Přemístění vody pomocí ohně
16. 9. 2011
Rozhlédněte se kolem sebe! Rychlá auta, vysoké budovy a nekonečné množství spotřebního zboží. Žijeme v průmyslové éře, ve které naše civilizace využívá účinných technologií. V Michaelově experimentu ale otočíme kolo času zpátky a odhalíme začátky získávání mechanické síly. Uvidíme, jak potřeba přemístit vodu pomocí ohně vedla k automobilům, které řídíme dnes. Přidejte se k Michaelovi na úžasnou expedici kolem kotlů, pístů a páry. Budeme obdivovat vědecké základy, které vedly k těmto vynálezům, a necháme se oslnit lidmi, jejichž řešení uvedla vše do pohybu. A mladí nadějní vynálezci si mohou doma vytvořit svůj vlastní parní kotel z brček a plechovky od limonády.
Tereza: Rozhlédněte se kolem sebe. Rychlá auta, výškové budovy, superexpresy, letadla. A spousty dalších vymožeností.
Michael: Žijeme v době, v níž se práce i materiály zlevnily díky účinným technologiím, které naše civilizace vytváří.
Filip: Ale po velkou většinu našich dějin tomu tak nebylo. Žádné urychlení či zjednodušení neexistovalo. Veškerá práce se vykonávala hrubou silou lidí a zvířat.
Michael: Až přišla revoluce.
Filip: Revoluce?
Michael: Ano, správně. Revoluce. Revoluce průmyslová. A všechno to začalo stovky metrů v podzemí. Na místech, jako je toto – v dolech.
Tereza: Ve středověku pocházela většina cínu z Krušných hor. V 18. století byla velká ložiska tohoto kovu nalezena v Cornwallu, na jižním pobřeží Anglie.
Michael: Jak doly pronikaly stále hlouběji, často je zaplavovala voda. Utopilo se v ní mnoho horníků a voda zpomalovala i těžbu.
Tereza: Běžím! Je to jasné. Horníci potřebovali čerpadlo. Aby vytěžili vodu z šachty na povrch. A tohle byla vůbec první pumpa. Ano, máme rok 2011. Je poněkud modernější, ta naše. Jejich byla dřevěná vědra, nebo to byly koše anebo dokonce kůže, které plnili vodou. Posílám kýbl!
Tereza: Tahle pumpa využívala pouze síly svalů k tomu, abychom vodu dostali z bodu A, v našem případě ze dna šachty až do bodu B – tedy na zemský povrch.
Michael: V takovém průměrně velkém dole museli vyčerpat desetitisíce litrů vody každý den! To jsou stovky takovýchhle věder každou hodinu! Už jen dalších tři sta!
Tereza: Spoustu horníků zaměstnávalo právě takovéto vynášení vody. Těžba cínu tak byla pracná a velmi se prodražovala.
Michael: Až přišel náš první hrdina.
Tereza: Thomas Newcomen. Thomas Newcomen se narodil v Dartmouthu na pobřeží jižní Anglie, roku 1663. Byl baptistickým kazatelem a zároveň kovářem. Mezi jeho největší zákazníky patřili majitelé místních cínových dolů. A ty právě trápila voda, která jejich doly zaplavovala. Newcomen věřil, že má řešení. Vodní pumpu, kterou pohání stroj.
Michael: Newcomenovi bylo jasné, že k tomu, aby vyvinul účinné vodní čerpadlo poháněné motorem, potřebuje především způsob, jak přeměnit energii tepla na energii pohybovou.
Tereza: Počkej, já jsem myslela, že mě zveš na kávu. A ty chceš zase přeměňovat energie?
Michael: Ano.
Filip: Newcomen znal rozpínání a smršťování plynů změnou teploty. Tyto vlastnosti předvádí následující pokus.
Tereza: Do plastové láhve nejprve zachytíme vodní páru z varné konvice. Pára vyplňuje celý objem láhve.
Filip: Jakmile láhev ochladíme, horké molekuly vody kondenzují. Tím se tlak uvnitř láhve sníží natolik, že ji vnější atmosférický tlak rozdrtí.
Michael: Here is an alternative demonstration of the same principle.
