A motorok olyan gépek, amelyek egy energiaforrást fizikai munkává alakítanak át. Ha valamit mozgatni kell, akkor egy motort csak rá kell csapni. De nem minden motor készül ugyanúgy, és a különböző motortípusok biztosan nem ugyanúgy működnek.
Valószínűleg a legintuitívabb módja a megkülönböztetésnek az, hogy az egyes motorok milyen típusú energiát használnak a teljesítmény előállításához.
- Hőmotorok
- Belsőégésű motorok (IC-motorok)
- Külsőégésű motorok (EC-motorok)
- Reakció motorok
- Elektromotorok
- Fizikai motorok
Thermikus motorok
A lehető legtágabb meghatározás szerint, ezek a motorok hőforrást igényelnek a mozgássá alakításhoz. Attól függően, hogy hogyan állítják elő az említett hőt, ezek lehetnek égéshajtóművek (amelyek elégetnek valamit) vagy nem égéshajtóművek. Vagy egy hajtóanyag közvetlen elégetésével, vagy egy folyadék átalakításával működnek a munka előállítása érdekében. Mint ilyen, a legtöbb hőhajtómű némi átfedést mutat a kémiai hajtóművekkel is. Ezek lehetnek levegőbelégző motorok (amelyek oxidálószert, például oxigént vesznek a légkörből) vagy nem levegőbelégző motorok (amelyeknél az oxidálószereket kémiailag kötik az üzemanyaghoz).
Belsőégésű motorok
A belsőégésű motorok (belső égésű motorok) ma már eléggé elterjedtek. Autókat, fűnyírókat, helikoptereket stb. hajtanak. A legnagyobb belső égésű motor 109 000 LE-t képes kifejteni, amivel egy 20 000 konténert mozgató hajót tud meghajtani. A belső égésű motorok az energiát a rendszer egy speciális területen, az égéstérben elégetett üzemanyagból nyerik. Az égési folyamat során olyan reakciótermékek (kipufogógáz) keletkeznek, amelyek össztérfogata sokkal nagyobb, mint a reaktánsoké együttvéve (üzemanyag és oxidálószer). Ez a tágulás a belső égésű motorok tényleges kenyere és vaja – ez az, ami valójában a mozgást biztosítja. A hő csak mellékterméke az égésnek, és az üzemanyag energiatartalékának elpazarolt részét képezi, mivel valójában nem végez fizikai munkát.
A kép forrása: NASA / Glenn Research Center.
A belső égésű motorokat a dugattyúk által a forgattyús tengely teljes elfordulása során megtett “lökések” vagy ciklusok száma alapján különböztetik meg. Napjainkban a legelterjedtebbek a négyütemű motorok, amelyek az égési reakciót négy lépésre bontják:
- A tüzelőanyag-levegő keverék (a karburát) indukciója vagy befecskendezése az égéstérbe.
- A keverék sűrítése.
- gyújtás gyújtógyertyával vagy kompresszióval – az üzemanyag bumm!
- A kipufogógáz kibocsátása.
A kép kreditje Duk / Wikimedia.
Minden lépésnél egy négyütemű dugattyú felváltva tolódik lefelé vagy vissza. A gyújtás az egyetlen olyan lépés, ahol a motorban munka keletkezik, így az összes többi lépésnél minden egyes dugattyú külső forrásból (a többi dugattyú, elektromos indító, kézi forgattyúzás vagy a forgattyús tengely tehetetlensége) származó energiára támaszkodik a mozgáshoz. Ezért kell meghúzni az akkordot a fűnyírón, és ezért kell az autónak működő akkumulátor, hogy elinduljon.
A belső égésű motorok megkülönböztetésének további szempontjai a felhasznált üzemanyag típusa, a hengerek száma, a teljes hengerűrtartalom (a hengerek belső térfogata), a hengerek elosztása (soros, radiális, V-motorok stb.).), valamint a teljesítmény és a teljesítmény/tömeg teljesítmény.
Külső égésű motorok
A külső égésű motorok (EC-motorok)külön tartják az üzemanyagot és a kipufogógáz termékeket – az üzemanyagot egy kamrában égetik el, és a motoron belüli munkafolyadékot hőcserélőn vagy a motor falán keresztül melegítik. Az ipari forradalom nagypapája, a gőzgép ebbe a kategóriába tartozik.
