- Mesin beam awal memanfaatkan ekspansi dan kondensasi uap serta tekanan atmosfer untuk secara terus-menerus menghasilkan sekitar 15 tenaga kuda, dan mengubah gerak bolak-balik menjadi putaran untuk menggerakkan mesin tambang dan pabrik pada masa Revolusi Industri
- Mesin Newcomen mengondensasikan uap untuk menciptakan vakum dan menggerakkan piston dengan tekanan atmosfer, tetapi karena harus mendinginkan lalu memanaskan kembali silinder pada setiap langkah, sekitar tiga perempat uap terbuang
- Kondensor terpisah James Watt menjaga silinder tetap panas dan kondensor tetap dingin, sehingga mengurangi konsumsi batu bara sekitar dua pertiga; dengan silinder kerja ganda, cut-off, dan pemesinan presisi, mesin ini menghasilkan daya secara efisien dari kedua arah
- Katup geser dan roda eksentrik, beam dan gerak paralel, engkol dan roda gila, pompa air umpan, serta governor menghubungkan aliran uap, gerak lurus, rotasi, pasokan air boiler, dan kontrol kecepatan menjadi satu sistem operasi otomatis
- Efisiensi termal meningkat dari sekitar 0,5% pada Newcomen menjadi sekitar 3% pada Watt, lebih dari 10% pada mesin kapal besar tahun 1890-an, dan lebih dari 40% pada pembangkit listrik turbin uap modern; seiring meluasnya motor listrik, mesin beam pusat serta sistem poros dan sabuk secara bertahap digantikan
Ekspansi dan Tekanan Uap
- Ketika air mendidih dan menjadi uap, volumenya mengembang sekitar 1.700 kali dari volume semula
- Satu cangkir air menjadi sekitar 400 liter uap, cukup untuk mengisi dua bak mandi
- Jika ruang untuk mengembang tidak cukup, uap mendorong seluruh dinding wadah; gaya ini dibagi luas permukaan disebut tekanan
- Tekanan uap yang diberikan pada permukaan air diteruskan secara merata ke semua bagian yang bersentuhan dengan air
- Ketika selisih tekanan sebesar 1 atmosfer, diperoleh gaya sekitar 1 kg untuk setiap 1 cm² luas piston
- Jika diameter piston dibuat dua kali lebih besar, luas dan gayanya menjadi empat kali lipat
- Para pembuat awal belum mampu menangani uap bertekanan tinggi dengan aman, sehingga menggunakan silinder bertekanan rendah yang cukup besar untuk dimasuki manusia
Tekanan Atmosfer dan Vakum Uap
- Di permukaan bumi, kolom udara dengan luas penampang 1 cm² yang membentang hingga ujung atmosfer memiliki massa sekitar 1 kg, dan atmosfer memberikan gaya sekitar 1 kg pada setiap 1 cm²
- Udara dan cairan di dalam tubuh juga mendorong keluar dengan tekanan yang sama, sehingga biasanya kita tidak merasakan tekanan atmosfer
- Saat minum dengan sedotan, tekanan di dalam sedotan menurun, dan tekanan atmosfer di permukaan gelas mendorong cairan naik
- Otto von Guericke pada 1654 mengeluarkan udara dari dalam dua belahan bola tembaga berdiameter sekitar 0,5 m
- Tekanan atmosfer menahan kedua belahan itu dengan gaya sekitar 2 ton, sehingga bahkan beberapa ekor kuda pun tidak dapat memisahkannya
- Ketika katup dibuka dan udara dimasukkan, keduanya dapat dipisahkan dengan tangan
- Jika sebuah wadah diisi uap lalu didinginkan dengan menyemprotkan air, uap mengembun menjadi air dengan volume sekitar 1/1.700, sehingga vakum dapat terbentuk dengan cepat
- Jika uap di bawah piston dikondensasikan, tekanan atmosfer di atasnya menekan piston turun ke arah vakum
- Piston berdiameter 0,5 m dapat mengumpulkan gaya sekitar 2 ton dalam vakum sempurna
Mesin Pompa Tambang Newcomen
- Pada awal 1700-an, tambang makin dalam hingga berada di bawah muka air tanah sehingga air terus merembes masuk, dan meskipun regu kuda bergantian memutar pompa siang malam, tambang batu bara tetap harus ditinggalkan pada musim hujan
