемещается в цилиндре, где в объёме, находящемся выше поршня, производится газовая работа, описанная выше; в то же время, мы видим, что с нижней стороны поршня — он полностью открыт воздействию атмосферного давления, таким образом, получается, что во второй своей фазе работы (когда происходит сжатие продуктов сгорания в цилиндре) — выше поршня образуется условно говоря «пустота», а снизу на него воздействует атмосферное давление, величина которого ограничена. Из этого и проистекает слабость развиваемого им усилия…

А теперь занятный момент, который я обещал выше: двигатель не случайно назван «вакуумным», потому что: когда поршень движется назад и цилиндр заполняется продуктами сгорания — задача стоит «выжечь» весь воздух, а собственно акт «тяги» осуществляется ТОЛЬКО когда спереди вакуум, а сзади — давит атмосфера. 

То есть, это, как если бы принцип «медицинских банок», когда людям ставят банки на спину в лечебных целях, — решили применить в инженерном изделии! :-D Интересно, случайно разработчик не медиком был? :-D 

Несмотря на это, такие двигатели получили некоторое распространение, как в промышленности, так и даже в «бытовых» применениях — например, известно использование подобного двигателя, в котором разрежение создавалось впускным трактом двигателя внутреннего сгорания автомобиля, с одновременным использованием атмосферного давления, для привода щёток стеклоочистителей легковых автомобилей!

Ну и, как оно выглядит в жизни:

Но мы же понимаем, что всё в технике относительно! ;-) и всегда можно создать устройство, с необходимым развиваемым усилием, для чего просто нужно учесть нюансы этого устройства! 

Таким образом, простым физическим увеличением размеров устройства можно добиться значительного развиваемого усилия — и в истории такие примеры известны: например, паровая машина Томаса Ньюкомена (1712 г.), которая при мощности в 8 лошадиных сил, могла поднимать воду, с глубины в 80 м!  

В ней половину цикла работал пар под давлением, а, во второй половине — атмосферное давление (над цилиндром), с вакуумом под цилиндром, который создавался за счёт быстрого охлаждения пара, что достигалось распылением в него холодной воды:

Тем не менее, из-за своей малой эффективности, в дальнейшем, они быстро уступили своё место гораздо более прогрессивному с точки зрения эффективности (встречал упоминание «в десятки раз») типу двигателей —Стирлинга, которые тоже позволяли отказаться от паровых машин, предоставляя больше безопасности при отсутствии в необходимости пополнения рабочего тела (т.е. необходимости долива воды в паровых машинах).

Говоря о двигателях Стирлинга, нельзя пройти мимо одной из его самых простых модификаций, реальных для повторения практически каждому — электрогенератор на двигателе Стирлинга, со свободным поршнем, например, свободно-поршневой двигатель Стирлинга (о котором я упомянул чуть выше), используемый в миссиях NASA*, — здесь мы видим классический двигатель Cтирлинга β-типа, с вытеснителем:

*Погодите пугаться, есть и гораздо более простая его модификация, о нём ещё будет ниже ;-)

Подробное описание работы подобных систем, пошагово, вы можете найти в вики, вот здесь — можно вкратце только упомянуть, что, по большому счёту, принцип работы основан на перемещении объёма газа наверх/вниз поршня-вытеснителя (в видео на самом верху установки), что приводит к соответствующим перемещениям рабочего силового поршня (в видео выше расположен внизу установки) — с которого и снимается полезная работа.

Только в космической свободно-поршневой версии, как мы видим, полностью убран маховик и шатуны, заменённые гибким подвесом. 

Достаточно подробно о подобных системах, строящихся энтузиастами (кое-кто из которых даже основал свою собственную компанию, с 1960-х годов производящую высокомощные Стирлинги подобного типа!) можно найти информацию здесь.