Az EC-motorok bizonyos szempontból hasonlóan működnek, mint belső égésű társaik – mindkettőnek hőre van szüksége, amelyet anyag elégetésével nyerünk. Van azonban néhány különbség is.
Az EK-motorok olyan folyadékokat használnak, amelyek hőterheléses táguláson-összehúzódáson vagy fázisváltáson mennek keresztül, de amelyek kémiai összetétele változatlan marad. A felhasznált folyadék lehet gáznemű (mint a Stirling-motorban), folyékony (a szerves Rankine-ciklusú motorban), vagy fázisváltáson megy keresztül (mint a gőzmotorban) – a belső égésű motorok esetében a folyadék szinte minden esetben folyékony üzemanyag és levegő keveréke, amely elég (megváltoztatja kémiai összetételét). Végül a motorok vagy elszívják a folyadékot a használat után, mint a belső égésű motorok (nyílt ciklusú motorok), vagy folyamatosan ugyanazt a folyadékot használják (zárt ciklusú motorok).
Meglepő módon az első ipari felhasználású gőzgépek nem nyomás, hanem vákuum létrehozásával termelték a munkát. Az “atmoszférikus motoroknak” nevezett gépek nehézkesek voltak, és rendkívül kevés üzemanyagot használtak fel. Idővel a gőzgépek felvették a mai motoroktól elvárt formát és jellemzőket, és egyre hatékonyabbá váltak: a dugattyús gőzgépek bevezették a dugattyús rendszert (amelyet ma is használnak a belső égésű motorok), illetve az összetett motorrendszereket, amelyek a hengerekben lévő folyadékot csökkenő nyomáson újrahasznosították, hogy extra “lökést” adjanak.
Mára a gőzgépek kikerültek a széles körű használatból: nehéz, terjedelmes szerkezetek, sokkal kisebb az üzemanyag-hatékonyságuk és a teljesítmény/tömeg arányuk, mint a belső égésű motoroknak, és nem képesek olyan gyorsan változtatni a teljesítményt. De ha nem zavar a súlyuk, méretük, és állandó munkára van szükséged, akkor félelmetesek. Mint ilyeneket, az EC-t jelenleg nagy sikerrel alkalmazzák gőzturbinamotorokként a haditengerészetnél és erőművekben.
Az atomenergetikai alkalmazásoknak az a megkülönböztetésük, hogy nem égéses vagy külső hőhajtású motoroknak nevezik őket, mivel az EC-motorok elveivel megegyezően működnek, de teljesítményüket nem égésből nyerik.
Reakciós motorok
A reakciós motorok, amelyeket a köznyelvben sugárhajtóműveknek neveznek, a tolóerőt a reakciótömeg kilökésével állítják elő. A reakcióhajtóművek alapelve Newton harmadik törvénye – alapvetően, ha valamit kellő erővel fújunk át a hajtómű hátsó végén, az előre fogja nyomni az elülső részt. És a sugárhajtóművek nagyon jók ebben.
A kép kreditpontja thund3rbolt / Imgur.
Az általunk általában “sugárhajtóműként” emlegetett dolgok, amelyek egy Boeing utasszállító repülőgépre vannak felcsatolva, szigorúan véve levegőbelégző sugárhajtóművek, és a turbinahajtóművek osztályába tartoznak. A dugattyús sugárhajtóművek, amelyeket általában egyszerűbbnek és megbízhatóbbnak tartanak, mivel kevesebb (akár egyetlen) mozgó alkatrészt sem tartalmaznak, szintén légző sugárhajtóművek, de a dugattyús hajtóművek osztályába tartoznak. A kettő közötti különbség az, hogy a ramjetek a puszta sebességre támaszkodnak, hogy levegőt juttassanak a hajtóműbe, míg a turbojetek turbinákat használnak a levegő beszívására és az égéstérbe való tömörítésére. Ezen túlmenően nagyjából ugyanúgy működnek.
