Turbiny odrzutowe
Co ciekawe, początki historii tych turbin daje się zauważyć już prawie dwa tysiące lat temu, czyli na początku naszej ery. Właśnie wtedy działał konstruktor pierwszej z nich - grecki matematyk, fizyk i wynalazca, znany jako Heron z Aleksandrii. Dokładne daty jego urodzin i śmierci nie zostały dotychczas ustalone, ale najprawdopodobniej żył w latach 10-70 n.e. To właśnie jemu zawdzięczamy m.in. znany wzór na pole trójkąta, wynalezienie koła wiatrowego, fontanny, organów napędzanych wiatrem oraz machin miotających, używanych podczas dawnych działań wojennych. Heron zbudował też chyba pierwszy w dziejach techniki silnik cieplny - wszystkie cechy takiego silnika wykazywała skonstruowana przez niego turbina, nazywana czasami po polsku kulą lub banią Herona, a po grecku aeolipile (fot. 1).
Turbina Herona składała się z kulistego naczynia, z którym zostały połączone dwie rurki. Początkowe odcinki rurek były skierowane prostopadle do powierzchni kuli, a końcowe - zgięte pod kątem prostym w odwrotne strony. Oznacza to, że wyloty rurek były styczne do powierzchni kuli. Ponadto, obie rurki przymocowano do kuli po jej przeciwległych stronach, w jednej płaszczyźnie. Kula mogła obracać się wokół dwuczęściowej, poziomej osi, przechodzącej przez wierzchołki dwóch wsporników, ustawionych po obu stronach kuli. Wsporniki wraz osią stanowiły zgięte pod kątem prostym kawałki rury, których dolne końce osadzono w pokrywie kociołka umieszczonego pod kulą. Pod kociołkiem znajdowało się palenisko.
Trochę teorii i historii
Żeby uruchomić turbinę Herona, należało nalać wody do kociołka i rozpalić pod nim ogień. Po pewnym czasie woda zaczynała wrzeć. Wytwarzana wtedy intensywnie para wodna przechodziła przez wsporniki i oś, a następnie wypełniała kulę i wypływała z rurek. Ponieważ w rurkach zmieniał się kierunek przepływu pary, musiała działać na nią siła ze strony rurek, która powodowała zmianę tego kierunku. Siła ta była zwrócona w kierunku wypływu strumieni pary. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona, para również działała na każdą z rurek siłą reakcji o takiej samej wartości, ale przeciwnie zwróconą. Siły te były przyłożone w pewnej odległości od osi obrotu kuli i prostopadłe do jej promienia, więc ich moment był różny od zera. Moment ten powodował obrót rurek wraz z kulą, w kierunku przeciwnym do kierunku zgięcia rurek i wylotu pary. W skrócie można powiedzieć, że obrót kuli zachodził w wyniku zjawiska odrzutu, spowodowanego wypływem strumieni pary ze zgiętych rurek.
Działanie turbiny Herona da się również wyjaśnić, korzystając z zasady zachowania momentu pędu. Warto tu jednak zwrócić uwagę, że nie można tego poprawnie wytłumaczyć, korzystając z zasady zachowania pędu tak jak w przypadku np. lotniczych czy rakietowych silników odrzutowych. Istnieją ku temu dwa powody. Po pierwsze, suma pędów obu strumieni pary jest równa zero, a po drugie - kula jest bryłą sztywną i do opisu jej zachowania należy stosować wielkości charakteryzujące ruch obrotowy.
Wspomniano wcześniej, że turbina Herona była też prawdopodobnie pierwszym silnikiem cieplnym w historii techniki. Wyjaśnijmy krótko, dlaczego. Energia kinetyczna ruchu obrotowego kuli była uzyskiwana za pośrednictwem energii kinetycznej strumieni pary. Para nabywała tej energii w wyniku wzrostu temperatury wody. To z kolei odbywało się przez dopływ ciepła, zachodzący podczas spalania paliwa pod kulą. Turbina Herona przetwarzała więc energię wewnętrzną paliwa za pośrednictwem ciepła na energię mechaniczną, a to właśnie jest charakterystyczną cechą silników cieplnych.