- Thomas Newcomen menghubungkan piston vakum ke beam ayun raksasa untuk membuat mesin yang dapat bekerja sepanjang hari
- Ketika tekanan atmosfer menurunkan piston, batang pompa berat di sisi lain terangkat
- Saat berat batang pompa mengangkat kembali piston, silinder terisi uap
- Mesin pertama yang berhasil dipasang pada 1712 di tambang batu bara dekat Dudley
- Bekerja sekitar 12 langkah per menit
- Pada setiap langkah, mengangkat sekitar 45 liter air setinggi 50 m
- Dapat beroperasi 24 jam tanpa makan atau istirahat, sehingga menyebar dari Cornwall hingga Newcastle
- Piston berdiameter 50 cm memperoleh gaya sekitar 2 ton dalam vakum sempurna, dan setelah memperhitungkan kebocoran serta berat batang pompa, dapat melakukan kerja efektif sekitar 4 kW
- Untuk menggantikannya selama sehari, sekitar 15–20 ekor kuda harus bergantian bekerja
- Watt kemudian menjual mesin berdasarkan jumlah kuda yang digantikannya, dan menetapkan 1 horsepower sebagai 33.000 foot-pound per menit
-
Keterbatasan Pemesinan Silinder Awal
- Membuat bagian dalam silinder besi besar agar lurus dan bulat lebih sulit daripada mengecornya
- Silinder Newcomen digerinda dengan tangan, dan dinding bagian dalam yang tidak rata disegel dengan flap kulit yang ditutup air
- Denis Papin pada 1690 mendemonstrasikan prinsip merebus air di bawah piston untuk mengangkatnya lalu mengondensasikannya agar turun karena tekanan atmosfer, tetapi tidak mengembangkannya menjadi mesin operasi kontinu
Pemborosan Bahan Bakar pada Mesin Newcomen
- Dengan menyemprotkan air dingin langsung ke dalam silinder, bukan hanya uap yang didinginkan, melainkan juga silinder besi raksasa
- Pada langkah berikutnya, sekitar tiga perempat uap terbuang untuk memanaskan kembali silinder
- Tambang batu bara dapat menggunakan slack, potongan batu bara kecil yang tidak laku dijual, sebagai bahan bakar sehingga masih bisa menerima inefisiensi ini, tetapi di wilayah lain biaya bahan bakarnya terlalu tinggi
- Karena konsumsi yang tinggi, mesin uap kemudian tetap terbatas terutama pada tambang batu bara selama sekitar 50 tahun
Boiler Bertekanan Rendah dan Keuntungan Tekanan Atmosfer
- Haystack boiler Newcomen hanya menghasilkan uap sekitar 1/20 atmosfer di atas tekanan atmosfer
- Dibuat dari pelat tembaga dan besi tipis dengan paku keling; dinding yang lebar dan sambungan yang lemah tidak mampu menahan tekanan tinggi
- Jika uap mendorong secara langsung, gayanya sekitar 50 g per 1 cm², tetapi jika dikondensasikan untuk memanfaatkan tekanan atmosfer, diperoleh sekitar 1 kg, yakni sekitar 20 kali lebih besar
- Thomas Savery pada 1690-an mencoba menggunakan uap bertekanan tinggi dengan boiler tembaga yang disolder
- Api membuat solder melunak dan sambungan bocor, sehingga sering harus diperbaiki
- Newcomen memilih struktur uap yang mendekati tekanan atmosfer, dengan pelat timah/timah hitam dan besi tempa tipis serta paku keling
- Waggon boiler Watt mengalirkan gas panas di bawah ruang air yang luas dan mengumpulkan uap di bawah atap bundar
- Dasar yang luas menerima panas dengan baik, tetapi sisi yang datar dan dasar yang melengkung ke dalam rentan terhadap tekanan
- Para pembuat berikutnya membuat seluruhnya sebagai silinder panjang yang melengkung ke luar, menghilangkan bidang datar dan permukaan lengkung ke dalam
- Semakin besar jari-jari silinder, semakin besar gaya yang membelahnya pada tekanan yang sama, sehingga boiler dibuat sempit
