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科学模型小制作 特简蒸汽机的做法图解

小制作 / 2015-01-15 / / 48061℃
许多人都认为詹姆士、瓦特(JamesWatt)发明了蒸汽机,但这不是事实。蒸汽机不是瓦特发明的,然而瓦特在改良蒸汽机的过程中,确曾作出最重要的贡献。

近代比较像样的蒸汽机,可以从17世纪晚期汤姆士、塞维利(ThomasSavery)设计的蒸汽机谈起。起初的这具蒸汽机,利用封闭容器中的水蒸汽,将煤矿中的积水排出,接着冷却该封闭容器,在容器中形成低压状态,以便再度使矿坑中的积水进入该容器中,重复这样的过程就能发挥抽水的功能。

1712年汤姆士、纽科门(ThomasNewcomen)改进了塞维利的设计,利用压力较大的蒸汽推动汽缸中的活塞,接着冷却汽缸,形成低压的状态而推回活塞,这活塞再经过连杆拉动抽水装置,可以抽出更深的矿井积水。

纽科门蒸汽机可以说得上是瓦特蒸汽机的前身。1763年瓦特在格拉斯古大学(GlasgowUniversity)修理纽科门蒸汽机,发现了纽科门蒸汽机有许多缺点。瓦特首先将冷却蒸汽的过程改放在另外的冷凝器中进行,大大提高了使用热能的效率,并在往后三十年间持续改良蒸汽机,发展出有曲柄、飞轮的往复式蒸汽机。

往复式蒸汽机构造精巧,运转时各部零件一起连动,力与美的结合相当引人入胜。在课堂上演示一具主要活动零件(包括活塞、气阀等)均可透视的透明蒸汽机(见图1),一定可以调动学生学习的兴趣。这具蒸汽机的汽缸是玻璃制的,活塞则用厚纸板制成,分流盒的部分构造则以透明压克力包覆,务求内部构造一目了然(见图2),凸显和协律动之美。为了安全和维修方便起见,这具蒸汽机不用蒸汽推动,而改用空气推动。在这具透明蒸汽机的蒸汽出口处接上吸尘器,则大气从进口灌入蒸汽机中,就像水蒸汽灌入蒸汽机一样,也能驱动这具用不同材料拼凑起来的蒸汽机快速运转。(如果实验室中有吹气机,例如:气垫轨要用的吹气机,在这具透明蒸汽机的蒸汽进口处直接接上吹气机,也能驱动这具蒸汽机运转。)

所需的材料如下:

(1)内直6cm,长12cm的玻璃管一支。

(2)厚约2mm的压克力板一片。

(3)硅胶管(软的管子即可)。

(4)轴承(培林)两个,内径4mm。

(5)木板二块,木条若干支。

(6)直径4mm、2mm的木杆若干支。

(7)厚纸一片。

[1][2][3][4][5][6]

制作过程:

甲、汽缸的部份:

将厚纸剪成直径恰略小于玻璃管内径的圆片,此圆片即作为活塞。可想而知,此圆片不可能完全密封玻璃管,但只要大致能与玻璃管内径一致,且可于玻璃管中轻易滑动即可。圆片中心钻一个直径4mm的小孔。在另一小片木板上钻一直径4mm的小孔,藉由此小片木板,将圆厚纸活塞与直径4mm木杆制成的连杆(见图3)结合在一起,而且使圆厚纸片垂直木质连杆。

再用两片木板制作此玻璃管汽缸的支架,其中之一钻一个直径4.5mm的小孔,并在旁边钻一个直径13mm的小孔;另一片则钻一个直径13mm的小孔即可,先将纸活塞和木连杆放在玻璃汽缸中,让木连杆从木板支架上4mm直径的孔伸出,再用AB胶,将玻璃管与木材支架密接,于是把纸活塞密封在玻璃管汽缸中。将木板支架用AB胶黏在木板底座上,直径4mm的连杆从木支架上的孔穿出后,要再立一个直立于底座的小支架,此小支架上端有一个直径约4.5mm的孔,可容纳连杆的另一端(见图4)。

乙、分流盒的部分:

分流盒的构造如5所示的透视图,其主要的功能是:利用口形木框的往复移动,改变空气的通道,使空气改变流动的路径,而能往复推动玻璃汽缸中的纸活塞。一共动用五片木板制作分流阀盒子。下方一片,两侧木板之一的上半部钻一个直径13mm的孔,另一侧木板的下半部则钻三个直径13mm的孔(此三孔中之左右分别经硅胶管连通玻璃汽缸支架上直径13mm的小孔)。再用两木板作黏在前后,其中一片木板上钻一个直径4.5mm的小孔。

5分流盒的构造。两侧木板之一的上半部钻一个直径13mm的孔,另一侧木板的下半部则钻三个直径13mm的孔。前后木板之一钻一个直径4.5mm的小孔。此盒中要恰好容纳一个口字型的木框在其中滑动。口字型的木框在左方时,气流从右侧孔,经右侧硅胶管,推动活塞,再将空气经左侧硅胶管,经左侧孔,导入分流盒中的口字型的木框,再从中间孔中排出;口字型的木框在右方时,过程即相反。

参见6,此盒中要恰好容纳一个口字型的木框在其中滑动,此口字型木框与另一个直径4mm的连杆连结,此直径4mm的连杆从盒子前方木板的直径4.5mm的小孔穿出,穿出之后也由另一根上方钻有直径4.5mm小孔的直立支架容纳其另一端(参见7)。此口字型的木框即为分流气阀,口字型的木框在左方时,即可引导气流,从三个直径13mm的孔之右侧孔,经右侧硅胶管,推动活塞,再将空气经左侧硅胶管,经左侧孔,导入分流盒中的口字型的木框,再从中间孔中排出;口字型的木框在右方时,过程即相反。最后此木盒上方用压克力闭封,使人能看到口字形木框作动的情形。

丙、音叉状连杆:

紧接着,须制作两音叉状连杆,如图8所示。为减轻重量此两支音叉状连杆上可多钻些孔。这两支音叉状连杆,借着如图9所示的木质简易轴承和直径2mm的木质插鞘,分别连接活塞的连杆和口字形木框的连杆。

丁、飞轮的部份:

10,用厚纸即可制作飞轮,飞轮两侧分别用一小块木片将飞轮固定在直径4mm的木质转轴上,此木质转轴藉两个滚珠轴承安装在支架上,转轴两侧黏牢两个曲柄和曲轴,此两曲柄互相夹90°角。将两叉状连杆再连接此两曲柄上的曲轴,这具蒸汽机及大功告成。

操作时。只要打开吸尘器,用吸尘器的吸管“吸”分流盒的下半部三个孔的中间孔(出口),空气立即由分流盒的另一侧上半部单孔(进口)进入蒸汽机(参见5)推动活塞,此蒸汽机即快速转动起来,所有活动零件运动的情形均可见。

相较于普通物理学中其他分支,热学的实验较少,这具蒸汽机除了散发出怀旧的古老味之外,也有助于在工业革命的反思中,演示热学的核心主题。要放大这具蒸汽机的尺寸、增加它的透明度均非难事,把玩制作之间乐趣无穷。

特简蒸汽机全貌

特简蒸汽机局部一

特简蒸汽机局部二

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