מנוע אטמוספרי
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
המנוע האטמוספרי של תומאס ניוקומן (Thomas Newcomen), המוכר כיום בשם מנוע הקיטור של ניוקומן (או פשוט "מנוע ניוקומן"), היה המכונה היעילה הראשונה שרתמה את כוח הקיטור ליצירת עבודה מכנית. השימוש בו לשאיבת מים ממכרות נפוץ ברחבי אנגליה ואירופה החל מראשית המאה ה-18, והוא היווה את הבסיס לגרסאות המשופרות יותר של מנוע הקיטור של ג'יימס וואט. וואט מוכר אומנם יותר, הודות לקידום המכירות הבלתי נלאה של מתיו בולטון (Matthew Boulton), אך ניוקומן ראוי בצדק לזכות ראשונים על תחילת הפצת השימוש במנוע הקיטור.
תוכן עניינים |
[עריכה] נסיונות ראשונים
עוד קודם זמנו של ניוקומן כבר נבנו מספר מנועי קיטור קטנים מסוגים שונים, אך רובם היו חפצי שעשוע במהותם. בסביבות שנת 1600 נערכו מספר נסיונות לנצל את כוח הקיטור להפעלת מזרקות קטנות; תחילה מילאו מים במכל ואחר כך העלו את לחצם באמצעות קיטור, שגרם לסילון מים לפרוץ החוצה. ברם, לא ניתן היה להוסיף ולהגדיל את ממדיהן של מכונות אלה, משום שבאותה תקופה לא הייתה קיימת עדיין היכולת לייצר מכלים גדולים העמידים בלחצים גבוהים.
אדוארד סומרסט (Edward Somerset), המרקיז השני של וורסטר (Worcester), פרסם ב-1662 ספר ובו רעיונות אחדים שהגה ופיתח. אחד מהם היה מזרקה מופעלת בכוח קיטור, אשר ניצלה את תופעת התת-לחץ ולאו דווקא את הלחץ. על פי תכנונו מולאו לסירוגין שני מכלים בקיטור, קירור המכל גרם לעיבוי הקיטור ולהיווצרות ואקום, שנוצל לשאיבת מים מבאר. מטען חדש של קיטור דחף החוצה מן המכל את המים שנשאבו לתוכו, כמו בדגמי המנועים הקודמים. על ידי הפעלת שני המכלים לסירוגין, בזה אחר זה, יכלה המזרקה לפעול באופן רציף למדי.
[עריכה] המנוע של סייוורי
ב-1698 הציג תומאס סייוורי (Thomas Savery) משאבה מונעת בכוח הקיטור אותה כינה בשם Miner's Friend ("ידידו של הכורה"). היא הייתה זהה במהותה לתכנונו של סומרסט וקרוב מאוד לוודאי שהועתקה ממנו. מאחר ששימשה לשאיבת מים ממכרות, המים לא הורחקו יותר מן הצילינדר על ידי מטען קיטור חדש, אלא פשוט ניתן להם לזרום החוצה דרך שסתום ברגע שהקיטור התעבה והצילינדר התמלא. תהליך הקירור ויצירת הוואקום היה איטי למדי, ועל כן הוסיף סייוורי מאוחר יותר אספקת מים קטנה דמויית סילון כדי להאיץ את קירור הקיטור ועיבויו.
כמו מערכות שאיבה מבוססות ואקום אחרות, ניצבה בפני סייוורי הבעיה כיצד לשאוב את המים מעומק גדול מ-10 מטרים. במכרות עמוקים יותר היה צורך להשתמש במשאבה מכנית מסוג כלשהו, כזו שדחקה את המים מעלה ולא ינקה אותם. משאבות מעין אלה היו נפוצות כבר, אך הצריכו מנגנון הפועל בתנועת הלוך-ושוב אנכית, שלא היה קיים במכונה של סייוורי.
המצאתו של סייוורי פעלה כמעין סיפון ולא היו בה חלקים נעים כלשהם. לפיכך אין לראות בה את מנוע הקיטור האמיתי הראשון, מאחר שלא המירה את אנרגיית החום לאנרגייה מכנית באמצעות מנגנון חיצוני כלשהו.
נסיונות אחדים שעשו אחרים כוונו להפקת עבודה מכנית מן המנועים הקיימים. אחד מהמעניינים שבהם הוא המנוע של דניס פפן (Denis Papin), אשר השתמש במשאבת קיטור דומה לזו של סייוורי, ואז הזרים את המים לסיבוב גלגל מים. ברם, מכונה שתייצר עבודה מכנית בצורה ישירה וללא צורך במים עדיין לא הייתה בנמצא.
[עריכה] המנוע של ניוקומן
הבעיה נפתרה על ידי ניוקומן. הוא הגה את הרעיון של מנוע קורה (beam engine), שבו קורת עץ גדולה נעה כנדנדה מעלה ומטה על עמוד מרכזי. במקום שתופעת הסיפון תגרום למים לזרום מעלה, כמו במנוע של סייוורי, הפעילה הקורה משאבה בוכנאית שהוצבה בתחתית המכרה.
ב-1711 השלים ניוקומן את בניית המנוע המסחרי הראשון שלו, שהספקו השתווה להספקם של 500 סוסים. שנה אחר כך בנו ניוקומן וג'ון קיילי (John Calley) את המנוע הראשון שלהם מעל פיר מכרה מלא מים, כדי להציג לכל את יכולתו, ואומנם המנוע שאב את המים מן הפיר בתוך שעות אחדות. עוד באותה שנה הופעל המנוע ב- Conygree Coalworks סמוך לדאדלי (Dudley) שבמערב המידלנדס, ורפליקה משלו, הניתנת להפעלה, מוצגת כיום ב- Black Country Living Museum הסמוך.
מאחר שהפטנט של סייוורי לא פג עדיין, חלק ניוקומן את הפטנט יחד אתו הודות לסילון המים שפיתח. ראשית השימוש במנועו של ניוקומן הייתה אומנם במכרות הפחם, אך הוא נפוץ בעיקר לשאיבת מים ממכרות המינרלים באזור מגוריו במערב אנגליה, כמו מכרות הבדיל בקורנוואל.
עד שנת מותו הספיק ניוקומן להרכיב למעלה ממאה מנועים, לא רק במערב הארץ ובמידלנדס אלא גם בצפון ויילס ובקאמבריה.
המנוע של ניוקומן כלל דוד קיטור (A), שהיה בדרך כלל מסוג "ערימת שחת" (haystack boiler) והותקן ישירות מתחת לצילינדר. הוא ייצר קיטור בלחץ נמוך, שטכנולוגיית דודי הקיטור של אותם זמנים יכולה הייתה להתמודד עמו. קיטור בלחץ שכזה לא יכול היה להניע אף בוכנה מכל גודל שהוא.
אחד מקצות הקורה דמויית הנדנדה חובר בשרשרת אל המשאבה שבקרקעית המכרה ומן הקצה השני שלה נתלתה בוכנת קיטור שנעה בתוך צילינדר (B). הצילינדר היה פתוח לאטמוספרה בצדו העליון, מעל הבוכנה (P). לבוכנה הייתה שפה זוויתית, סביבה נכרך חבל פשתן שהוחזק במקומו באמצעות משקולות מתכת ושימש כאטם פרימיטיבי. (את החבל שמרו רטוב כדי שיתפשט ויילחץ אל דפנות הצילינדר.)
כאשר נפתח שסתום (V), זרם הקיטור אל הצילינדר. לאחר מכן נסגר שסתום האספקה ונפתח שסתום (V'), דרכו הוכנסו מים קרים ממכל (C) לתוך הצילינדר. המים הקרים עיבו את הקיטור, הלחץ מתחת הבוכנה נפל, והלחץ האטמוספרי שמעליה דחף אותה מטה וביצע עבודה.
התנועה מטה של בוכנת הקיטור גרמה להתרוממות בוכנת המשאבה, ומייד אחר כך חזרה הקורה למצבה הקודם בשל משקל מוט בוכנת המים ובוכנת המים עצמה. קיטור הוזרם אל הצילינדר מחדש, הרחיק את שאריות מי העיבוי דרך שסתום חד-כיווני, והתהליך חזר על עצמו.
במנועים מן הדגמים הראשונים הופעלו השסתומים ידנית, אך הפעולה הייתה כה איטית שהדבר לא היווה כל בעיה. בדגמים מאוחרים יותר השתמשו במערכת מנופים, שהופעלו על ידי קורת הנדנד, כדי לפתוח ולסגור את השסתומים בצורה אוטומטית בכל פעם שהקורה הגיעה למצב המתאים. האגדה מספרת , שב-1713, נער ושמו המפרי פוטר (Humphrey Potter), שתפקידו היה לפתוח ולסגור את השסתומים של המנוע עליו הופקד, הפך את המנוע לבעל פעולה עצמאית על ידי כך שגרם לקורה עצמה לפתוח את השסתומים באמצעות מיתרים ותפסים (הידועים בשם "potter cord"). מנגנון זה שוכלל ב-1718 על ידי הנרי בייטון (Henry Beighton), אשר חיבר אל הקורה מוט שנקרא "כלונס השסתום" (plugtree), שהפעיל את השסתומים באמצעות דחיפים.
ב-1725 כבר היה המנוע בשימוש נפוץ במכרות פחם, והוא הוסיף להתקיים ללא שינויים מהותיים עוד כשלושת-רבעי מאה. סמוך לסוף השימוש בו שופר המנוע האטמוספרי במידה רבה בפרטיו הטכניים על ידי ג'ון סמיטון (John Smeaton), אשר בנה מנועים גדולים רבים מסוגו בסביבות שנת 1770.
הבעייה העיקרית של מנוע ניוקומן הייתה הפעלתו היקרה. לאחר שהצילינדר קורר כדי ליצור תת-לחץ, נותרו דפנות הצילינדר קרים, כך שעיבו חלק מן הקיטור החדש שהוכנס לתוכו. המשמעות הייתה שכמות בלתי מבוטלת של דלק בוזבזה רק כדי לחמם את הצילינדר עד לשלב בו החל הקיטור למלא אותו מחדש. אלא שחיסרון זה לא היה משמעותי ביותר, משום שהמנוע הופעל במכרות פחם, שם היה פחם בשפע. נעשו נסיונות להפעיל מכונות באמצעות מנועי ניוקומן, אך אלו לא צלחו, מאחר שמהלך העבודה היחיד של הבוכנה היה תזזיתי מאוד.
את הפתרון לבעייה זו מצא ג'יימס וואט, על ידי ביצוע העיבוי במכל נפרד, שחובר לצילינדר הקיטור באמצעות צינור. כאשר שסתום על הצינור נפתח, רוקן תת הלחץ במעבה את חלק הצילינדר שמתחת לבוכנה. הדבר מנע את התקררותו של צילינדר הקיטור והקטין בצורה משמעותית את תצרוכת הדלק. הוא איפשר גם את פיתוחו של מנוע בוכנאי, שמהלכי עבודת הבוכנה מעלה ומטה שלו התאימו יותר להמרת התנועה הקווית של הבוכנה לתנועה סיבובית של גלגל.
דגם המנוע של וואט, שהוצג לראשונה ב-1769, לא הביא מיד את הקץ על מנועי ניוקומן. ההגנה העיקשת של וואט על הפטנטים שלו גררה בעקבותיה רצון להימנע ככל האפשר מתשלום תמלוגים בעבורם. ריצ'רד ארקרייט (Richard Arkwright), לדוגמה, אף ניסה להשתמש במנוע ניוקומן כדי לשאוב מים להפעלת גלגל מים.
פקיעת תוקפם של הפטנטים הובילה לבהלת התקנות של מנועי וואט בעשור האחרון של המאה ה-18, אשר חתמה את גורלם של מנועי ניוקומן אפילו במכרות הפחם. אפשר שמנוע ניוקומן האחרון שנותר בשימוש מסחרי - והאחרון שנשאר באתרו המקורי - הוא באלסקר (Elsecar), ליד בארנזלי (Barnsely) שבדרום יורקשייר.
[עריכה] ראו גם
[עריכה] קישורים חיצוניים
אנימציה של מנוע קיטור אטמוספרי.
ערך זה תורגם מאנציקלופדיה בריטניקה מהדורת 1911, הנמצאת כיום ברשות הציבור.
