Auszug aus:»james C. Maxwell ( ) Ein Leben im Zeichen der Wissenschaft«von Arne Lüker

Transkript

1 [ ] Auf dem britischen Festland beherrschte zu dieser Zeit die Dampfmachine die Gemüter der technikbegeisterten Briten. James Watt, dem oft fälschlicherweise die Erfindung der Dampfmaschine zugeschrieben wird, verbesserte mit seiner 1769 patentierte Dampfmaschine den Wirkungsgrad der atmosphärischen Dampfmaschine von Thomas Newcomen aus dem Jahre 1712 erheblich. Abbildung 1: Atmosphärische Dampfmaschine nach Newcomen und Wattsche Niederdruckdampfmaschine (1) Newcomen Dampfmaschine. Der im Wasserkessel A erzeugte Dampf wird über das Rohr C in den Zylinder B eingeleitet. Hierdurch bewegt sich der Kolben D, unterstützt durch das Gegengewicht K, nach oben. Die Kraftkopplung erfolgt durch die am Kolben D starr fixierte Stange E, die wiederum durch eine Kette am Balancier F fixiert ist, an dessen anderem Ende das Gegengewicht K über die Kette H fixiert ist. Das Pumpgestänge I ist starr mit dem Gegengewicht gekoppelt und wird von diesem herabgedrückt und in die Höhe gezogen. Durch Verschluss des Rohrs C mittels eines Hahns ist der Zylinderinhalt eingeschlossen. Nun wird aus dem Vorratsgefäß L Wasser über die Leitung P in den Zylinder einsprüht. (Genau dieser Zustand ist in der Abbildung dargestellt.) Es kommt zur Abkühlung und schließlich zur Kondensation des im Zylinder befindlichen Dampfes. Hierdurch entsteht im Zylinder ein Vakuum und der Kolben D wird durch den von außen auf ihn wirkendem Luftdruck heruntergedrückt. Gleichzeitig wird über den Balancier F das Gegengewicht K mit dem Pumpgestänge I gehoben. Das Rohr R ist das Ableitungsrohr für das Kondensationswasser, S kennzeichnet den im Reservoir eingetauchten, U-förmigen Abschnitt des Rohrs, der für einen dampfdichten Verschluss des Zylinders sorgt. M ist das Gestänge einer kleinen Hilfspumpe, deren Druckleitung N das Reservoir L gefüllt hält. In der ursprünglichen Auslegung wurden die Hähne von einem Arbeiter bedient. (2) Wattsche doppelt wirkende Niederdruckdampfmaschine mit Balancier (Balanciermaschine). 1 und 2 alternierend zugeschaltete Dampfkanäle, A und B Röhrenschieber, C Spritzrohr für Zerstäubung des Kühlwassers im Kondensator (K), D Wasserklappe zwischen Kondensator (K) und Vakuumpumpe (L), E Wasserklappe zwischen Vakuumpumpe (L) und Vorratsbehälter, F Speiserohr für Kesselwasser, G Kühlwassersaugrohr, H Dampfzylinder mit Dampfmantel, uu Steuerkasten Dampfzufuhr/Dampfableitung über 1 bzw. 2, K Abdampf-Kondensator, L Luftpumpe (Vakuumpumpe), M Speisepumpe (mit Windkessel) für Kesselwasser, N Antriebsachse Fliehkraftregler, O-x Kurbel, P Kühlwasserzufluss, S Exzenter, R Antrieb und Übersetzung Fliehkraftregler, T Antriebsriemen Fliehkraftregler, U Schwungrad, W Drosselklappe, Z Doppelt wirkender Kolben. a-b-c-d-e Balancier, d-d' Gestänge Kühlwasserzuflusspumpe, e-x Pleuelstange, f Kolbenstange, g-h-k, g'-h'-k' Gestänge Fliehkraftregler, k-l-m-n-o-y Gestängeverbindung zwischen Fliehkraftregler und Drosselklappe (W) im Dampfzuleitungsrohr, i Gewichte (Kugeln) Fliehkraftregler, q Dampf Ableitungsrohr, t Kolbenstangengelenk, u Kolbenstange der Vakuumpumpe, v Luftpumpenkolben mit Ventildeckel, z Schieberstange. c b-b u u r Lemniskoidenlenker (siehe Abbildung 2), s a a b b u u s Wattsches Parallelogramm (siehe Abbildung 2). Quelle: Meyers Konversationslexikon 1890 Der 1664 in Dartmouth, Devon, geborene Thomas Newcomen war Schmied und Eisenwarenhändler von Beruf, und baptistischer Laienprediger, wenn denn ein solcher gebraucht wurde. Zu seinen Kunden zählten einige große Bergwerksgesellschaften, und die hatten ein großes Problem. Durch das 2

2 Vorstoßen ihrer Bergwerke in immer größere Tiefen wuchs die Gefahr von Grundwasser, das in die Stollen eindrang. Dieses Wasser musste abgepumpt werden. Zwar gab es eine von Thomas Savery 1698 patentierte kolbenlose Dampfpumpe, die er The Miner's Friend (deutsch: des Bergmanns Freund) nannte, aber diese konnte die Wassersäule nur um 12 Meter anheben und hatte einen Wirkungsgrad im Promillebereich. Mit zunehmender Schachttiefe wuchs der Bedarf nach einer effizienteren und kraftvolleren Maschine. Man fragte Newcomen, von dem man wusste, dass er mit einem pfiffigen Geist gesegnet und ein begnadeter Tüftler war, und dieser konstruierte in zehnjähriger Arbeit die atmosphärische Dampfmaschine. Der Wirkungsgrad dieser Maschine lag bei atemberaubenden 0,5 Prozent und war somit der von Savery deutlich überlegen. Newcomens Maschine nutzte eine Wassereinspritzung, um den Wasserdampf im Zylinder zu kühlen und kondensieren zu lassen. Dadurch entstand im Zylinderraum ein Unterdruck, so dass der von außen auf den Kolben wirkende Luftdruck diesen wieder in den Zylinder hinein schob. Der Kolben wirkte ohne Kurbelwelle und Schwungrad über einen Balancier auf die anzutreibenden Pumpen. Die Verbindung zwischen dem Kolben und dem Balancier wurde über eine Kette realisiert (Abbildung 1). Savarys Maschine wartete für die Kondensation einfach, bis der Volumeninhalt im Zylinderraum über das Material von Kolben und Zylinder, das als Wärmeleiter zur kälteren Außenluft diente, von selbst wieder abkühlte. Newcomens Erfindung ermöglichte so deutlich höhere Kolbentakte. Die erste atmosphärische Dampfmaschine wurde 1712 in einem Kohlebergwerk in Staffordshire installiert. Anfangs wurden die Ventile zum Einlassen des Dampfes in den Zylinder und zum Einspritzen des Kühlwassers per Hand von einem Knaben bedient. Einer dieser Knaben, Humphrey Potter, kam (1712 oder 1713) wohl aus Bequemlichkeit oder weil er mit den anderen Jungen spielen wollte, auf die Idee, den Gang der Maschine auch dazu zu benutzen, die Ventile selbst zu regeln. Er verband in geeigneter Weise den auf- und niedergehenden Balancier durch Schnüre mit den Ventilen und hatte damit, ohne sich dessen selbst bewusst zu sein, die selbsttätige Steuerung erfunden. James Watt seinerseits fügte Newcomens Konstruktion einen Kondensator hinzu, den er außerhalb des Druckzylinders platzierte. So umging er das fortwährende, wechselweise Aufheizen und Abkühlen des Zylinders. Zusätzlich ließ er den Zylinder von außen in einer sogenannten Steam Jacket (deutsch etwa: Dampfjacke) mit Dampf umspülen, um die Wärmeverluste im Zylinder zu verringern. Diese Dampfumspülung isolierte er nach außen mit senkrecht angebrachten Holzbrettern. Erst wesentlich später konstruierte er den Zylinder auf Doppelwirkung um: Während bei den Vorgängermaschinen der Kolben durch den atmosphärischen Luftdruck nach unten sank, wurde der Vorgang nun durch Dampfkraft unterstützt. Für diese scheinbar kleine Änderung musste der Zylinderdeckel an der Kolbenstange abgedichtet werden und das kraftübertragende Gestänge vollkommen neu konstruiert werden. Seine 1769 patentierte Dampfmaschine erlaubte eine kraftvolle Kolbenbewegung