W latach 70. ubiegłego wieku fabryki pomocy naukowych produkowały tzw. młynek parowy odrzutowy, który stanowił zmodyfikowaną wersję turbiny Herona (fot. 2). Składał się on z zamkniętego naczynia w kształcie dysku, wykonanego z dość grubej blachy mosiężnej. Z górnej części naczynia wychodziły dwie cienkie rurki, skierowane analogicznie, jak w turbinie Herona. Zamiast zagięcia rurki zamknięto na końcach i wykonano w ich bocznej powierzchni małe otworki. W górnej części naczynia był też otwór o stożkowym brzegu, przeznaczony do wlewania wody. Naczynie miało od dołu zagłębienie, służące jako łożysko. W zagłębienie to wchodziła stożkowa końcówka, przymocowana do obejmy, mającej kształt litery C. Otwór w naczyniu zamykany był nakrętką, wkręcaną w górną część obejmy. Dzięki temu naczynie mogło się swobodnie obracać w obejmie wokół swojej osi pionowej. Obejma była wyposażona w miseczkę, umieszczoną pod naczyniem i przeznaczoną do nalewania denaturatu. Żeby młynek zaczął pracować, należało nalać wody do naczynia, umieścić je w obejmie i wkręcić nakrętkę. Do miseczki wlewało się denaturat i zapalało. Woda ogrzewana w naczyniu ulegała zmianie w parę, która, wypływając przez otwory w rurkach, napędzała młynek, tak samo jak wcześniej opisaną turbinę Herona.
Być może jakiś egzemplarz tego przyrządu przetrwał kolejne reformy systemu edukacji, przeprowadzane systematycznie w naszym kraju, i uda się go odszukać w szkolnej pracowni fizycznej.
Młynek Segnera
Innym przykładem turbiny odrzutowej jest młynek Segnera. Jego konstruktorem był niemiecki fizyk, botanik i astronom pochodzenia węgierskiego, Johann Andreas Segner, żyjący w latach 1704-1777. Taki młynek również był produkowany w Polsce przez fabryki pomocy naukowych, około trzydziestu lat temu. Za granicą jest wytwarzany do dziś.
Młynek Segnera składa się z szerokiej, pionowej rury, zamkniętej u dołu płaskim dnem. Z tą rurą, tuż ponad jej dnem, połączone są cztery cienkie rurki, ustawione radialnie co 90o i też zamknięte na końcach. Przy końcu każdej z rurek wykonany jest mały otworek. Wszystkie otworki znajdują się po tej samej stronie rurek, patrząc np. od góry po prawej. Szeroka rura zaopatrzona jest na końcach w krótkie pręty, umieszczone w łożyskach, dzięki czemu może obracać się wokół pionowej osi. Całość wstawiono do szerokiego, cylindrycznego naczynia, obejmującego dolną część rury.
Gdy do szerokiej rury wlejemy przez jej otwarty górny koniec wodę, wówczas pod działaniem ciśnienia hydrostatycznego będzie ona wypływała przez otworki w cienkich rurkach. Łatwo się domyśleć, że wypływające strumienie wody spełniają w młynku Segnera tę samą funkcję, co strumienie pary w turbinie Herona. Wyjaśnienie zasady działania tego przyrządu jest więc bardzo podobne, jak podane poprzednio. Różnica polega na tym, że energia kinetyczna ruchu obrotowego uzyskiwana jest tutaj dzięki zmniejszaniu się energii potencjalnej ciężkości wody zawartej początkowo w szerokiej rurze. Gdy cała woda wypłynie z tej rury do naczynia - a chcemy, żeby młynek działał dalej, nie pozostaje nic innego, jak wyjąć to naczynie i przelać wodę do szerokiej rury. Młynek Segnera można traktować jako rodzaj turbiny wodnej z własnym zasobem wody, umieszczonym wewnątrz jej wirnika.
Turbina wodna
2 - rurka do picia napojów (słomka), 3 - woda, 4 - dolny kawałek nici, 5 - górny kawałek nici, 6 - strumień wody; b) szczegóły budowy krętlika: 1 - łącznik, 2 - kulka, 3 - dolny zaczep, 4 - górny zaczep, 5 - dolny koniec nici, 6 - górny koniec nici.
