Tipi di motori e come funzionano

I motori sono macchine che convertono una fonte di energia in lavoro fisico. Se hai bisogno di qualcosa che si muova, un motore è proprio quello che fa al caso tuo. Ma non tutti i motori sono fatti allo stesso modo, e i diversi tipi di motori sicuramente non funzionano allo stesso modo.

Probabilmente il modo più intuitivo per differenziarli è il tipo di energia che ogni motore usa per la potenza.

• Motori termici
  • Motori a combustione interna (motori IC)
  • Motori a combustione esterna (motori EC)
  • Motori a reazione motori
• Motori elettrici
• Motori fisici

Motori termici

Nella definizione più ampia possibile, questi motori richiedono una fonte di calore da convertire in movimento. A seconda di come generano tale calore, possono essere motori combustivi (che bruciano roba) o non-combustivi. Funzionano sia attraverso la combustione diretta di un propellente o attraverso la trasformazione di un fluido per generare lavoro. Come tale, la maggior parte dei motori termici vede anche una certa sovrapposizione con i sistemi di propulsione chimica. Possono essere motori a respirazione d’aria (che prendono un ossidante come l’ossigeno dall’atmosfera) o motori non a respirazione d’aria (che hanno ossidanti legati chimicamente al carburante).

Motori a combustione interna

I motori a combustione interna (motori IC) sono abbastanza onnipresenti oggi. Alimentano automobili, tosaerba, elicotteri e così via. Il più grande motore IC può generare 109.000 CV per alimentare una nave che muove 20.000 container. I motori IC traggono energia dal combustibile bruciato all’interno di un’area specializzata del sistema chiamata camera di combustione. Il processo di combustione genera prodotti di reazione (scarico) con un volume totale molto maggiore di quello dei reagenti combinati (combustibile e ossidante). Questa espansione è il vero pane e burro dei motori IC – è ciò che effettivamente fornisce il movimento. Il calore è solo un sottoprodotto della combustione e rappresenta una parte sprecata della riserva di energia del combustibile, perché in realtà non fornisce alcun lavoro fisico.

I motori IC si differenziano per il numero di ‘corse’ o cicli che ogni pistone fa per una rotazione completa dell’albero motore. I più comuni oggi sono i motori a quattro tempi, che suddividono la reazione di combustione in quattro fasi:

1. Induzione o iniezione di una miscela aria-carburante (il carburato) nella camera di combustione.
2. Compressione della miscela.
3. Ignizione da una candela o compressione – il carburante fa boom.
4. Emissione dello scarico.

Per ogni passo, un pistone a 4 tempi viene alternativamente spinto in basso o indietro. L’accensione è l’unica fase in cui il lavoro viene generato nel motore, quindi per tutte le altre fasi, ogni pistone si basa sull’energia proveniente da fonti esterne (gli altri pistoni, un avviamento elettrico, la manovella manuale, o l’inerzia dell’albero motore) per muoversi. Questo è il motivo per cui devi tirare la corda del tuo tosaerba, e perché la tua auto ha bisogno di una batteria funzionante per iniziare a funzionare.

Altri criteri per differenziare i motori IC sono il tipo di carburante usato, il numero di cilindri, la cilindrata totale (volume interno dei cilindri), la distribuzione dei cilindri (motori in linea, radiali, a V, ecc.), così come la potenza e il rapporto potenza-peso.

Motori a combustione esterna

I motori a combustione esterna (motori EC) mantengono il carburante e i prodotti di scarico separati – bruciano il carburante in una camera e riscaldano il fluido di lavoro all’interno del motore attraverso uno scambiatore di calore o la parete del motore. Il grande papà della rivoluzione industriale, il motore a vapore, rientra in questa categoria.

In alcuni aspetti, i motori EC funzionano in modo simile alle loro controparti IC – entrambi richiedono calore che si ottiene bruciando qualcosa. Tuttavia, ci sono anche diverse differenze.

I motori EC usano fluidi che subiscono una dilatazione-contrazione termica o uno spostamento di fase, ma la cui composizione chimica rimane inalterata. Il fluido utilizzato può essere gassoso (come nel motore Stirling), liquido (il motore a ciclo Rankine organico), o subire un cambiamento di fase (come nel motore a vapore) – per i motori IC, il fluido è quasi universalmente una miscela di carburante liquido e aria che brucia (cambia la sua composizione chimica). Infine, i motori possono esaurire il fluido dopo l’uso come fanno i motori IC (motori a ciclo aperto) o usare continuamente lo stesso fluido (motori a ciclo chiuso).