- Pada silinder bertekanan 2 atmosfer dan berjari-jari 0,5 m, terdapat beban keliling sekitar 10 ton per 1 m pelat, sedangkan tegangan arah memanjang adalah setengahnya
- Bentuk bola membagi beban lebih merata, tetapi sulit dibuat dari pelat yang digiling dan dipaku keling
- Setelah teknologi besi dan paku keling membaik, tekanan yang lebih tinggi menjadi memungkinkan, dan Richard Trevithick mengoperasikan mesin beberapa atmosfer sekitar tahun 1800
Kondensor Terpisah Watt
- James Watt menganalisis konsumsi uap yang berlebihan ketika memperbaiki model mesin Newcomen di University of Glasgow pada 1765
- Menurut panas laten (latent heat) yang diteliti Joseph Black, untuk mendidihkan 1 kg air menjadi uap diperlukan energi lebih dari 5 kali dibandingkan memanaskannya dari titik beku hingga titik didih
- Jika hanya air sebanyak yang secara teoritis diperlukan untuk mengondensasikan uap di dalam silinder yang dimasukkan, air akan memanas oleh panas laten dan kondensasi berhenti, sehingga vakum yang cukup tidak terbentuk
- Jika lebih banyak air dingin dimasukkan, vakum memang terbentuk, tetapi silinder ikut mendingin dan harus dipanaskan kembali pada langkah berikutnya
- Watt memperkenalkan struktur yang menjaga silinder tetap panas dan kondensor terpisah tetap dingin
- Ketika katup terbuka di akhir langkah, uap bergerak ke kondensor yang dingin
- Saat uap berubah menjadi air, tekanan pada silinder yang terhubung ke kondensor juga ikut turun
- Pompa udara kecil yang digerakkan oleh mesin mengeluarkan air kondensat dan udara yang masuk pada setiap langkah
- Kondensor terpisah mengurangi konsumsi batu bara sekitar dua pertiga
- Watt dan Matthew Boulton mengenakan biaya sebesar sepertiga dari biaya batu bara yang dihemat pelanggan
-
Pembuatan Silinder Presisi
- Mesin Watt membutuhkan silinder yang jauh lebih presisi daripada piston Newcomen yang longgar dan disegel air
- John Wilkinson) sekitar 1775 menerapkan teknik pengeboran lubang meriam untuk membuat boring mill dengan batang pemotong kaku yang ditopang di kedua ujungnya
- Silinder 50 inci yang dipasang di Tipton pada 1776 memiliki penyimpangan dimensi lebih kecil daripada ketebalan koin 1 shilling lama, mencegah kebocoran uap dan membuat mesin Watt praktis digunakan
Mesin kerja ganda dan penghematan uap
- Berdasarkan silinder presisi, Watt membuat mesin kerja ganda (double-acting) dengan menutup bagian atas dan memasok uap secara bergantian ke kedua sisi piston
- Pada langkah turun, uap di sisi atas mendorong dan kondensor di sisi bawah menurunkan tekanan
- Pada langkah balik, koneksinya dibalik sehingga proses yang sama terjadi ke arah sebaliknya
- Karena satu silinder menghasilkan daya pada kedua langkah, mesin ini menyediakan gaya dorong-tarik yang lebih stabil untuk memutar mesin penggilingan
- Salah satu dari kedua ujung harus dihubungkan ke boiler dan ujung lainnya ke pembuangan, lalu kedua koneksi harus ditukar sebelum piston kembali, sehingga konfigurasi katup menjadi rumit
-
Katup geser dan cincin eksentrik
- Satu katup geser bergerak hanya beberapa cm untuk menghubungkan salah satu ujung silinder ke uap segar dan ujung lainnya ke pembuangan
- Katup berada di dalam ruang uap (steam chest), sebuah kotak besi yang terisi uap segar
- Dua port luar mengarah ke kedua ujung silinder
- Port tengah membuang uap buang
- Salah satu tepi katup berbentuk D yang lebar dan berongga membuka port uap, sementara sisi belakangnya yang kosong menghubungkan port di sisi berlawanan ke pembuangan
