סירת קיטור
מספר מפגשים: 1
פתיחה – איך אש יכולה לגרום לסירה לזוז?
היום נבנה יחד דגם של סירת קיטור.
בסירה שלנו אין מנוע חשמלי, אין סוללה ואין מדחף חשמלי. יש לנו מקור חום, מים וצינור – ובכל זאת הסירה מסוגלת לנוע.
איך זה יכול להיות?
הסוד נמצא בשינוי שעוברים המים כאשר אנחנו מחממים אותם וביכולת שלנו להפוך אנרגיית חום לאנרגיית תנועה.
[להשאיר כאן את התמונה הקיימת של סירת הקיטור]
לפני שמתחילים לבנות, ננסה להבין את המדע שמאחורי הסירה.
במשך אלפי שנים בני אדם השתמשו בסירות ובספינות להעברת אנשים וסחורות.
אבל כדי שספינה תנוע צריך להפעיל עליה כוח.
לפני השימוש במנועים היו שתי דרכים עיקריות:
משוטים – בני אדם מפעילים כוח ודוחפים את המים לאחור.
מפרשים – הרוח מפעילה כוח על המפרש ודוחפת את הספינה.
שתי השיטות מצוינות, אבל יש להן מגבלה.
בסירת משוטים אנחנו תלויים בכוח האדם, ובסירת מפרש אנחנו תלויים ברוח.
שאלה לתלמידים
מה יקרה לספינת מפרש אם אין בכלל רוח?
ומה אם אנחנו רוצים להפליג דווקא נגד כיוון הרוח?
הצורך במקור כוח שאינו תלוי ברוח הוביל לפיתוח אחד הרעיונות החשובים ביותר בהיסטוריה:
מנוע הקיטור.
שלושת מצבי הצבירה
כדי להבין קיטור, צריך קודם להיזכר במצבי הצבירה של החומר.
מים יכולים להימצא בשלושה מצבים:
מוצק – קרח
נוזל – מים
גז – אדי מים
כאשר אנחנו מחממים מים, אנחנו מעבירים אליהם אנרגיה.
המולקולות של המים נעות מהר יותר ויותר.
כאשר המים מגיעים לטמפרטורת הרתיחה שלהם – בסביבות 100°C בלחץ אטמוספרי רגיל – מים נוזליים הופכים במהירות לאדי מים.
לתהליך שבו חומר עובר מנוזל לגז קוראים אידוי, וכאשר התהליך מתרחש בכל הנוזל בטמפרטורת הרתיחה – רתיחה.
ומהו קיטור?
במערך שלנו נשתמש במילה קיטור לתיאור אדי המים החמים שנוצרים בעקבות חימום המים.
חשוב להבין:
המים לא נעלמו.
אותן מולקולות מים פשוט עברו ממצב צבירה נוזלי למצב גזי.
מה קורה כאשר מים הופכים לגז?
כאן מתחיל החלק המעניין.
כאשר מים נוזליים הופכים לאדי מים, הגז שנוצר יכול לתפוס נפח גדול מאוד.
אם מחממים מים בתוך חלל שיש ממנו יציאה דרך צינור, אדי המים והמים המחוממים יכולים לדחוף את הנוזל דרך הצינור.
כלומר:
חימום → יצירת אדים → שינוי לחץ וזרימת מים → תנועה.
וזה בדיוק העיקרון שאנחנו מנצלים בסירה שלנו.
איך סירת הקיטור שלנו עובדת?
[להשאיר כאן את התמונה/ההמחשה הקיימת של הדגם]
בדגם שלנו יש מים בתוך מערכת צינורות או תא חימום, ומקור החום מחמם אותם.
התהליך מתרחש שוב ושוב במחזור:
שלב 1 – חימום
הנר מעביר אנרגיית חום למים.
המים מתחממים וחלק מהם הופך לאדי מים.
שלב 2 – עליית לחץ
אדי המים תופסים יותר נפח ויוצרים לחץ בתוך המערכת.
הלחץ דוחף מים ואדים החוצה דרך הצינור לכיוון אחורי הסירה.
שלב 3 – דחף
כאשר מים נדחפים לאחור, הסירה מקבלת דחיפה בכיוון ההפוך – קדימה.
זה קשור לחוק השלישי של ניוטון:
כאשר גוף אחד מפעיל כוח על גוף אחר, הגוף השני מפעיל עליו כוח בכיוון ההפוך.
אפשר לחשוב על כך כמו בלון מנופח שמשחררים בלי לקשור:
האוויר עף לכיוון אחד – והבלון עף לכיוון השני.
שלב 4 – התקררות והתעבות
חלק מאדי המים מתקרר והופך שוב לנוזל.
לתהליך שבו גז הופך בחזרה לנוזל קוראים התעבות.
כאשר האדים מתעבים, הלחץ בתוך המערכת יורד ומים נשאבים בחזרה פנימה.
ואז המים מתחממים שוב – והמחזור מתחיל מחדש.
לכן פעולת הסירה היא למעשה רצף מהיר של:
חימום → פליטה → קירור → שאיבה → חימום מחדש.
הדחף של סירות מסוג זה הוא תוצאה של המחזור החוזר של זרימת המים והאדים ולא של "זרם קיטור קבוע" בלבד.
למה הסירה לא פשוט הולכת קדימה ואחורה?
שאלה מצוינת לתלמידים:
אם הסירה מוציאה מים ואז שואבת מים בחזרה – מדוע היא בכל זאת מתקדמת?
מחזור הזרימה בתוך סירת קיטור קטנה הוא מורכב יותר מסילון פשוט. בזמן הפליטה מים מקבלים תנע לאחור ולכן הסירה מקבלת תנע קדימה. בזמן השאיבה, המים שנכנסים חוזרים אל תוך המערכת ומשנים כיוון בתוך הסירה.
בסופו של כל מחזור מתקבל דחף נטו קדימה.
לכן אנחנו רואים את הסירה ממשיכה להתקדם ולא רק רועדת במקום.
מאיפה מגיעה האנרגיה?
הסירה לא מייצרת אנרגיה משום מקום.
האנרגיה מתחילה בחומר הבעירה של הנר.
השינוי הוא:
אנרגיה כימית בחומר הבעירה
↓
אנרגיית חום
↓
חימום המים ויצירת אדים
↓
לחץ וזרימת מים
↓
אנרגיית תנועה של הסירה
זהו עיקרון חשוב מאוד בפיזיקה ובהנדסה:
אנחנו יכולים להמיר אנרגיה מצורה אחת לצורה אחרת.
ומהו מנוע קיטור אמיתי?
הדגם שאנחנו בונים מדגים שימוש בחימום, אדים ולחץ ליצירת תנועה, אבל חשוב להבדיל בינו לבין מנוע קיטור קלאסי.
במנוע קיטור מסורתי, מים מחוממים בתוך דוד ונוצרים אדי מים בלחץ.
הקיטור מוזרם לתוך צילינדר שבתוכו נמצאת בוכנה.
לחץ הקיטור דוחף את הבוכנה.
הבוכנה נעה קדימה ואחורה.
באמצעות מוטות, גל ארכובה ומנגנונים מכניים ניתן להפוך את התנועה הישרה של הבוכנה לתנועה סיבובית.
התנועה הסיבובית יכולה להפעיל:
גלגלים של רכבת, מכונות במפעל, משאבות או גלגלי משוטים של ספינת קיטור.
כלומר:
הקיטור אינו הגלגל – הקיטור מספק את הכוח שמפעיל את המנגנון.
לפני ג'יימס ואט
ג'יימס ואט מזוהה מאוד עם מנוע הקיטור, אבל חשוב לדייק:
ג'יימס ואט לא המציא את מנוע הקיטור הראשון.
מנועי קיטור היו קיימים לפניו, ואחד המנועים החשובים היה מנוע ניוקומן, ששימש בין היתר לשאיבת מים ממכרות.
המנועים האלה עבדו – אבל בזבזו כמויות גדולות מאוד של דלק.
ואז הגיע ג'יימס ואט.
ג'יימס ואט – האיש ששיפר את מנוע הקיטור
ג'יימס ואט היה מהנדס וממציא סקוטי שחי במאה ה־18.
כאשר עבד על מנועי הקיטור של תקופתו, הוא הבחין בכמות גדולה של אנרגיה שמתבזבזת בכל מחזור.
אחד השיפורים החשובים ביותר שלו היה המעבה הנפרד – Separate Condenser.
במקום לחמם ולקרר שוב ושוב את אותו צילינדר, האדים הועברו למקום נפרד שבו יכלו להתעבות.
השיפור הזה הפחית בצורה דרמטית את צריכת הדלק והפך את מנוע הקיטור ליעיל ושימושי הרבה יותר. הפטנט של ואט למעבה הנפרד ניתן בשנת 1769, ומוזיאון המדע הבריטי מתאר אותו כאחד השיפורים החשובים ביותר שנעשו במנוע הקיטור.
המנוע המשופר כבר לא היה מתאים רק לשאיבת מים ממכרות.
אפשר היה להשתמש בכוח הקיטור גם כדי להפעיל:
מפעלים, מכונות, משאבות, רכבות וספינות.
השיפורים של ואט היו חלק משמעותי מהתפתחות המהפכה התעשייתית.
למה מודדים הספק ב"וואט"?
התרומה של ג'יימס ואט לעולם ההנדסה הייתה כה גדולה, שעל שמו נקראת יחידת המידה של הספק:
Watt – ואט – W
הספק מתאר כמה מהר אנחנו משתמשים באנרגיה או מעבירים אותה.
לדוגמה:
מכשיר בעל הספק גדול יותר מסוגל בדרך כלל להעביר יותר אנרגיה בכל שנייה.
אפשר לפגוש את המילה Watt כמעט בכל מקום:
על נורות, מטענים, מנועים ומכשירי חשמל.
מה הקשר בין מנוע קיטור לספינה?
לפני מנוע הקיטור, ספינות גדולות היו תלויות מאוד בכיוון ובעוצמת הרוח.
השימוש במנוע אפשר ליצור תנועה גם כאשר:
אין רוח, הרוח מגיעה מכיוון לא מתאים, או כשצריך לנוע באופן קבוע לאורך נהר.
במקום לחכות שהטבע יספק את הכוח – הספינה יכולה לייצר כוח בעזרת דלק, חום וקיטור.
גם כאן חשוב לדייק:
רוברט פולטון לא היה האדם הראשון שבנה ספינה המונעת בקיטור.
ממציאים ומהנדסים נוספים כבר ערכו ניסויים בספינות קיטור לפניו.
החשיבות הגדולה של פולטון הייתה בכך שהוא סייע להפוך את ספינת הקיטור לכלי תחבורה מעשי ומצליח מבחינה מסחרית.
בשנת 1807 הפליגה ספינתו על נהר ההדסון בין ניו יורק לאולבני. הספינה מוכרת בדרך כלל בשם Clermont, אם כי בתקופתה נקראה גם North River Steamboat.
המסע, לאורך כ־150 מייל, ארך כ־32 שעות. ההצלחה הראתה שניתן להשתמש בכוח הקיטור בצורה אמינה להובלת נוסעים וסחורות.
למה ספינות קיטור היו כל כך חשובות?
לפני כן מסע ימי היה תלוי מאוד במזג האוויר.
מנוע הקיטור אפשר:
להפליג בצורה צפויה יותר, לנוע גם נגד זרמים ורוחות, להעביר כמויות גדולות של סחורות, לקצר זמני מסע וליצור קווי תחבורה קבועים.
המעבר מכוח השרירים והרוח לכוח מכני היה אחד השינויים הגדולים של תקופת המהפכה התעשייתית.
האם הקיטור מסובב את הגלגל בעצמו?
לא.
זה מקום מצוין לעצור ולשאול את התלמידים.
במנוע קיטור קלאסי:
קיטור בלחץ → דוחף בוכנה → הבוכנה מזיזה מוט → המנגנון מסובב ציר → הציר מסובב גלגל.
כלומר, בין הקיטור לבין גלגל הספינה יש מערכת מכנית שלמה.
[אם קיימת במערך תמונה/אנימציה של מנוע קיטור – להשאיר אותה כאן]
ניסוי מחשבתי – מזרק
כדי להבין כיצד לחץ יכול ליצור תנועה אפשר לחשוב על מזרק סגור ללא מחט.
כאשר לוחצים על הבוכנה אנחנו מפעילים לחץ על האוויר או המים שבתוכו.
אם יש להם פתח יציאה – הם יידחפו החוצה.
במנוע הקיטור מתרחש תהליך דומה בכיוון ההפוך:
הקיטור הוא שמפעיל את הלחץ ודוחף את הבוכנה.
עוד ניסוי מחשבתי – בלון
נפחו בלון ושחררו אותו בלי לקשור.
מה קורה?
האוויר נפלט לאחור במהירות – והבלון נע לכיוון ההפוך.
