Еще в XIX веке английский физик Джоуль заметил, что если предварительно растянутую резиновую ленту слегка нагреть, то она сразу же начинает сжиматься. Этим явлением заинтересовался Пауль Арчибальд из Калифорнийского университета, который решил использовать его в тепловом двигателе. Конструкция Арчибальда состояла (рис. 1) из резиновых лент, натянутых между краями двух дисков. Она очень напоминала беличье колесо. Диски были расставлены под углом восемь градусов и вращались каждый на своем валу. В центре валы соединялись между собой с помощью гибкого соединения, необходимого для компенсации усилий от растянутых резиновых лент и для синхронного вращения двух дисков.
В пределах одного оборота каждая резиновая лента может то расслабиться, то натянуться. Максимальным растяжение будет, когда края дисков расходятся и когда резиновая лента достигает уровня теплой воды. Как только она соприкасается с водой, возникает дополнительное сжимающее усилие, которое приводит к перераспределению всех сил, действующих на диски. В результате появляется сила, заставляющая диски вращаться с постоянной скоростью. Нужно только иметь в виду, что чрезмерное тепло приводит к уменьшению скорости вращения и даже к полной остановке двигателя. В начале 20-х годов проблемой использования эффекта Джоуля заинтересовался Вильям Виганд, основоположник резинотехнической промышленности и специалист по вопросам надежности автомобильных шин. В программу лекций, которые он читал перед студентами университета, входила демонстрация эффекта Джоуля. В большом лекционном зале к потолку прикреплялась длинная резиновая лента, на нижнем конце которой висел груз, растягивающий ленту в четыре раза. Когда вспыхивали горелки Бунзена, установленные рядом с лентой, груз моментально подпрыгивал вверх. Когда же подача газа в горелки прекращалась и огонь угасал, груз вновь возвращался в исходное положение. Позже в результате сотрудничества Виганда со Скипелем появились две интересные конструкции двигателей. Первая представляла собой (рис. 2) сложный маятник, у которого на стержне имелись две довольно массивные гири.
Маятник совершает колебания, опираясь на ножевые опоры. Точно на таких же опорах крепится резиновая лента, которая при любых отклонениях от вертикального положения маятника должна создавать подъемную силу, не превышающую веса обеих гирь. При смещении от вертикали происходит дополнительное растяжение ленты. Поэтому маятник после нескольких затухающих колебаний останавливается. Для непрерывного движения к нему необходимо подвести энергию. Источником ее может быть обычный рефлектор. Но тепло должно воздействовать на резиновую ленту лишь в определенных фазах колебания маятника. В конструкции маятника предусмотрена теневая заслонка, которая дает возможность лучам нагревать резиновую ленту только при наибольших отклонениях маятника. В результате чередования нагревания и охлаждения ленты она все время заставляет маятник колебаться.
Этот двигатель уже несколько проще в изготовлении, чем двигатель Арчибальда. Размеры двигателя Виганда и Скипеля можно выбирать по своему желанию. Лучше, если высота всей конструкции не будет превышать одного метра. Все остальное подробно видно на рисунке. Для изготовления другого двигателя Виганда (рис. 3) потребуется обод велосипедного колеса, края которого в двух точках жестко соединены с металлической прямоугольной рамой.
Оба элемента — колесо и рама — вращаются на неподвижной вертикальной оси с кривошипом в центре. Втулка колеса свободно вращается на шейке кривошипа. К этой же оси снизу крепится подставка, на которую устанавливается свеча. Чтобы уменьшить температуру, над свечкой располагается круглая пластинка, от нее, как от горячей сковородки, теплый воздух воздействует на резиновые ленты, сжатие которых заставляет двигатель вращаться. Следующим автором, заинтересовавшимся эффектом Джоуля, был Роджер Гейвард, который нашел красивое и простое решение. Основное место в его двигателе (рис. 4) занимает колесо, изготовленное из алюминия или просто толстого картона.
Обычная швейная игла служит осью, на которой в вертикальной плоскости вращается колесо. Тепло от лучистого источника заставляет резинки сжиматься на определенном участке вращения и приводит к смещению центра тяжести колеса. При этом система начинает вращаться, стараясь занять равновесное состояние. Скорость вращения ее — до 22 оборотов в минуту. Л. Стонг построил улучшенную модель (рис. 5), вобравшую в себя элементы всех предыдущих. Коленчатый вал Виганда был оставлен, металлическую раму заменило колесо. Резиновые ленты были натянуты между краями колеса и стационарно закрепленным коленвалом. Колесо вращалось в сосуде с водой так же, как и в первом двигателе. Используя кассету от 16-мм кинопленки, несколько тефлоновых втулок и резиновые ленты, эту модель можно построить за несколько часов. Такой двигатель будет развивать до 12 об/мин в воде с температурой 50° С при относительной влажности воздуха 50%.
Размеры двигателя Стонга можно выбирать практически любые, потому что нагрузка на подшипники будет радиальная, а натяжение от резиновых лент взаимно компенсирует друг друга. Выходная мощность может быть увеличена не только увеличением диаметра колеса, но и также увеличением числа резиновых лент или размещением на одном валу сразу нескольких подобных колес. Необходимо знать, что мощность двигателя, использующего воду в качестве теплопередающей среды, зависит от скорости испарения влаги с резиновых лент. Результаты экспериментов, проделанных с установленными в резиновые ленты термопарами, показали, что при относительной влажности 50% интервал охлаждения этих лент был в 10 раз длиннее интервала нагревания. Но интервал охлаждения может быть уменьшен либо увеличением скорости движения воздушной среды, либо применением разбрызгивания холодной воды. Если, например, применить вентилятор, то энергию для его привода должен давать сам двигатель. Можно легко подсчитать крутящий момент двигателя, применяя закон Джоуля. Если резиновую ленту растянуть с усилием Р=5 кг при температуре Т=300°К (27° С) и затем нагреть до Т = 339° К (66°С), то прирост силы (AF) будет:
Зная величину этой силы, эксцентриситет коленвала, а также угол приложения этой силы, вы-считывается крутящий момент. Хотя натуральную резину можно увеличить в длину на 600%, самые лучшие результаты показывают двигатели с удлинением резиновых лент в три раза. Поэтому, чтобы в двигателе в первоначальный момент было уравновешенное состояние, необходимо каждую ленту подвешивать и подвергать воздействию силы, причем стараться при одном и том же грузе иметь одинаковое удлинение. Несмотря на свою простоту, резиновые тепловые двигатели не нашли практического применения, хотя там, где полностью отсутствует топливо и нужны не слишком большие мощности, они работать могут. Виганд даже планировал постройку двигателя мощностью в 5 л. с, а его воображение рисовало гигантские двигатели где-нибудь в тропиках, превращающие солнечную энергию в работу.
В. ЗАВОРОТОВ, инженер
Юный Техник 1972, №10