- Cincin eksentrik (eccentric) pada poros putar menyinkronkan katup dan piston
- Pusat piringan yang sedikit menyimpang dari pusat poros berputar membentuk lingkaran kecil
- Strap yang melingkari piringan menggerakkan batang katup maju-mundur
- Posisi pada poros disetel agar port berikutnya terbuka sebelum piston mencapai akhir langkah
-
Cutoff dan ekspansi majemuk
- Jika port uap ditutup sebelum piston mencapai akhir langkah, uap yang terperangkap mengembang dan terus mendorong, tetapi tekanannya berangsur turun
- Cutoff 50%, yaitu menghentikan pasokan pada setengah langkah, menghasilkan sekitar 85% kerja langkah penuh ideal sambil hanya memakai setengah uap
- Perhitungannya memperoleh kerja
pV/2pada paruh pertama dan sekitar0.35pVdari ekspansi pada paruh kedua - Cutoff yang lebih awal menghemat lebih banyak uap, tetapi tekanannya mungkin tidak cukup untuk mengatasi gesekan dan tuas yang tidak menguntungkan di dekat titik mati
- Watt mematenkan metode ini pada 1782
- Belakangan, mesin majemuk mengirim uap buang dari satu silinder ke silinder kedua yang lebih besar, dan kadang ke silinder ketiga, untuk mendapatkan kerja tambahan selama proses ekspansi
Mengukur kerja di dalam mesin
- Asisten Watt, John Southern), membuat perangkat pada 1796 untuk mengukur tekanan di dalam silinder yang tidak tembus pandang
- Piston kecil dengan pegas menggerakkan pensil naik-turun sesuai tekanan
- Kertas yang terhubung dengan piston utama bergerak ke samping
- Diagram indikator (indicator diagram) yang dihasilkan menunjukkan tekanan sepanjang langkah, dan mengukur jumlah kerja yang dihasilkan dari luas di dalam kurva tertutup
- Kebocoran piston, cutoff yang terlambat, dan pembuangan yang terbatas menghasilkan bentuk diagram berbeda, sehingga kondisi dapat didiagnosis hanya dari satu kartu
- Boulton & Watt merahasiakan perangkat ini selama bertahun-tahun
- Émile Clapeyron pada 1834 menjelaskan teori mesin kalor Sadi Carnot dengan diagram tekanan-volume dalam bentuk yang sama, dan termodinamika modern juga menampilkan tekanan dan volume bersama-sama
Mengubah gerak bolak-balik menjadi putaran
- Gerak bolak-balik piston dapat digunakan langsung untuk pompa, tetapi mesin pabrik membutuhkan putaran
- Jika pin yang menyimpang dari pusat poros engkol dan piston dihubungkan dengan connecting rod, gaya bolak-balik akan memutar poros
- Pada titik mati (dead centre), ketika engkol dan rod segaris dua kali dalam satu putaran, gaya melewati tepat melalui pusat poros sehingga gaya putarnya hilang
- Flywheel besar menyimpan energi saat efek tuas engkol bagus, lalu mengembalikannya saat melewati titik mati
- Semakin berat flywheel, semakin kecil perubahan kecepatan putar, sehingga keluaran menjadi halus dan stabil
-
Paten engkol dan sun-and-planet gear
- James Pickard mematenkan penggunaan engkol pada mesin uap pada 1780
- William Murdoch merancang sun-and-planet gear untuk menghindari paten tersebut
- Gear pada connecting rod berputar mengelilingi gear lain pada poros flywheel, sehingga poros berputar dua kali untuk setiap satu siklus beam
- Setelah paten Pickard berakhir pada 1794, para pembuat kembali ke engkol yang lebih sederhana
- Struktur ini termasuk keluarga planetary gear, dan beberapa planet gear dapat berbagi beban sekaligus menempatkan input dan output pada poros yang sama
- Digunakan pada bor nirkabel, hub sepeda, transmisi otomatis, dan turbin angin
- Pada mobil hibrida, struktur ini membagi daya antara mesin, motor listrik, dan roda
Beam dan gerak paralel