Sorprendentemente, i primi motori a vapore a vedere l’uso industriale generavano lavoro creando un vuoto piuttosto che una pressione. Chiamati “motori atmosferici”, erano macchine ponderose e altamente inefficienti dal punto di vista del carburante. Con il tempo, i motori a vapore hanno assunto la forma e le caratteristiche che ci aspettiamo di vedere dai motori di oggi e sono diventati più efficienti – con i motori a vapore alternativi che hanno introdotto il sistema a pistoni (ancora oggi in uso nei motori IC) o i sistemi di motori composti che riutilizzavano il fluido nei cilindri a pressioni decrescenti per generare ulteriore ‘oomph’.

Oggi, i motori a vapore sono caduti in disuso: sono cose pesanti e ingombranti, hanno un rendimento del carburante e un rapporto potenza-peso molto più bassi dei motori IC, e non possono cambiare la potenza così rapidamente. Ma se non siete infastiditi dal loro peso e dalle loro dimensioni, e avete bisogno di una fornitura costante di lavoro, sono fantastici. Come tali, i CE sono attualmente impiegati con grande successo come motori a turbina a vapore per operazioni navali e centrali elettriche.

Le applicazioni di potenza nucleare hanno la distinzione di essere chiamate motori non-combustibili o termici esterni, poiché operano sugli stessi principi dei motori CE ma non derivano la loro potenza dalla combustione.

Motori a reazione

I motori a reazione, colloquialmente noti come motori a reazione, generano spinta espellendo massa reattiva. Il principio di base di un motore a reazione è la terza legge di Newton – fondamentalmente, se si soffia qualcosa con abbastanza forza attraverso la parte posteriore del motore, questo spingerà la parte anteriore in avanti. E i motori a reazione sono davvero bravi a farlo.

Le cose a cui ci riferiamo di solito come un motore ‘jet’, quelli legati a un aereo passeggeri Boeing, sono strettamente parlando motori a reazione respiranti e rientrano nella classe dei motori a turbina. I motori a getto d’ariete, che di solito sono considerati più semplici e più affidabili perché contengono meno parti mobili (fino a nessuna), sono anch’essi motori a getto a respirazione aerea ma rientrano nella classe dei motori a getto d’ariete. La differenza tra i due è che i ramjet si basano sulla pura velocità per immettere l’aria nel motore, mentre i turbojet usano delle turbine per aspirare e comprimere l’aria nella camera di combustione. Oltre a questo, funzionano in gran parte allo stesso modo.

Nei turbogetti, l’aria viene aspirata nella camera del motore e compressa da una turbina rotante. I ramjet la aspirano e la comprimono andando molto veloce. All’interno del motore, viene mescolata con carburante ad alta potenza e accesa. Quando si concentra l’aria (e quindi l’ossigeno), la si mescola con molto carburante e la si fa detonare (generando così i gas di scarico ed espandendo termicamente tutto il gas), si ottiene un prodotto di reazione che ha un volume enorme rispetto all’aria aspirata. L’unico posto in cui tutta questa massa di gas può passare è la parte posteriore del motore, cosa che fa con estrema forza. Durante il tragitto, alimenta la turbina, aspirando più aria e sostenendo la reazione. E per aggiungere la beffa al danno, all’estremità posteriore del motore c’è un ugello propulsore.

Questo pezzo di hardware costringe tutto il gas a passare attraverso uno spazio ancora più piccolo di quello da cui è entrato inizialmente – accelerandolo così ulteriormente in ‘un getto’ di materia. Lo scarico esce dal motore a velocità incredibili, fino a tre volte la velocità del suono, spingendo l’aereo in avanti.

I motori a reazione non respiranti, o motori a razzo, funzionano proprio come i motori a reazione senza la parte anteriore – perché non hanno bisogno di materiale esterno per sostenere la combustione. Possiamo usarli nello spazio perché hanno tutto l’ossidante di cui hanno bisogno, impacchettato nel carburante. Sono uno dei pochi tipi di motori che usano costantemente combustibili solidi.

I motori termici possono essere ridicolmente grandi, o adorabilmente piccoli. Ma cosa succede se tutto quello che avete è una presa di corrente, e avete bisogno di alimentare le vostre cose? Beh, in questo caso, hai bisogno di:

Motori elettrici

Ah sì, la banda pulita. Ci sono tre tipi di motori elettrici classici: magnetico, piezoelettrico ed elettrostatico.

Quello magnetico, come la batteria, è il più usato dei tre. Si basa sull’interazione tra un campo magnetico e un flusso elettrico per generare lavoro. Funziona sullo stesso principio di una dinamo per generare elettricità, ma al contrario. Infatti, è possibile generare un po’ di energia elettrica se si aziona a manovella un motore elettrico-magnetico.