Przejdźmy teraz do eksperymentów przy użyciu samodzielnie zbudowanych przyrządów. Pierwszym z nich będzie turbina odrzutowa, zrobiona z plastikowej butelki od napojów o pojemności 1,5-2 l (rys. 1a). W tym celu w szyjce butelki wykonujemy dwa otworki wzdłuż średnicy, przewlekamy przez nie mocną nić i zawiązujemy jej koniec, tworząc mały trójkąt równoramienny. W pobliżu dna butelki wykonujemy dwa otwory o takiej średnicy, żeby można w nie wsunąć rurki do picia napojów, tzw. słomki, lub inne cienkie rurki. Otwory te również powinny znajdować się wzdłuż średnicy butelki.
Słomki powinny zawierać karbowane odcinki, tzw. kolanka, co umożliwi ich łatwe zginanie. Miejsca połączenia słomek z butelką uszczelniamy silikonem lub klejem Poxipol. Zewnętrzne końce słomek zginamy w przeciwne strony. Na miejsca zgięcia również nakładamy silikon lub klej, co pozwoli utrwalić kształt słomek.
Swobodny koniec nici wykorzystujemy do zawieszenia butelki. Najlepiej zawiesić butelkę nad szeroką, plastikową miską lub w łazience nad wanną - albo nad trawnikiem na działce lub w ogródku. Butelkę napełniamy wodą i obserwujemy jej zachowanie. Woda wypływająca z butelki wprawia ją w ruch obrotowy dzięki zjawisku odrzutu. Zgodnie z tym, co zostało napisane wcześniej, wszystko jest zrozumiałe. Jednak podczas działania tej najprostszej wersji turbiny odrzutowej spotka nas niespodzianka. Mimo wypływu wody butelka od pewnego momentu będzie wirowała wolniej, zatrzyma się i zacznie obracać się w przeciwną stronę. Dlaczego?
Powodem jest nić, która skręca się podczas obrotu butelki. Wzrastająca siła sprężystości skręcanej nici hamuje ruch butelki, a w pewnym momencie jej wartość staje się większa niż wartość sił odrzutu i butelka zaczyna obrót w przeciwną stronę. Żeby temu zapobiec, należy zawiesić butelkę nie bezpośrednio na nici, ale przy użyciu pomysłowego elementu, który nazywany jest krętlikiem lub karabińczykiem. Szczegóły budowy tego elementu przedstawia rys. 1b. Wewnątrz łącznika znajduje się mała kulka, która może obracać się z niewielkim tarciem. Dzięki temu obrót dolnego zaczepu, połączonego z jedną nicią, nie powoduje obrotu kulki i górnego zaczepu, połączonego z drugą nicią. W tej sytuacji obie nici pozostają nieskręcone.
Krętliki są używane m.in. przez wędkarzy i żeglarzy, żeby zapobiec skręcaniu żyłek i linek. Do naszych celów wystarczy bardzo mały krętlik. Ważne, żeby wykazywał jak najmniejsze tarcie. Ponadto krętlik powinien być umieszczony tuż ponad szyjką butelki.
Turbina parowa
Do zbudowania tej turbiny wykorzystamy szklaną probówkę o średnicy ok. 2 cm. Od góry należy ją zamknąć korkiem, w którym wywiercono dwa otworki. Do każdego z tych otworków wkładamy zgiętą dwukrotnie pod kątem prostym rurkę o średnicy 2-3 mm, najlepiej metalową. Zewnętrzne końce rurek muszą być skierowane w przeciwne strony i znajdować się w jednej płaszczyźnie. Jako rurki można wykorzystać zużyte wkłady od długopisów. Miejsca przechodzenia rurek przez korek uszczelniamy silikonem.
W korek wciskamy również zaczep z oczkiem, wygięty z kawałka drutu, np. ze spinacza biurowego, który posłuży do zawieszenia probówki. Z powodu omówionego już w poprzedniej części artykułu, zawieszenie wykonujemy na dwóch kawałkach nici rozdzielonych krętlikiem.