זו דרך פשוטה להבין את רעיון הפעולה והתגובה שאנחנו רואים גם בסירת הקיטור שלנו.
עכשיו נחזור לסירה שלנו
אנחנו כבר יכולים לעקוב אחרי כל התהליך:
הנר בוער.
החום עובר למים.
המים מתחממים.
נוצרים אדי מים.
הלחץ במערכת משתנה.
מים ואדים נדחפים דרך הצינור.
נוצר דחף.
הסירה מתחילה לנוע.
האדים מתקררים ומתעבים.
מים נשאבים בחזרה.
והמחזור מתחיל שוב.
כל הסיפור הזה מתרחש שוב ושוב בזמן שהסירה שטה.
הקשיבו לסירה
בסירות קיטור קטנות מהסוג הזה ניתן לפעמים לשמוע צליל מחזורי:
פופ... פופ... פופ...
זו הסיבה שסירות דומות מוכרות באנגלית בשם:
Pop-Pop Boat או Putt-Putt Boat.
הצליל קשור למחזורי החימום, ההתעבות ותנועת המים בתוך המערכת.
בטיחות – חלק חשוב מהניסוי
בסירה שלנו יש אש, מים חמים, אדים וחלקים שמתחממים מאוד.
לכן:
אין לגעת במבחנה, בצינורות או בחלקים הנמצאים מעל הלהבה בזמן הפעולה.
אין לקרב את הפנים לפתחי הצינורות.
אין לסגור מערכת המחוממת כך שלאדים אין אפשרות לצאת – הצטברות לחץ בכלי אטום עלולה להיות מסוכנת.
הדלקת הנר והטיפול בחלקים החמים ייעשו בהתאם להנחיות המדריך.
יש להמתין עד שהמערכת מתקררת לפני שנוגעים בחלקים שחוממו.
בניית סירת הקיטור
בעת הבנייה שימו לב במיוחד ל:
מיקום מקור החום ביחס למערכת המים.
מילוי המערכת במים לפני ההפעלה בהתאם להוראות הערכה.
חיבור נכון של הצינורות.
כך שהפתחים יהיו בתוך המים ובכיוון המתאים.
שהסירה צפה בצורה מאוזנת.
לפני ההפעלה – חיזוי
לפני שמדליקים את הנר, שאלו את התלמידים:
מה לדעתכם יקרה קודם?
האם הסירה תתחיל לזוז מיד?
האם ייצאו בועות?
האם נשמע רעש?
מה יקרה למים שנמצאים בתוך הצינורות?
לאחר ההפעלה אפשר לחזור לתשובות ולבדוק אילו תחזיות היו נכונות.
משימת חקר – עקבו אחרי האנרגיה
בזמן שהסירה פועלת נסו לזהות:
איפה נמצאת האנרגיה בתחילת התהליך?
איפה נוצר החום?
מה קורה למים?
מה גורם למים לנוע?
מה גורם לסירה לנוע?
בסוף נסו להשלים יחד:
אנרגיה כימית → ______ → ______ → אנרגיית תנועה
שאלת אתגר
נניח שנכבה את הנר אבל הסירה עדיין חמה.
האם היא תפסיק מיד?
או שתמשיך לפעול עוד מעט?
ולמה?
הרעיון הוא להבין שבמערכת עדיין קיימת אנרגיית חום, ולכן ייתכן שהתהליך ימשיך לזמן קצר גם לאחר שמקור החום הוסר.
סיכום – מה למדנו?
סירת הקיטור הקטנה שלנו מחברת בין כמה רעיונות גדולים מאוד במדע:
מצבי צבירה, חימום וקירור, אידוי והתעבות, לחץ, זרימת מים, חוק הפעולה והתגובה, המרת אנרגיה והיסטוריה של הטכנולוגיה.
מכמות קטנה של מים ומקור חום הצליחו מהנדסים להגיע לרעיון ששינה מפעלים, רכבות, ספינות ואת העולם כולו.
פעילות סיום
הפעילו את הסירה וצפו בה היטב.
נסו להסביר בעצמכם את כל התהליך מהרגע שבו מדליקים את הנר ועד לרגע שבו הסירה מתחילה להתקדם.
ולבסוף ענו על השאלה:
איך מים, אש וצינור מצליחים יחד לגרום לסירה לנוע – בלי סוללה ובלי מנוע חשמלי?
הנה תמונה של אחת מספינות הקיטור הראשונות.
הארה בפייסבוק