- Pin engkol bergerak tidak hanya naik-turun tetapi juga ke samping, sementara piston rod harus melewati seal di bagian atas silinder secara lurus
- Jika dihubungkan langsung, gaya samping akan bekerja pada piston dan seal akan cepat rusak
- Beam meneruskan beban samping ke bantalan bundar besar yang pada masa itu dapat dibuat dengan presisi, tetapi ujung beam sendiri bergerak membentuk busur
- Gerak paralel (parallel motion) yang dipatenkan Watt pada 1784 menghubungkan beam dan titik tetap dengan beberapa linkage berengsel
- Saat beam menarik piston rod ke satu arah, linkage lain menariknya ke arah berlawanan dengan jumlah yang hampir sama
- Kedua kurva saling meniadakan, sehingga piston rod mengikuti jalur yang sangat mendekati garis lurus
- Watt mencatat bahwa ia lebih bangga pada gerak paralel daripada penemuan mesin apa pun yang ia buat
- Gerak bolak-balik di sisi seberang beam digunakan untuk menggerakkan pompa air umpan boiler
Pompa air umpan boiler
- Karena tekanan di dalam boiler membuat air mengalir balik jika tangki air dihubungkan begitu saja, pompa diperlukan untuk memasok air tanpa menghentikan operasi
- Ujung beam menggerakkan pompa yang memiliki plunger sempit dan dua check valve satu arah
- Saat plunger naik, tekanan turun, katup masuk terbuka, dan air dari tangki masuk
- Saat turun, tekanan naik, saluran masuk tertutup, dan katup keluar ke arah boiler terbuka
- Kedua katup bekerja otomatis sesuai perubahan tekanan air
- Tekanan pompa harus sedikit lebih tinggi daripada boiler, tetapi jumlah air per langkah tidak perlu besar
- Jika plunger dibuat sempit, gaya yang diperlukan berkurang sesuai hubungan
tekanan × luas, sehingga level air boiler dapat dipertahankan hanya dengan sebagian kecil keluaran mesin
Poros pabrik dan sabuk kulit
- Sebelum mesin uap, pabrik berada di tepi sungai dan memutar poros utama dengan kincir air, sementara poros besi, pulley, dan sabuk kulit menyalurkan putaran ke tiap mesin
- Jika sabuk mesin dipindahkan ke loose pulley, hanya mesin tersebut yang berhenti karena inersia, sementara poros utama dan mesin lain terus beroperasi
- Saat tali atau sabuk melilit silinder, tegangan pada tiap bagian kontak menimbulkan gesekan dan mengurangi tegangan yang diteruskan ke bagian berikutnya
- Jika koefisien gesek tali yang melilit besi tuang dianggap sekitar 0,3, penurunannya terakumulasi dalam bentuk
e^-μθ - Beban 2.000 N yang dililitkan sekali pada pilar hanya meneruskan 300 N ke tangan, dua lilitan 46 N, dan tiga lilitan 7 N
- Jika koefisien gesek tali yang melilit besi tuang dianggap sekitar 0,3, penurunannya terakumulasi dalam bentuk
- Saat dipasang, sabuk diberi tegangan agar kedua sisinya tertarik hampir sama
- Ketika mesin membutuhkan daya, gesekan memindahkan sebagian tegangan dari sisi kendur yang kembali ke sisi penggerak
- Daya yang ditransmisikan adalah selisih tegangan kedua sisi × kecepatan sabuk
- Jika flywheel berdiameter 16 kaki berputar 60 rpm, kecepatan sabuk sekitar 15 m/s
- Jika selisih tegangan kedua sisi pada sabuk kulit selebar 1 kaki adalah 2.000 N, sabuk dapat mentransmisikan sekitar 40 tenaga kuda
- Untuk mencegah sabuk datar keluar dari pulley silinder, digunakan crown yang membuat bagian tengah pulley sedikit lebih tebal
- Jika sabuk bergeser dari pusat, permukaan kontak berbentuk kerucut menuntun tepi depan kembali ke tengah
- Di tengah, kemiringan kedua sisi seimbang sehingga posisinya tetap terjaga tanpa pemandu terpisah
Dari kincir air ke penggerak uap langsung
- Pabrik tenaga air Cromford milik Richard Arkwright dibuka pada 1771, dan setelah itu penyebaran sistem pabrik meningkatkan persaingan untuk lokasi tepi sungai yang bagus
- Pabrik tenaga air dapat berhenti pada musim kemarau, sehingga digunakan metode memompa kembali air dari bawah kincir ke atas dengan pompa uap
- Putaran halus kincir air tetap dipertahankan, tetapi batu bara terbuang untuk menaikkan air yang sama
- Watt menjual mesin pompa 16–20 tenaga kuda untuk menyalurkan 10 tenaga kuda ke mesin
- Dengan menggabungkan mesin kerja ganda, beam, engkol, dan flywheel, mesin uap dapat memutar line shaft secara langsung
- Pemilik pabrik dapat membangun pabrik dekat pekerja dan bahan baku, bukan di tepi sungai tertentu
- Boulton & Watt membuat 496 mesin pada 1775–1800
- 38% adalah mesin pompa
- 62% menghasilkan daya putar dan terutama digunakan di industri tekstil
Kontrol kecepatan otomatis governor
- Jika mesin yang berputar 30 rpm tanpa beban dihubungkan ke mesin kerja, beban bertambah dan kecepatannya turun
- Operator bisa menyesuaikan throttle setiap kali, tetapi itu sangat melelahkan, dan jika overspeed, flywheel besi cor bisa pecah
- Watt memodifikasi perangkat yang dipakai pada kincir angin untuk mengatur kecepatan batu giling menjadi governor sentrifugal (governor) untuk mesin uap
- Boulton memberi tahu Watt bahwa pada 1788 di Manchester ia melihat perangkat yang mengatur batu giling dengan bola-bola yang berputar
- Watt tidak mematenkan ide yang dipinjam itu
- Roda gigi bevel memutar poros vertikal, dan dua bola berat yang tergantung pada lengan berengsel akan melebar ke luar sesuai kecepatan
- Saat kecepatan naik, bola terangkat dan mengangkat sliding collar, lalu fork dan batang panjang bergerak ke arah menutup steam cock
- Saat melambat, bola turun dan steam cock kembali terbuka
- Ketinggian bola menunjukkan langsung kecepatan putar melalui hubungan
h = g/ω²- Massa hilang dari persamaan, sehingga bola yang lebih berat mendorong linkage lebih kuat, tetapi pada kecepatan yang sama naik hingga ketinggian yang sama
- Jika diputar langsung pada kecepatan crankshaft, panjang lengan yang diperlukan sekitar 1 m, jadi roda gigi bevel dipakai untuk memutar governor lebih cepat agar bisa dipasang pada tiang yang pendek
Beam engine yang lengkap
- Tenaga diteruskan dalam urutan uap boiler → silinder dan piston → valve gear → gerak paralel → beam → connecting rod → crank dan flywheel → belt pulley
- Governor mengatur pasokan uap sesuai perubahan beban, dan pompa air umpan di sisi berlawanan beam menambah air boiler
- Mesin rotatif tertua yang masih ada, dipasang pada 1785 di Whitbread's brewery di London, juga memiliki bentuk yang sama
- Diameter silindernya 64 cm, dan langkah pistonnya 1,8 m
- Flywheel berdiameter 4,3 m berputar 20 kali per menit dan membakar sekitar 40 kg batu bara per jam
- Awalnya dinilai 10 tenaga kuda dan menggantikan roda penggerak kuda di pabrik bir
- Setelah diubah menjadi double-acting pada 1795, silinder yang sama dinilai ulang menjadi 15 tenaga kuda
- Karena biaya tahunan Boulton & Watt naik sesuai output, pabrik bir menolak penilaian 20 tenaga kuda
- Beroperasi total selama 102 tahun
Perubahan setelah beam engine
- Pada 1780-an, mesin perkakas belum mampu membuat guide crosshead panjang dengan presisi, sehingga diperlukan beam dan gerak paralel
- Pada abad ke-19, dengan membaiknya mesin planer, guide lurus menjadi praktis, dan beam yang berat tidak lagi diperlukan
- Pada 1860-an, sebagian besar mesin pabrik baru menggerakkan flywheel secara langsung
