A gumigép (rubber heat engine)

12890

Képzeljük el, hogy egy fejre állított bicikli egyik kerekében az összes küllőt kicseréljük feszes gumiszálra (elég macerás). Ezután a tengely magasságában a gumiszálakat infralámpával melegítjük, de csak a kerék egyik oldalán. Vajon mi történne ettől? (Az abroncs súlya miatt a tengely már melegítés nélkül is eltolódik az abroncs geometriai középpontja fölé, de ettől a jelenségtől most tekintsünk el, koncentráljunk a melegítés hatásaira!)

Nézzük először a kezdeti "hideg" állapotot!

Amikor az infralámpa infravörös sugarai elnyelődnek a "megvilágított" oldalon gumiszálakban, a gumiszálak felmelegszenek. Mivel a gumi \(\alpha\) lineáris hőtágulási együtthatója negatív, ezért felmelegedés hatására egy gumiszál nem kitágulni, hanem össszehőzódik próbál. Tehát a melegtett oldalon a gumiszálak próbálnak összehúzódni, de mivel az abroncs erős, ezért csak olyan módon tudnak összehúzódni, hogy a középen lévő tengelyt maguk felé húzzák el:

A tengelynél fogva felfüggesztett rendszer (abroncs és gumiszálak) tömegközéppontja jó közelítéssel az abroncs geometriai közepén van, hiszen az abroncs sokkal nagyobb tömegű, mint a gumiszálak.Tehát a rendszerre ható \(m\cdot g\) nehézségi erő támadáspontját az abroncs közepéhez rajzolhatjuk be, ami viszont nem esik egybe a tengely aktuális helyével:

Emiatt az \(m\cdot g\) nehézségi erőnek a tengelyre nézve lesz forgatónyomatéka:

Ez a forgatónyomaték forgásba hozza a kereket. Mivel a gumiszálak tömege kicsi, forgás közben egy kis "menetszéltől" már gyorsan lehűlnek. Így a túloldalra átérve ott már nem akarják maguk felé húzni a tengelyt, ahogy eddig tették. Emiatt amíg az infralámoa világít, a kerék forgásban lesz. Persze ne gondolja senki, hogy ez, mint hőerőgép áramtermelésre fogható. Épp hogy olyan kicsi forgatónyomaték keletkezik csak, ami magát a kereket forgásba hozza. Említésre méltó nagyságú teljesítményt ettől a "gumigép"‑től ne várjunk. Valószínűleg ez a világ legrosszabb hatásfokú hőerőgépe, azaz ami a hő formájában bevitt energiát mechanikai munkavégzéssé alakítja.