建造简单的热机

热机有多种形式，从家用汽车的内燃机到为我们的家庭发电的巨型涡轮机。它们的共同点是它们窃取了一些在热和冷之间移动的能量，并将其转化为运动。

当您加热空气或蒸汽等气体时，气体中的分子移动得更快。他们移动得越快，他们就越难撞到任何挡路的东西。如果我们在路上放置一些东西，比如螺旋桨或风车，我们可以让它们旋转（这就是涡轮发电机旋转发电的方式）。如果我们将气体限制在带盖子的容器中，我们可以将盖子打开（这就是汽车发动机的工作原理）。如果我们让快速移动的分子推动容器的一侧，然后通过另一侧的小孔逃逸（因此它们在一侧的推动力比在另一侧的推动力更大），那么我们就有了火箭或喷气式飞机，它们会移动在远离有孔的一侧的方向上。

在本章中，我们将制作第一台热机（蒸汽轮机的一种形式）的工作版本，一种燃气轮机发动机，它利用你温暖的手和周围较冷的空气之间的微小热差来运行，还有一些微型火箭可以几分钟后在厨房里制作完成，然后在车道上拍摄。

英雄的蒸汽机。

公元一世纪，亚历山大的数学家希罗描述了一种称为aeolipile的装置，其中蒸汽通过管道从锅炉引导到一个球体，该球体有两个喷射口，蒸汽可以从中逸出。

Hero的蒸汽机可能只是一个玩具（如果它真的被制造出来的话），并没有用于任何有用的目的。延续这一优良传统，我们将出于同样的目的构建他的引擎版本。我们的版本将更容易构建，因为我们不需要用于轴的防蒸汽轴承。

我们从锡罐开始。罐头既是锅炉又是带有喷嘴的旋转部件。这种简化消除了蒸汽通过紧密配合的轴承进入喷射室的任何需要。我们将两根细黄铜管插入靠近顶部的罐子中，并且彼此相对。我们弯曲管子，使它们与罐子相切，并将它们卷曲几乎关闭，这样蒸汽压力就会在罐子内积聚。

我用各种锡罐做了几个aeolipiles，有些比其他的效果更好。像那些番茄酱这样的小罐头很好用，但它们没有方便的螺旋盖来加水。一个人必须通过一个管子吸另一个管子来吸水，这不是炫耀一世纪高科技的一种非常有尊严的方式。迄今为止我发现的最好的是一个小罐子，用来装“OateyPurplePrimer”，一种用于PVC管道的溶剂。该产品价格低廉，在大多数五金店都很容易找到。把里面的东西倒进罐子里，交给你最喜欢的水管工，然后把罐子洗干净。

Oatey罐的盖子上焊接了一根金属丝，金属丝的另一端有一团纤维，用作涂底漆的刷子。使用对角线剪将电线尽可能靠近盖子切断。纯粹主义者可能会拆线，但这需要更长的时间。把电线扔掉，我们不需要它。

接下来我们用一个很小的钉子（实际上我通常使用旧珠宝商的螺丝刀，但小钉子也可以）在罐子顶部附近打两个孔（距离顶部1/8英寸，所以我们有一点回旋余地）。孔必须直接对面，否则发动机会摇晃很多（反正它会摇晃很多，所以也不要担心很多关于精度）。两根小黄铜管，大约一英寸长，现在你能找到的一样薄，每个孔里都有一根管子。黄铜管可以在大多数爱好商店中找到。它可以用对角线切割器切割，但必须将一端锉平，使其敞开。另一端可以用钳子挤压打开，因为我们不希望它一直打开。您通过挤压得到的微小开口是蒸汽逸出的完美喷嘴。

管子的大开口端进入罐内，喷嘴端伸出。管子被压在罐子上，因此它们与罐子相切，而不是笔直伸出。

现在我们将管子焊接到罐子上。使用高功率焊枪或烙铁（RadioShack瓦焊枪效果很好），因为罐子会吸收大量热量，而用于印刷电路板精细工作的小焊笔不适合这种焊枪我们正在做的管道。始终在任何将要处理的玩具或物体上使用无铅焊料，尤其是对铅中毒更敏感的儿童。

现在将一段串珠黄铜链（用作打开和关闭灯的拉链）焊接到盖子顶部的中心。该链条将充当支撑以支撑发动机，并充当轴承以使发动机旋转。我试过钓鱼旋转器，它们可以工作，但链条摩擦较小，而且更便宜（除非你周围有一些钓鱼旋转器）。

我通常将链条的连接器焊接到盖子上，因为用一把长嘴钳子更容易处理。但是，如果您用一根链条制造多个发动机，您可以简单地将其中一个珠子焊接到盖子上，注意珠子上连接到链条其余部分的孔是直的。链条的长度可以从3英寸到1英尺不等，具体取决于您想要将支撑物放置多远（我们将在稍后描述）。

接下来拿罐子的盖子，用它在一些橡胶板周围画一个圆圈，要么是一块旧的内胎，要么是轮胎补丁套件中的一点。切下圆圈并将其作为密封件（称为垫圈）推入罐头的盖子中，以防止蒸汽从不应该出现的地方流出。

支架由三块木头制成。一件是底座，可以是任何扁平的木头，例如2x4。我在一家爱好商店里发现了一些很好的作品，这些作品的形状适合制作效果很好的牌匾。底座应该足够大，以使发动机在摇晃时不会倾倒。最小值可能是3x5英寸。

两个木销形成其余的支撑。一根销钉直径为半英寸或更大，长约15英寸，形成桅杆。在底座上钻一个紧贴桅杆的孔。如果合身不紧，您可以使用胶水将零件固定在一起。最后一块是一个长约5英寸、直径1/4英寸的小销钉。在桅杆上钻一个四分之一英寸直径的孔，距顶部约一英寸，然后将小木钉强行插入其中。配合不一定要紧贴，但在运输发动机时，紧贴的配合将使零件保持在一起。不要粘这部分，因为稍后会调整。

小销钉还必须在距离末端约一英寸处钻一个孔。这个孔应该比串珠链稍大一点，因为链将穿过这个孔。如果合身有点紧，您将不再需要任何东西来将链条固定到位。如果是松的，那么可以在孔上方的链条上缠绕一点金属丝，以防止在罐子装满水时链条掉下来。

随着大销钉紧贴在底座的孔中，较小的销钉安装在较大销钉顶部附近的孔中，链条现在将罐子悬挂在底座上方一点处。将链条抬高到足以放入Oatey罐下的一小罐Sterno（果冻酒精，用于在自助餐时为食物保温）。在两个罐子之间留出大约半英寸的距离，这样空气就可以接触到酒精。

现在将罐子装满水，拧紧盖子，然后点燃Sterno以将蒸汽机中的水煮沸。如果罐子里装满了水，则需要几分钟才能煮沸。如果罐子里只有半英寸左右的水，它会煮得更快。注意不要让罐子干涸，否则罐子会变成难看的颜色，焊料会熔化，橡胶垫圈会冒烟发臭。

当水沸腾时，罐头将开始旋转。从黄铜管中流出的蒸汽应该足够凉，可以触摸（我稍后会解释原因）。如果蒸汽没有以足够的力量旋转罐头，则链条上的摩擦力可能太大（链条太短，不是黄铜链条，罐头太重），但问题更可能出在喷嘴上。喷嘴必须有非常小的开口，这样蒸汽压力才能在罐中积聚，使蒸汽高速离开喷嘴。试着用一把钳子把喷嘴夹得更紧一点。确保每个都有一些小孔，否则罐子会因压力而破裂。我已经建造了其中的几个，并且所有这些都是第一次工作，尽管孔最小的那些旋转得最快。

随着罐子旋转得越来越快，它会开始摇晃。即使你已经以最精确的方式建造了所有东西，罐子里的水也在沸腾，并且会有气泡使一侧比另一侧更轻。您可以通过将链条靠近罐子来减轻摆动，因此链条的有效长度更短。小心不要触摸任何热的东西。

为什么这样做？

随着水升温，水分子移动得更快。当水沸腾时，分子移动得太快，无法像液体一样粘在一起，它们像蒸汽一样自由移动。快速移动的水分子在罐中弹跳，从各个方向撞击罐壁。因为他们击中顶部的次数与击中底部的次数一样多，所以罐子既不会向上移动也不会向下移动。

但是有一个方向，分子不会撞到任何东西。这是管中孔所在的方向。分子没有撞到罐壁，而是什么也没撞到，然后逸出到空气中。罐中的分子以相同的量推动所有墙壁，除了孔所在的位置。因为没有东西朝那个方向推动，所以没有什么东西可以阻止罐子向后移动，它会从管子上的孔中移开。

想象一下地板上有一个大盒子，没有顶部，没有底部，并且缺少一堵墙。想象一下，盒子里有十个小孩，都朝不同的方向奔跑。当一个孩子撞到盒子的墙壁上时，盒子会移动一点，孩子会从墙上弹起，然后朝另一个方向跑。让我们称墙壁为左墙、右墙和前墙。后墙是缺失的那一面。有些孩子会撞到左边的墙，盒子会向左移动。有些孩子会撞到右边的墙，盒子会向右移动。这些动作将相互抵消，盒子将留在房间的中央。每当孩子撞到前墙时，盒子就会向前移动。但是由于没有后墙，所以没有孩子会把盒子搬回来。结果是一个盒子在房间里移动。

火箭和喷气机的移动方式与盒子的移动方式相同。火箭可以在外太空工作，因为它不需要推向空气或地面。它之所以起作用，是因为火箭内部的分子正在向各个方向推进，除了后面。我们的蒸汽机之所以有效，是因为它有两个火箭（黄铜管）将罐子的侧面朝相反的方向推动，使其旋转。

为什么蒸汽一出来就凉了？

罐子里的蒸汽很热，有两个原因：分子的速度，以及挤进那个小空间的分子数量。分子的速度是产生温度的原因。但温度本身并不会灼伤你的手指。你需要很多快速移动的分子撞击你的手指才能感觉到它是热量。

当快速移动的蒸汽分子离开喷嘴时，它们会在遇到罐外缓慢移动的空气分子时向各个方向扩散。用手摸到的，是空气中已经减速的蒸汽分子，以及它们撞到并引起运动的空气分子。它们不仅在击中您的手时速度变慢了，而且它们已经散开，因此它们不会都击中同一个地方。缓慢移动和散开的组合使它们在您的手上感觉凉爽。