- Kapal dayung roda samping Amerika membutuhkan torsi besar pada kecepatan rendah sekitar 20 rpm, dan ruang di atas permukaan air lebih luas daripada di bawahnya, sehingga memakai walking beam tinggi hingga 1880-an
- Kapal samudra menempatkan mesin serupa di dalam lambung, dan ketika roda dayung diganti propeler sekrup, beralih ke mesin yang lebih kecil dan lebih cepat
- Line shaft dan sabuk kulit tetap berada di langit-langit pabrik hingga abad ke-20
- Ketika motor listrik menyediakan sumber putaran independen untuk tiap mesin, poros panjang dan sabuk digantikan oleh kabel listrik
- Menghentikan satu mesin bubut tidak lagi mengubah beban mesin sentral yang memutar seluruh pabrik
Perkembangan efisiensi mesin uap
- Mesin Newcomen hanya mengubah sekitar 0,5% panas batu bara menjadi kerja yang berguna
- Kondensor terpisah Watt menaikkan rasio berguna menjadi sekitar 3%, sehingga tenaga uap dapat menyebar ke luar tambang batu bara
- Corliss valves mengendalikan ekspansi uap dengan lebih presisi, dan compound engines mengekspansikannya secara bertahap di beberapa silinder
- Mesin kapal besar seperti yang digunakan pada Titanic pada 1890-an melampaui efisiensi 10% berkat tekanan tinggi dan ekspansi majemuk
- Turbin uap menggantikan piston bolak-balik dengan roda yang berputar kontinu, dan pembangkit listrik turbin uap modern mengubah lebih dari 40% panas menjadi listrik
1 komentar
Komentar Hacker News
Penulisnya di sini. Beam engine menghasilkan tenaga dari uap dan memainkan peran kunci pada awal Revolusi Industri. Tulisan ini membahas secara mendalam prinsip kerja, sejarah, serta kompromi rekayasa yang dihadapi para pembuatnya, dan menyertakan beberapa diagram interaktif agar konsepnya mudah dipahami.
Masing-masing saja bisa dikembangkan menjadi jauh lebih panjang daripada tulisan saat ini. Penjelasan “air dan panas menghasilkan uap, uap mendorong piston, lalu gerak bolak-balik diubah menjadi gerak putar” terdengar sederhana, tetapi perangkat nyatanya sama sekali tidak sederhana.
George Polya(0), Richard Feynman(1), dan Grace Hopper(2) adalah teladan dalam tradisi ini. Saya juga mencobanya lewat blog dan kode sumber, tetapi materi visual interaktif luar biasa sulit dibuat, jadi saya bisa membayangkan betapa banyak kecintaan dan usaha yang dicurahkan ke tulisan ini.
Saat melihat teknologi lama, yang lebih dulu membuat saya penasaran bukan “bagaimana cara kerjanya?”, melainkan “bagaimana mungkin mereka membuatnya?” Saya penasaran bagaimana mereka membuat dan memeriksa vakum, bagaimana mereka mengecor paduan ke bentuk yang tepat, bagaimana mereka membuat cermin presisi, berapa banyak kegagalan sebelum berhasil, serta bagaimana mereka melumasi dan menyegel komponen.
Setelah belajar berhari-hari, mungkin saya bisa menjelaskan 80% dari penemuannya, tetapi jika harus membuatnya sendiri, saya mungkin akan terus terbentur hambatan teknis, bahkan tidak mampu mereproduksi 1% dari mesin itu, dan masing-masing akan memakan waktu bertahun-tahun.
Saat membesarkan anak berusia tiga tahun, saya mendapat kesenangan tak terduga karena mempelajari rekayasa lokomotif uap jauh lebih banyak daripada yang saya bayangkan. Kreativitas dalam menghubungkan bentuk dan sendi yang tepat untuk menghasilkan gerakan yang diinginkan pada momen yang persis, serta mewujudkan siklus sempurna dan governor, sungguh menakjubkan.
Penjelasan ini sangat bagus karena menunjukkan secara bertahap masalah apa yang diselesaikan oleh tiap komponen, dan saya juga ingin melihat tulisan yang khusus membahas lokomotif.