Zde je jiná ukázka téhož principu.
Tereza: Máme tady plechovičku …
Filip: Do ní nalijeme trošku horké vody a přivedeme ji do varu.
Michael: Vaří.
Tereza: Vaří.
Filip: Plechovka je plná páry. Teď ji ve studené vodě prudce ochladíme.
Michael: A bum. Výsledný pokles tlaku uvnitř plechovky umožnil okolnímu atmosférickému tlaku, aby ji rozdrtil jako slon myš.
Filip: Na tomto principu přeměny energie jsem založil své strojem hnané vodní čerpadlo. Na jednom konci kyvadla je závaží, které táhne čerpadlo do zaplaveného dolu a zároveň zvedá píst. Jak píst stoupá, otvírá se ventil, který do válce žene horkou páru. Když je píst nahoře, otevře se druhý ventil, který do válce pouští studenou vodu. Ta způsobí, že pára kondenzuje a vytvoří uvnitř částečné vakuum. Atmosférický tlak pak tlačí píst dolů a donutí jej k dalšímu cyklu.
Michael: Přestože Newcomenův parní stroj převáděl teplo na pohybovou energii s účinností jediného procenta, přinesl do hornictví převrat. Každou minutu dokázal z dolu vyčerpat desítky věder vody.
Tereza: S jistou nadsázkou lze říci, že téměř přes noc se zlevnila nejenom těžba, ale i suroviny samotné. A to sebou přineslo neuvěřitelnou řetězovou reakci.
Filip: Stroje, schopné zvýšit účinnost práce a snížit materiální náklady, vedly k průmyslové revoluci a rozmachu strojírenství.
Michael: Průmyslová revoluce vedla také k ohromným změnám ve společnosti.
Tereza: V souvislosti s rozvíjejícím se průmyslem téměř přes noc vzrostl počet obyvatel měst na pětinásobek.
Filip: Průmysl znečistil řeky a také nestačily dosavadní vodní zdroje. Brzy se objevily velké zdravotní problémy. Následující epidemie cholery připravily o život statisíce lidí.
Michael: Zoufalí politici se obraceli na velké vědce a inženýry té doby se žádostí o řešení.
Tereza: Výsledkem bylo toto – čistá pitná voda. A věda opět zachránila svět.
Michael: V okolí měst sice byla čistá pitná voda, dostupná z rozsáhlých podzemních zdrojů, …
Tereza: … ovšem k čerpání miliónů litrů vody bylo potřeba nových, výkonných čerpadel.
Michael: Pro Newcomenův parní stroj to byl příliš velký úkol.
A new design of steam engine was required.
Byl potřebný parní stroj nové konstrukce.
Tereza: Na scénu vstupuje skotský inženýr James Watt.
Filip: Ten si uvědomil, v čem spočívala potíž Newcomenova systemu. Tím, že do téhož válce se střídavě posílala pára a pak studená voda, jeho stěny se neustále ochlazovaly a při každém pracovním cyklu se tak tepelná energie ztrácela.
Tereza: Watt přišel s myšlenkou doplnit parní stroj druhým, menším válcem, který je s tím hlavním propojen. Watt menší válec nazval kondenzační komorou.
Filip: Podle Wattova návrhu se studená voda vstřikuje jen do této kondenzační komory, a hlavní válec tak zůstává horký. Přeměna tepelné energie na pohybovou je tím účinnější.
Tereza: Aby Watt zvýšil výkon stroje, zlepšil Newcomenův původní návrh tím, že horní konec válce utěsnil a do horní části válce pouštěl pod nízkým tlakem páru.
Filip: Nespoléhal jen na atmosférický tlak. Síla nízkotlaké páry pomohla vakuu, vytvořenému kondenzací v komoře, zvýšit výkon při pohybu válce dolů a zvýšit i rychlost stroje.
Michael: Bingo! Watt’s engineering elegance helped provide clean drinking water to the masses and his efficiency-improved engine was soon being applied to a whole manner of different uses.
Trefa! Wattův strojařský důmysl pomohl získat čistou pitnou vodu masám a jeho parní stroj s vyšší účinností se brzy začal používat v nejrůznějších aplikacích.
Třeba jako je tato.