A turbojeteknél a levegőt egy forgó turbina szívja be a hajtómű kamrájába és sűríti össze. A ramsugarak úgy szívják és sűrítik össze, hogy nagyon gyorsan mennek. A motor belsejében nagy teljesítményű üzemanyaggal keveredik és begyújtják. Ha a levegőt (és így az oxigént) sűrítjük, nagy mennyiségű üzemanyaggal keverjük össze és detonáljuk (ezáltal kipufogógáz keletkezik és az összes gáz termikusan kitágul), akkor egy olyan reakcióterméket kapunk, amelynek a beszívott levegőhöz képest hatalmas térfogata van. Ez az összes gáztömeg csak a motor hátsó végébe juthat el, amit rendkívüli erővel meg is tesz. Útközben meghajtja a turbinát, még több levegőt szív be, és fenntartja a reakciót. És hogy a sérülést tetézze, a motor hátsó végén van egy hajtófúvóka.
Ez a hardverdarab az összes gázt arra kényszeríti, hogy egy még kisebb téren haladjon át, mint amin keresztül eredetileg érkezett – így tovább gyorsítja az anyag “sugárrá”. A kipufogógáz hihetetlen sebességgel, akár a hangsebesség háromszorosával lép ki a hajtóműből, és tolja előre a gépet.
A nem levegővel lélegeztetett sugárhajtóművek, vagy rakétahajtóművek ugyanúgy működnek, mint a sugárhajtóművek az elülső rész nélkül – mert nincs szükségük külső anyagra az égés fenntartásához. Azért használhatjuk őket az űrben, mert minden szükséges oxidálószerük megvan az üzemanyagba csomagolva. Ők azon kevés hajtóműtípusok egyike, amelyek következetesen szilárd üzemanyagot használnak.
A hajtóművek lehetnek nevetségesen nagyok, vagy imádnivalóan kicsik. De mi van akkor, ha csak egy konnektorod van, és áramot kell adni a cuccodnak? Nos, ebben az esetben szükséged van:
Elektromos motorokra
Ah igen, a tiszta banda. A klasszikus elektromos motoroknak három típusa van: mágneses, piezoelektromos és elektrosztatikus.
A mágneses, mint ott az akkumulátor, a három közül a leggyakrabban használt. A mágneses mező és az elektromos áramlás kölcsönhatására támaszkodik a munka előállításához. Ugyanazon az elven működik, mint a dinamó az áramtermeléshez, csak fordítva. Valójában egy kis elektromos áramot lehet előállítani, ha kézzel tekerünk egy elektromágneses motort.
A mágneses motor létrehozásához szükségünk van néhány mágnesre és egy tekercselt vezetőre. Amikor a tekercsre elektromos áramot vezetünk, az mágneses mezőt indukál, amely a mágnessel kölcsönhatásba lépve forgást hoz létre. Fontos, hogy ez a két elem elkülönüljön egymástól, ezért az elektromos motoroknak két fő összetevője van: az állórész, amely a motor külső része, és mozdulatlan marad, egy rotor, amely belül forog. A kettőt egy légrés választja el egymástól. Általában az állórészbe mágneseket ágyaznak, a rotor köré pedig vezetőt tekernek, de a kettő felcserélhető. A mágneses motorok egy kommutátorral is fel vannak szerelve az elektromos áramlás eltolására és az indukált mágneses mező modulálására, miközben a forgórész forog a forgás fenntartása érdekében.
A piezoelektromos hajtások olyan motortípusok, amelyek kihasználják egyes anyagok azon tulajdonságát, hogy ultrahangos rezgéseket generálnak, amikor elektromos áramlásnak vannak kitéve a munka létrehozása érdekében. Az elektrosztatikus motorok hasonló töltéseket használnak egymás taszítására és a rotor forgásának létrehozására. Mivel az elsőhöz drága anyagokat használnak, a másodikhoz pedig viszonylag nagy feszültségre van szükség, ezért nem olyan elterjedtek, mint a mágneses meghajtások.
A klasszikus elektromos motorok rendelkeznek az összes létező motor közül az egyik legnagyobb energiahatékonysággal, az energia akár 90%-át is munkává alakítják.