Mesin itu juga bekerja baik dengan udara bertekanan atau tongkat uap mesin espresso. Saat saya kecil, ayah bahkan membuatkan boiler dari kaleng aerosol baja, pipa tembaga, dan pembakar alkohol dari pelat kuningan, tetapi itu tidak cocok untuk anak berusia lima tahun, dan bahkan saat itu saya baru diizinkan menyalakannya sekitar umur dua belas tahun.
Sistem mesin yang bergerak dan benar-benar melakukan kerja memberi kepuasan besar baik bagi anak-anak maupun orang dewasa.
Di silinder mesin uap tidak ada pembakaran, sehingga memasang jaket pendingin air justru kontraproduktif; akibatnya, mesin ini bekerja dalam lingkungan termal yang jauh lebih ekstrem daripada mesin pembakaran dalam. Untuk memperhitungkan pemuaian termal, lubang silinder dikerjakan dengan sedikit taper, dan pada mesin kerja ganda, bore silinder kadang dibuat sedikit berbentuk jam pasir agar piston tidak macet di kedua ujung. Jika ingin menggali lebih jauh, teknologi mobil uap Doble atau mesin pesawat Besler layak dicari.
Ungkapan “balls out” yang berarti mendorong sesuatu hingga batasnya konon berasal dari tampilan bola pemberat governor mesin sentrifugal yang terbuka sepenuhnya ke luar pada kecepatan maksimum.
https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_governor
Saya pernah memakai ungkapan ini dalam rapat kerja dan mendapat protes karena dianggap vulgar, tetapi setelah saya menjelaskan asal-usulnya, semua orang terkejut karena mengira itu istilah yang berhubungan dengan testis.
Di Yunani kuno ada mesin uap bernama Hero’s engine yang digunakan sebagai mainan. Karena kurangnya metalurgi dan teknologi pemesinan untuk membuat piston, katup, dan sebagainya, mesin itu tidak bisa dimanfaatkan lebih jauh.
Kemajuan teknologi selalu terakumulasi secara berulang, bukan muncul tiba-tiba secara revolusioner. Entah itu bahasa pemrograman, framework, atau metodologi, hal baru yang tidak berdiri di atas bahu para raksasa tidak punya landasan untuk diterapkan sejak awal.
Perangkat pengambil daya dasar mungkin saja bisa ditambahkan, tetapi besar kemungkinan dianggap tidak praktis.
Bahkan font isi tulisannya sangat mirip dengan https://ciechanow.ski dan tampaknya IBM Plex Sans. Senang sekali karena semua satuannya memakai sistem SI.
Seri BBC Fred Dibnah, Age of Steam, memberikan ikhtisar yang sangat baik tentang teknologi mesin uap Inggris dan perkembangan Revolusi Industri.
https://www.youtube.com/watch?v=kl_UA36ouzM&list=PL2vJ5Cg-wl...
Jika ingin melihat beam engine sungguhan di London, ada di Tottenham: https://www.mbeam.org/
Quinn dari YouTube (Blondihacks) adalah model engineer sekaligus ahli pemesinan, dan ia memperlihatkan proses pembuatan boiler serta mesin uap dengan cara yang mudah diikuti orang luar.
Saya sangat merekomendasikan video pengantar The Model Engineering Learning Curve(https://www.youtube.com/watch?v=Ps_BQJEMnGA). Selama bertahun-tahun ia membuat lokomotif model hingga videonya terkumpul lebih dari 100 buah (playlist), dan ia juga memperkenalkan wobbler, semacam “Hello World” untuk mesin model hasil pemesinan (video).
Jika hanya menonton satu hal dari tulisan ini, saya merekomendasikan video-video ini.
Mesin uap paling awal adalah mesin vakum yang mengisi silinder dengan uap lalu mengembunkannya untuk menarik piston ke bawah. Perbaikan dan paten Watt adalah kondensor terpisah, sehingga seluruh silinder tidak perlu dipanaskan ulang setiap kali, dan konsumsi batu bara berkurang setengahnya.
Watt menjual izin operasi alih-alih hak manufaktur, dan menerima setengah dari nilai batu bara yang dihemat berkat patennya. Akibatnya banyak mesin tanpa izin, dan orang kerap mengakali paten dengan mengklaim bahwa kondensor tidak dipisahkan dari silinder, melainkan terintegrasi dengan cara tertentu.