Tereza: Jen se pokochejte nádherou parního stroje, jaké se dnes už hned tak nevidí.
Michael: Pánové, připraven!
Filip: Dvouválcový parní stroj pracuje při tlaku páry devíti atmosfér – nebo-li 0,9 megapascalu.
Michael: Steam power!
Síla páry.
Filip: Parní stroj pohání vodní čerpadlo o výkonu osmi set litrů vody za minutu.
Tereza: Tato parní stříkačka se roku 1881 podílela na hašení slavného požáru Národního divadla v Praze. To je pořád pára, pára. Jestlipak máš, Michaele, páru, jak si udělat vlastní parní stroj doma?
Michael: Páru samozřejmě mám. Terinko, je to na tobě.
Tereza: A zase makaj ženský.
Filip: Obyčejná plechovka od piva nebo jiného nápoje je na začátku tohoto poněkud obtížnějšího konstrukčního úkolu. Zarovnaná boční stěna plechovky je základem pro výrobu našeho parního minikotle.
Tereza: Pozor na mírný přesah jednoho z konců plechu. Plech s citem přehneme.
Filip: Podél těchto pomocných čar na obou delších stranách plech dále zúžíme. Pozor: aspoň jeden z odstřižených pásků budeme ještě potřebovat!
Tereza: Obě podélné a uzavřenou příčnou stranu plechu opatrně ohneme pomocí ostré hrany – třeba pravítka. A znovu s citem stlačíme.
Filip: To je výsledná „kapsa“ parního kotlíčku.
Filip: Do ní zasuneme dvojici zploštěných plastových brček. To budou trubky našeho kotle.
Tereza: Pomocí kroužků izolepy náš kotlík pevně přichytíme k pracovní podložce – třeba ke čtvrtce papíru.
Filip: Pomocí dvousložkového epoxidového lepidla totiž musíme dokonale slepit prozatím jen ohnuté spoje na obou bočních stranách kotlíku.
Tereza: Tuto operaci nepodceňujte. Spoj nesmí propouštět ani vodu ani tlak zevnitř kotle!
Filip: Ve výsledném kotlíku zůstal už jen otvor pro dvojici ohýbacích brček. Jejich kratší část musíme zkrátit na necelé čtyři centimetry od kolínka.
Tereza: A obě brčka zasuneme do kotle. Otvory kolem brček epoxidovým lepidlem dokonale utěsníme. Ani tudy nesmí přetlak z kotlíku uniknout.
Filip: Finální dokončení parní lodičky zbylo na mně. Nevadí. Mám s tím téměř třísetleté zkušenosti. Krok číslo jedna: musíme ověřit, zda je náš parní stroj, který oba dva připravili, dokonale vzduchotěsný.
Tereza: Ano, pane Thomasi, neuniká. Ani bublinka.
Filip: Kotel naplníme vodou. Hotovo, až když druhou trubičkou vytéká zas ven. A promícháme.
Tereza: Okamžik pravdy. První zkouška funkčnosti. Na držáčku z alobalu máme tenkou svíčku na dorty. Kotlík s ponořenými brčky opatrně zahříváme.
Filip: Typické bafání potvrzuje, že náš parní stroj funguje.
Tereza: Podle schématu na těchto webových stránkách vystřihnete šablonu a pomocí ní z tvrdšího papíru i vlastní podpěru pro správné ohnutí výfukových brček.
Filip: Tuto podpěru správně sesadit a slepit je hračka. Obě brčka v ohýbacích harmonikách povytáhneme a ohneme. Správný úhel ohnutí zajistí právě ona podpěra. Kotlík i s brčky k ní jemně přichytíme izolepou.
Tereza: Správný úhel ohnutí obou brček definitivně zpevníme epoxidovým lepidlem.
Filip: Parní stroj je hotov. Teď jej nainstalujeme na naše plavidlo. Poskytli mi nevzhlednou, leč podivuhodně lehkou vaničku z jakéhosi polystyrénu. První plavba. Zapálíme svíčičku pod parním kotlem a čekáme. Podařilo se! Loď pluje!
Tereza: A na stejných principech pracují dnes milióny spalovacích motorů všude kolem nás.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough