Màquines i motors: vapor, hidràulica i turbines

La màquina de vapor de Newcomen

L'any 1712, el ferrer Thomas Newcomen va construir la primera màquina de vapor atmosfèrica amb pistó. La va crear per buidar les mines perquè s'omplien d'aigua. Simplificadament, el funcionament d'una màquina de vapor és el següent:

1. Escalfament: Cremant combustible, s'escalfa aigua líquida en una caldera fins a transformar-la en vapor.
2. Admissió del vapor: El vapor d'aigua arriba, a través d'una vàlvula, al cilindre on hi ha l'èmbol (pistó).
3. Transformació del moviment: L'èmbol mou el mecanisme que transforma el moviment i produeix treball.
4. Condensació i retorn: El vapor d'aigua que ja s'ha utilitzat passa per un condensador que el refreda i el transforma en aigua líquida, que es reenvia a la caldera.

Converteixen energia tèrmica en energia mecànica. Un regulador centrífug regula el pas d'entrada del vapor.

Definicions i màquines motrius

Màquina - conjunt de dispositius capaços de transformar energia en treball útil o en una altra forma d'energia.

Màquines motrius - elements que transmeten moviment per fer funcionar altres màquines.

Molins de vent i rodes hidràuliques

• Molins de vent - aprofiten l'energia eòlica; exemples actuals: aerogeneradors i aeromotors.
• Rodes hidràuliques - aprofiten l'energia hidràulica.

Tipus de rodes hidràuliques:

• Roda de corrent inferior: la roda s'endinsa a l'aigua; és més senzilla d'instal·lar i s'utilitza quan el corrent d'aigua és fort.
• Roda de corrent mitjà: cal preparar el terreny per adaptar la roda; s'utilitza quan hi ha corrents d'aigua importants però amb poca força.
• Roda de corrent superior: s'utilitzen catesfolls o caixes; s'empra quan hi ha grans cabals amb poca força, i sol requerir obres de presa.
• Turbines: l'aigua circula per circuits tancats; permeten potències i rendiments més elevats que les rodes tradicionals.

Cabal - quantitat d'aigua que circula per un lloc en un temps determinat.

Pressió - força de l'aigua sobre la unitat de superfície.

Motors tèrmics: Otto i dièsel

Motor Otto

Admissió: El pistó està a punt d'arribar al punt mort inferior; el buit provocat pel desplaçament del pistó fa que s'aspiri la mescla de gasolina i aire del carburador.

Compressió: La vàlvula d'admissió es tanca i el pistó es desplaça cap a la part superior del cilindre, comprimint la mescla d'aire abans d'arribar al PMS (punt mort superior).

Explosió/expansió: La guspira produïda per la bugia inflama la mescla i provoca l'explosió controlada; els gasos resultants empenyen amb força el pistó cap a la part inferior del cilindre.

Escapament: Quan el pistó arriba a la part inferior, s'obre la vàlvula d'escapament i els gasos surten gràcies al moviment ascendent del pistó.

Motor dièsel

Admissió: El pistó, a punt d'arribar al PMS, obre la vàlvula d'admissió i es desplaça fins a la part inferior del cilindre; entra aire sense combustible.

Compressió: Amb les vàlvules tancades, el pistó es desplaça cap a la part superior del cilindre i comprimeix l'aire; la compressió és forta i ràpida, i eleva molt la temperatura de l'aire.

Injecció i combustió: Uns injectors introdueixen el dièsel; a causa de l'alta temperatura i pressió, el combustible s'inflama espontàniament, produint gasos que empenyen el pistó cap a la part inferior del cilindre.

Escapament: El pistó arriba al PMI (punt mort inferior) i, amb el moviment ascendent, els gasos d'escapament surten.

Treball, potència i avantatge mecànic

Treball: W (joules) = F (newtons) · s (metres). «L'energia és la capacitat de realitzar un treball».

Potència: P (watts) = W / t (segons).

Palanca

Palanca: F · d₁ = R · d. Hi ha tres tipus de palanques:

• 1r gènere: fulcre al mig.
• 2n gènere: resistència al mig.
• 3r gènere: força al mig.

L'avantatge mecànic de les palanques de 3r gènere sempre és inferior o, com a mínim, igual a la unitat. Això es deu a què la resistència es troba en un extrem i, per tant, el braç de la palanca de la força sempre és inferior.

Polispast: F = (R + Q) / n, on n = nombre de cordes (o nombre de politges × 2), R i F en newtons, Q = pes de les politges.

Pla inclinat i rosca

Pla inclinat: F · L = R · h.

Rosca: F · 2 · π · r = R · p.