Несмотря на то, что здесь мы говорим о космических технологиях (в случае Стирлинга NASA), всё это весьма реально построить самому, где, например, одна из широко распространённых версий, представляет собой упрощенную адаптацию конструкции двигателя выше, с целью сделать его доступным для постройки каждому — для чего достаточно взять всего лишь три жестяные банки от напитков, резиновый шарик и магнитик:

Таким образом, на выходе получится весьма простое и наглядное устройство…

Если же вы хотите поэкспериментировать с более интересными с точки зрения физики (но менее эффективными с точки зрения выходной генерации электричества) устройствами, то есть один интересный вариант, о котором я уже говорил ранее — термоакустические двигатели.

Но для начала, немного теории…Когда в одной из прошлых статей мы изучали явление стоячих волн, то мы выяснили, что этот эффект был выявлен ещё Гельмгольцем, разработавшим одноимённый «резонатор Гельмгольца», который в ходе исследований выяснил, что любая ёмкость, в любой момент времени (об этом явно не говорится, но наверное имеет сделать оговорку — «в условиях газовой среды») заполнена звуковыми колебаниями, которые переотражаясь от стенок ёмкости, формируют в ней стоячие волны, за счёт интерференции этих самых волн. 

Таким образом, по всему объёму ёмкости оказываются распределены зоны пучностей (где амплитуда волны максимальна) и узлов (где амплитуда волны минимальна):

Частота этих волн зависит от физических размеров конкретного резонатора, то есть конкретной ёмкости. 

Этот факт можно использовать на практике, если, применяя технические ухищрения, искусственно раскачивать амплитуду волн!  

Основным для этого является установка радиаторов и нагревателей — в зонах пучностей и узлов соответственно:

Что означают зоны пучностей, если сказать по-простому: это зоны, где в широких пределах скачет давление газа! 

Поэтому, на картинке выше, можно видеть интересную модификацию теплового двигателя — термоакустический двигатель. 

В конкретно этой модификации звуковые колебания задаются обычным звуковым динамиком, после чего их амплитуда (грубо говоря, громкость) «раскачивается» с помощью установки нагревательных и охладительных радиаторов в нужных местах (в зонах пучности и узлов).

Таким образом, остаётся добавить только к этому устройству гибкую мембрану с магнитиком, установив её в зоне пучности (где давление скачет больше всего) — получаем в итоге активно колеблющийся туда-сюда магнит, вокруг которого остаётся установить только катушку и получать электрический ток…

Возможен и более простой вариант, который я показывал ранее, только здесь он используется для генерации звука, но, при желании, можно закрыть трубу справа мембраной (опять же, установив её в правильном месте, в зоне пучности) и также получать электрический ток:

Напоследок, можно отметить такой интересный момент, что если у вас возникнет идея поэкспериментировать с термоакустическими генераторами, то, как мы видим, наиболее интересным вопросом (можно даже сказать, жизненно важным!) является изучение распределения зон пучности и узлов, а также их протяжённости — от этого будет зависеть, какой длины и в каких местах требуется установить радиаторы, для оптимальной «раскачки» волны. 

Благо, в этом деле нам помогает открытый характер трубы, в которой происходит генерация — например, можно через правую открытую часть ввести в трубу на всю длину датчик давления, подключенный к микроконтроллеру (esp32, arduino и т.д.). 

Перемещать его (т.е. вытаскивать из глубины наружу), например, можно с помощью обычной нитки, наматываемой на вал шагового двигателя — таким образом, можно построить карту давлений* на всём протяжении трубы, результатом чего может быть построение оптимальной системы раскачки*.

* Предварительно установив заглушку с мелким отверстием под нитку с правой стороны трубы — т.к. стоячие волны, как мы выяснили, это результат интерференции отражённых волн. То есть, заглушка нужна, чтобы создать рабочие условия.

Таким образом, здесь есть возможность применить свои навыки на практике: программирование, микроконтроллеры, анализ данных — в общем, всё как мы любим…:-) Результатом чего может стать максимально оптимизированное устройство! Насколько я видел, так никто ещё не делал…;-)

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.