in beide Richtungen und erreichte schließlich, mit einigen anderen Neuerungen versehen, einen Wirkungsgrad von unglaublichen 3 Prozent, das sechsfache der ursprünglichen Newcomen-Dampfmaschinen. Zu den wichtigen Neuerungen zählte auch das Wattsche Parallelogramm, dessen Bedeutung er noch über der des separaten Kondensators sah. Es war in der Tat ein Meisterwerk der Ingenieurskunst seiner Zeit, es skalierte die Bewegung des Wattgestänges, das die geradlinige Hubbewegung in eine Rotationsbewegung umwandelte (Abbildung 2). Da sich ein bestimmter Punkt des Gestänges auf dem Bahnabschnitt einer Lemniskate 1 bewegte, der in einem kleinen Bereich als nahezu geradlinig angesehen werden kann, wurde das Wattgestänge auch Lemniskoidenlenker genannt. Das Parallelogramm skalierte mit anderen Worten die Hubleistung und somit die Leistung der Gesamtmaschine, diente so als eine Art Gangschaltung und machte verschiedene Anwendungen mit 1 Die Lemniskate von Bernoulli, benannt nach dem schweizerischen Mathematiker Jakob Bernoulli, ist eine ebene Kurve mit der Form einer liegenden Acht ( ). 3

3 nur einem Typ Maschine erst möglich 2. Später schrieb James Watt darüber:»obwohl ich um Ruhm mich nicht sorge, bin ich doch auf die Parallelbewegung stolzer als auf irgendeine Erfindung, die ich gemacht habe«. All dies ebnete den Weg für Lokomotiven, Dampffahrzeuge und -schiffe, effektiveren Kohle- und Erzbergbau und letztendlich für die Industrialisierung des Landes. Abbildung 2: Das Wattsche Parallelogramm Vergrößerung aus Abbildung 1: Die Strecke sa ab bu us bildet das Wattsche Parallelogramm, die Strecke cb bu ur den Lemniskoidenlenker (Wattgestänge). Die Punkte c und r sind einseitig feste Gelenke, die Punkte a, b, s und u freie Gelenke und der Punkt t bewegt sich lemniskatenförmig, d.h. in einem kleinen Bereich annähernd geradlinig auf und ab. Bei gleichen Hub H wird so ein größeres Moment M erreicht, oder anders ausgedrückt: Das Watt-Parallelogramm skaliert die Bewegung des Wattgestänges, welches eine angenäherte geradlinige Bewegung in eine rotatorische Schwenkbewegung umwandelt. Im Jahre 1831 dampfte, zischte, drehte, puffte und rußte es landauf und landab im Vereinigten Königreich. In Schottland, das dem englischen Süden etwas hinter hinkte, wurde die erste, vollständig auf schottischem Boden gebaute Dampflokomotive in Glasgow auf die Schienen gestellt und das erste eiserne Dampfboot, die Fairy Queen, im River Clyde zu Wasser gelassen, zahlreiche Eisenbahnstrecken wurden eröffnet, die ersten dampfbetriebenen Passagierzüge durchquerten das Land, dampfbetriebe Straßenbusse, die Goldworthy Gurney s steam coaches, verbanden Edinburgh und Glasgow miteinander am 1. Juni 1831 explodierte ein Dampfkessel eines solchen Busses in Glasgow und neue Fabriken wurden errichtet, die mehr auf die Kraft des Feuers und des Dampfes als, wie bisher, auf Wasserkraft setzten. Diese arbeiteten effizienter, schneller und kraftvoller und waren unabhängig von stark strömenden Gewässern und somit Standorten. Diese Fabriken waren das Fundament, auf dem das goldene, viktorianische Zeitalter errichtet wurde. Sie untermauerten das Bewusstsein der Menschen, der Natur weit überlegen zu sein, und sie sollten wenige reich und mächtig machen, die große Mehrheit aber in Armut und elendige Knechtschaft treiben. Doch ein Wandel zeichnete sich langsam ab. Am 29. August 1831 demonstrierte Michael Faraday erstmals die magnetische Induktion und konstruierte am 28. Oktober des gleichen Jahres den ersten Dynamo. [ ] 2 Die nur schwer ersichtliche Skalierung der Hubleistung ist Menschen wie meinem Vater, der technischer Zeichner ist, und mir ich ging während meines Ingenieursstudiums bei ihm in die Lehre, wohl anhand des Pantographen besser nachvollziehbar. Dieses Gerät, auch als Storchschnabel bezeichnet, ist ein mechanisches Präzisionsinstrument für das Übertragen von Zeichnungen im gleichen, größeren oder kleineren Maßstab. (Siehe dazu die Notizen zu diesem Kapitel.) Es wurde 1603 von dem Jesuitenpater, Physiker und Chemiker Christoph Scheiner erfunden. Christoph gilt neben Galilei und Johann Fabricius auch als Mitentdecker der Sonnenflecken. 4

4 Notizen Auszug aus:»james C. Maxwell ( ) Ein Leben im Zeichen der Wissenschaft«1. Kapitel (1) Der 1603 von dem Jesuitenpater, Physiker und Chemiker Christoph Scheiner erfundene Pantograph dient zum Skalieren von Zeichnungen. Dabei wird die Originalzeichnung mit dem im Punkt B befestigten Stift abgefahren. Über einen fest fixierten Punkt A ergibt sich eine Skalierung der Zeichnung im Punkt C. 5 In der obigen Abbildung kennzeichnen die grünen Linien ein Strahlenbündel und die blauen eine Parallelenschar. Laut den Strahlensätzen von Euklid gilt nun: von AD = AF AB. Mit einem Verhältnis AD 1 = skaliert man eine Bewegung von Punkt B um den Punkt A in Punkt C also um AF k den Faktor k : AD AF AB 1 = = k AB =. k (2) Ähnlich kann man auch beim Wattschen Parallelogramm argumentieren. In der folgenden Abbildung ist der bekannte Mechanismus für drei Fälle schematisch dargestellt. Der wesentliche Teil des Apparates ist das Wattgestänge FEBC. Der Kolbenhub wirkt auf den Punkt D und der Punkt L auf der Stange BE beschreibt eine Lemniskate, eine Kurve, die bei nicht zu großer Elongation als nahezu geradlinige angesehen werden kann. (i) Im ersten Fall ist AB = BC = AD = BE = DE = EF, d.h. alle Stangen haben die gleiche Länge. Die Punkte D, L, C liegen wegen der Ähnlichkeit der Dreiecke D und BCL stets auf einer Geraden (dargestellt durch die grün gestrichelte Linie). Wie im eben behandelten Pantografen findet man hier ein Strahlenbündel (grüne und durchgezogene Linien) und eine Parallelschar (blaue und durchgezogene Linien). Aus diesem Grunde ist

5 BC BL 1 = = k BL = AD. Da CD doppelt so groß ist wie CL ( ist doppelt so AD k groß wie BC!) vollführt D eine zu L ähnliche Bewegung, nur in doppelt so großen Ausmaßen. Daher befindet sich L genau in der Mitte der Stange BE und k = = 2. BC (ii) Hier ist der realistischere Fall dargestellt, dass im Parallelogramm die Strecken A B = E doppelt so groß sind wie die Strecken A = B E. Wieder liegen die Punkte,, wegen der Ähnlichkeit der Dreiecke A (blau schraffiert) und B (grün schraffiert) auf einer Geraden. Die Argumentation ist die gleiche wie oben und markiert die Mitte der Strecke B E. Daraus folgt: B B 1 = = k B = mit k = = 2 k B (iii) Im letzten Beispiel bilden die Strecken B C und A ein willkürliches Verhältnis B. Hier befindet sich L nicht mehr in der Mitte der Strecke B E, der C Argumentationsweg bleibt jedoch derselbe wie in den obigen beiden Fällen und man findet B B L 1 = = k B L = mit A D k A k =. Da in allen dieser drei B C Fälle = AB + BC und AB = DE = FE gilt, ist ersichtlich, dass der Faktor k in erster Linie durch die Dimensionierung des Wattgestänges FEBC bestimmt ist. 6