Celem uruchomienia turbiny nalewamy wodę do probówki i zamykamy ją szczelnie korkiem. Pod dnem probówki umieszczamy zapaloną świeczkę lub podgrzewacz do potraw. Po podgrzaniu wody do odpowiednio wysokiej temperatury ilość pary uchodzącej przez zgięte końce rurek staje się dostateczna do wprawienia probówki w ruch obrotowy. Turbina ta działa w taki sam sposób, jak opisana na początku artykułu "bania" Herona.
Turbina osobista
Na zakończenie wykonamy turbinę odrzutową, napędzaną powietrzem (rys. 3). Do tego celu wykorzystamy trzy rurki do picia napojów, o różnych średnicach. Dwie z nich powinny mieć tzw. kolanka w celu łatwego zginania i zbliżone do siebie lub takie same średnice. Koniec rurki o najmniejszej średnicy z kolankiem ścinamy ukośnie nożyczkami i wciskamy w koniec drugiej rurki z kolankiem o nieco większej średnicy. Połączenie obu rurek powinno być trwałe i szczelne. Jeżeli mamy rurki z kolankiem o takiej samej średnicy, również uda się je połączyć ze sobą – wystarczy w tym celu lekko ścisnąć w kierunku radialnym ukośnie ścięty koniec rurki. Drugi koniec rurki z kolankiem o najmniejszej średnicy nacinamy wzdłuż, po obu stronach, na odcinku ok. 1 cm. Na tę rurkę nakładamy tulejkę, otrzymaną przez odcięcie kawałka o długości ok. 2 cm z rurki o największej średnicy. Tulejka ta powinna swobodnie obracać się na rurce o najmniejszej średnicy. Nacięty koniec tej rurki rozginamy na zewnątrz, tak aby jego obie połówki utrzymywały się w tym położeniu i uniemożliwiały zsunięcie się tulejki. Każdą z rurek zginamy pod kątem prostym w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych, korzystając z kolanek. Ostatecznie turbina powinna przyjąć kształt pokazany na rys. 3 i fot. 4. Ponieważ kolanka rurek mają tendencję do samoistnego prostowania rurek, dla utrwalenia tego kształtu można je w stanie zgiętym pod kątem prostym posmarować silikonem lub klejem Poxipol.
Żeby wypróbować tę turbinę, obejmujemy tulejkę ustami i mocno dmuchamy w nacięty koniec rurki (rys. 4). Powietrze, wypływając z otwartego końca rurki o większej średnicy, spowoduje w wyniku odrzutu wirowanie obu rurek w płaszczyźnie pionowej.
Tym sposobem, przy użyciu bardzo prostych środków, wykonaliśmy efektowne doświadczenie. Zapewne zadziwi ono wielu oglądających i zechcą je powtórzyć. Pamiętajmy jednak, że ze względów - nazwijmy to elegancko - "sanitarno-epidemiologicznych" turbinka ta przeznaczona jest wyłącznie do osobistego użytku. Chętni do wykonania doświadczenia powinni więc zbudować swój własny egzemplarz, co zajmie im dosłownie kilka minut. Wystarczy przygotować kilka słomek i nożyczki.
Wyprzedziła epokę
Turbina Herona nie znalazła zastosowania do napędu żadnej maszyny. Miała bardzo małą moc i sprawność. Poza tym wynalazek ten pojawił się w czasach, gdy w napędach dominowała siła mięśni zwierząt i ludzi - istniało przecież niewolnictwo. Maszyn i urządzeń do napędu było wtedy też niewiele i nikt nie myślał o wykorzystaniu w tym celu pary. Krótko mówiąc, wynalazek wyprzedził swoją epokę i pozostał ciekawostką techniczną.
Obecnie rozwiązania konstrukcyjne bardzo podobne do turbiny Herona można znaleźć w zraszaczach do trawników, różnego rodzaju rozpylaczach, np. do farb, i w coraz powszechniej stosowanych w rolnictwie deszczowniach. Widowiskowe skutki zjawiska odrzutu zaobserwujemy też, gdy zbyt szybko otworzymy kran, do którego będzie przyłączony leżący na ziemi, rozwinięty wzdłuż linii krzywej, wąż ogrodowy. Zyskamy wtedy okazję do praktycznego zapoznania się również z elementami nauki o zjawiskach chaotycznych. Pamiętajmy tylko, żeby zachować bezpieczną odległość między obserwatorem i otwartym końcem węża...