Ionhajtások
Az ionhajtások egyfajta keverékei a sugárhajtóműveknek és az elektrosztatikus motoroknak. A hajtóművek ezen osztálya elektromos töltés segítségével ionokat (plazmát) gyorsít fel a meghajtás érdekében. Nem működnek, ha az űrhajó körül már vannak ionok, így az űr vákuumán kívül használhatatlanok.
A kép forrása: NASA / JPL-Caltech.
A teljesítményük is nagyon korlátozott. Mivel azonban csak elektromosságot és egyes gázrészecskéket használnak üzemanyagként, széles körben tanulmányozták az űrhajókban való felhasználásukat. A Deep Space 1 és a Dawn sikeresen használta az ionhajtásokat. Mégis, úgy tűnik, hogy a technológia leginkább kis űrhajók és műholdak számára alkalmas, mivel az ilyen meghajtók által hagyott elektronnyom negatívan befolyásolja az általános teljesítményüket.
EM/Cannae meghajtók
Az EM/Cannae meghajtók egy mikrohullámú üregben lévő elektromágneses sugárzást használnak a bizalom létrehozására. Valószínűleg ez a legkülönlegesebb az összes hajtóműtípus közül. Még “lehetetlen” hajtóműként is emlegetik, mivel ez egy nem reaktív hajtómű – ami azt jelenti, hogy nem termel kisülést a tolóerő előállításához, látszólag megkerülve a harmadik törvényt.
“Üzemanyag helyett mikrohullámokat használ, amelyek egy gondosan hangolt reflektorcsoportról pattannak vissza, hogy kis erőhatást és ezáltal hajtóanyagmentes tolóerőt érjenek el” – számolt be Andrei a hajtóműről.
Sok vita folyt arról, hogy ez a hajtóműtípus valóban működik-e vagy sem, de a NASA tesztjei megerősítették, hogy működőképes. Sőt, a jövőben még fejlesztést is kap. Mivel csak elektromos energiát használ a tolóerő előállításához, még ha apró mennyiségben is, úgy tűnik, hogy ez a legmegfelelőbb hajtómű az űrkutatáshoz.
De ez még a jövőben lesz. Nézzük meg, hogyan kezdődött az egész. Vessünk egy pillantást:
Fizikai hajtóművek
Ezek a hajtóművek a tárolt mechanikai energiára támaszkodnak működésükhöz. Az óramotorok, a pneumatikus és a hidraulikus motorok mind fizikai hajtások.
A kép forrása: Musée national de la Marine.
Nem túl hatékonyak. Általában nem tudnak nagy energiatartalékokra sem támaszkodni. Az óraművek például rugókban tárolják a rugalmas energiát, és minden nap fel kell őket húzni. A pneumatikus és hidraulikus típusú motoroknak súlyos, sűrített folyadékot tartalmazó csöveket kell magukkal cipelniük, amelyek általában nem tartanak ki túl sokáig. A Plongeur például, a világ első mechanikus meghajtású tengeralattjárója, amelyet 1860 és 1863 között építettek Franciaországban, 23 tartályból 12,5 bar nyomáson táplált dugattyús légmotorral rendelkezett. Ezek hatalmas helyet foglaltak el (153 köbméter / 5,403 köbméter), és csak arra voltak elegendőek, hogy 4 csomó sebességgel 5 tengeri mérföldig (9 km / 5.6 mi) meghajtják a hajót.
Mégis a fizikai meghajtások voltak valószínűleg az elsők, amelyeket valaha használtak. A katapultok, trebuchetek vagy faltörő kosok mind ilyen típusú motorokra támaszkodnak. Ugyanígy az ember vagy állat által meghajtott daruk is – mindezeket már jóval másfajta motorok előtt használták.
Ez korántsem teljes lista az ember által készített összes motorról. Arról nem is beszélve, hogy a biológia is gyártott hajtásokat – és ezek a valaha látott leghatékonyabbak közé tartoznak. De ha mindezt elolvastad, akkor biztos vagyok benne, hogy a tiédnek mostanra elfogyott az üzemanyaga. Úgyhogy pihenj, lazíts, és legközelebb, amikor egy hajtóművel találkozol, zsírosítsd be a kezed és az orrod, és kutasd át – az alapokat már elmondtuk neked.