Per creare un motore magnetico sono necessari alcuni magneti e un conduttore avvolto. Quando una corrente elettrica viene applicata all’avvolgimento, induce un campo magnetico che interagisce con il magnete per creare la rotazione. È importante mantenere questi due elementi separati, quindi i motori elettrici hanno due componenti principali: lo statore, che è la parte esterna del motore e rimane immobile, un rotore che gira al suo interno. I due sono separati da un traferro. Di solito, i magneti sono incorporati nello statore e il conduttore è avvolto intorno al rotore, ma i due sono intercambiabili. I motori magnetici sono anche dotati di un commutatore per spostare il flusso elettrico e modulare il campo magnetico indotto mentre il rotore gira per mantenere la rotazione.

I motori piezoelettrici sono tipi di motori che sfruttano la proprietà di alcuni materiali di generare vibrazioni ultrasoniche quando sottoposti a un flusso di elettricità per creare lavoro. I motori elettrostatici usano cariche simili per respingersi a vicenda e generare una rotazione nel rotore. Poiché il primo usa materiali costosi e il secondo richiede tensioni relativamente alte per funzionare, non sono così comuni come i motori magnetici.

I motori elettrici classici hanno una delle più alte efficienze energetiche di tutti i motori là fuori, convertendo fino al 90% di energia in lavoro.

Ion drives

Ion drives sono una specie di mix tra un motore a reazione e uno elettrostatico. Questa classe di propulsori accelera gli ioni (plasma) usando una carica elettrica per generare propulsione. Non funzionano se ci sono già ioni intorno all’imbarcazione, quindi sono inutili al di fuori del vuoto dello spazio.

Hanno anche una potenza molto limitata. Tuttavia, poiché usano solo elettricità e singole particelle di gas come combustibile, sono stati studiati ampiamente per l’uso in astronavi. Deep Space 1 e Dawn hanno utilizzato con successo i motori a ioni. Tuttavia, la tecnologia sembra più adatta per piccole imbarcazioni e satelliti, poiché la scia di elettroni lasciata da questi azionamenti ha un impatto negativo sulle loro prestazioni complessive.

Azionamenti EM/Cannae

Gli azionamenti EM/Cannae usano la radiazione elettromagnetica contenuta in una cavità a microonde per generare fiducia. È probabilmente il più particolare tra tutti i tipi di motori. È stato persino definito come il motore “impossibile” poiché è un motore non reazionario – nel senso che non produce alcuna scarica per generare la spinta, aggirando apparentemente la Terza Legge.

“Invece del carburante, utilizza microonde che rimbalzano su una serie di riflettori accuratamente sintonizzati per ottenere piccole quantità di forza e quindi ottenere una spinta senza propellente”, ha riferito Andrei sull’unità.

Si è discusso molto se questo tipo di motore funzioni davvero o meno, ma i test della NASA hanno confermato che è funzionante. C’è anche un aggiornamento in futuro. Poiché utilizza solo energia elettrica per generare la spinta, anche se in quantità minime, sembra essere il motore più adatto per l’esplorazione dello spazio.

Ma questo è nel futuro. Diamo un’occhiata a come tutto è iniziato. Diamo un’occhiata a:

Motori fisici

Questi motori si basano sull’energia meccanica immagazzinata per funzionare. I motori a orologeria, pneumatici e idraulici sono tutti motori fisici.

Non sono terribilmente efficienti. Di solito non possono nemmeno fare appello a grandi riserve di energia. I motori a orologeria, per esempio, immagazzinano energia elastica nelle molle e devono essere caricati ogni giorno. I motori di tipo pneumatico e idraulico devono portare in giro pesanti tubi di fluidi compressi, che generalmente non durano molto a lungo. Per esempio, il Plongeur, il primo sottomarino a propulsione meccanica del mondo, costruito in Francia tra il 1860 e il 1863, portava un motore ad aria alternata alimentato da 23 serbatoi a 12,5 bar. Occupavano uno spazio enorme (153 m cubi) ed erano sufficienti solo per alimentare l’imbarcazione per 5 miglia nautiche (9 km) a 4 nodi.

Ancora, i motori fisici erano probabilmente i primi mai utilizzati. Catapulte, trabocchetti o arieti si basano tutti su questo tipo di motori. Così come le gru alimentate dall’uomo o dalle bestie – che sono state utilizzate molto prima di qualsiasi altro tipo di motore.

Questa non è affatto una lista completa di tutti i motori che l’uomo ha fatto. Per non parlare del fatto che la biologia ha prodotto anche i motori – e sono tra i più efficienti che abbiamo mai visto. Ma se hai letto tutto questo, sono abbastanza sicuro che i tuoi stanno finendo il carburante a questo punto. Quindi riposatevi, rilassatevi, e la prossima volta che vi imbattete in un motore, prendete le mani e il naso tutto unto per esplorarlo – vi abbiamo detto le basi.