μηχανή

I

Με γενική έννοια μ. είναι κάθε διάταξη κατάλληλη να εκμεταλλεύεται μια ορισμένη μορφή ενέργειας για να επιτελέσει ένα έργο ή για να τη μετατρέψει σε μια άλλη μορφή ενέργειας.

Οι μ. που συνήθως ονομάζονται απλές (μοχλός, σκοινί, κεκλιμένο επίπεδο, τροχός), όπως και όσες προέρχονται άμεσα από αυτές, συνήθως χρησιμοποιήθηκαν και χρησιμοποιούνται για καλύτερη χρήση της ζωικής ενέργειας, είτε του ανθρώπου είτε των ζώων. Ο μοχλός, για παράδειγμα, αν χρησιμοποιηθεί κατάλληλα, επιτρέπει σ’ έναν άνθρωπο να ανυψώσει βάρη που δεν θα μπορούσε σε καμιά περίπτωση να τα ανυψώσει απευθείας.

Απόδοση των μηχανών. Από τα θεμελιώδη προβλήματα που αποτελούν το αντικείμενο της γενικής θεωρίας των μ., ιδιαίτερη πρακτική σημασία έχει ο προσδιορισμός της μηχανικής απόδοσης. Η απόδοση αυτή ορίζεται ως ο λόγος μεταξύ της ποσότητας του ωφέλιμου έργου που επιτελείται από τη μ., προς την ποσότητα της ενέργειας η οποία χρησιμοποιήθηκε, και είναι πάντα μικρότερος της μονάδας επειδή δεν είναι δυνατό να εξαλειφθούν ολοκληρωτικά οι παθητικές αντιστάσεις, οι οποίες απορροφούν ενέργεια, που συνήθως μετατρέπεται σε μη χρησιμοποιήσιμη θερμότητα. Από τα αίτια που προκαλούν τις παθητικές αντιστάσεις το κυριότερο είναι η τριβή μεταξύ των μερών που κινούνται. Ακόμα και οι μ. που μετατρέπουν μια μορφή ενέργειας σε μια άλλη έχουν πάντα απόδοση μικρότερη της μονάδας.

Ο υπολογισμός της απόδοσης μιας μ. παρουσιάζει ενδιαφέρον από δύο απόψεις: από τεχνική άποψη, η γνώση της απόδοσης είναι αναγκαία για να καθοριστεί η ποσότητα της ενέργειας που χρειάζεται για να εξασφαλιστεί η λειτουργία της μ.· από οικονομική άποψη, επιτρέπει τον προσδιορισμό του κόστους της αναγκαίας ενέργειας για την επιτέλεση μιας αναγκαίας λειτουργίας.

Σχεδίαση και κατασκευή των μηχανών. Η σχεδίαση και η κατασκευή των μ. που είναι κατάλληλες να επιτελέσουν ορισμένους σκοπούς δεν μπορούν να προέρχονται μόνο από την ανάλυση των κινηματικών χαρακτηριστικών της κίνησης την οποία τα όργανά της πρέπει να επιτελέσουν, αλλά και από τις διάφορες καταπονήσεις που υφίστανται τα μέρη της μ. κατά τις διάφορες φάσεις χρήσης (φάσεις εκκίνησης, περιοδικής ή μη περιοδικής λειτουργίας, πέδησης). Οι δυνάμεις που δρουν σ’ ένα όργανο μιας μ. οφείλονται τόσο στις εξωτερικές δυνάμεις που εφαρμόζονται σε αυτές όσο και στην αδράνεια του ίδιου του οργάνου και των οργάνων που είναι συνδεδεμένα με αυτό. Ένα παράδειγμα θα διευκρινίσει ευκολότερα αυτήν την έννοια: ο στροφαλοφόρος άξονας ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης δεν υφίσταται μόνο την ώθηση που μεταδίδεται από τα έμβολα με το ενδιάμεσο του διωστήρα τη στιγμή της έκρηξης, αλλά και τις καταπονήσεις της κινητικής ενέργειας του εμβόλου, το οποίο εκτοξεύεται όπως ένα βλήμα, και ως προς το οποίο πρέπει να λειτουργήσει σαν φρένο. Είναι λοιπόν φανερό ότι στη φάση σχεδίασης πρέπει να προβλεφθεί ένας άξονας ικανός, τόσο με τις διαστάσεις του όσο και με το υλικό του, να υφίσταται πολλές καταπονήσεις.

Το ίδιο παράδειγμα δείχνει δύο τύπους καταπονήσεων μεγάλης πρακτικής σημασίας: τη θλίψη και τον εφελκυσμό, οι οποίες εφαρμόζονται στον διωστήρα, στις φάσεις της έκρηξης και της αναρρόφησης αντίστοιχα. Ανώτερη κατά πολύ καταπόνηση είναι της θλίψης, που ασκείται στην κεφαλή και στον πόδα του διωστήρα κατά τη φάση της έκρηξης. Η θλίψη προκαλεί ένα ισχυρό φορτίο, το οποίο δρα κατά τον διαμήκη άξονα του διωστήρα και τείνει να τον λυγίσει, αν αυτός δεν έχει το κατάλληλο σχήμα και τις κατάλληλες διαστάσεις. Άλλοι τύποι καταπονήσεων είναι η κάμψη και η στρέψη.

Για κάθε μηχανικό όργανο υπάρχει, σε σχέση με το σχήμα, τις διαστάσεις και το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένο, ένα μέγιστο φορτίο, πέρα από το οποίο το όργανο σπάει· το φορτίο αυτό ονομάζεται «φορτίο θραύσης». Κάθε μ. πρέπει να σχεδιάζεται έτσι ώστε η μέγιστη καταπόνηση στην οποία είναι δυνατό να βρεθούν τα διάφορα μέρη πρέπει να είναι πάντα πολύ μικρότερη από το φορτίο θραύσης· η καταπόνηση την οποία μπορεί να αντέξει χωρίς κινδύνους μια μ. ονομάζεται φορτίο ασφαλείας.

Μεγάλη σημασία στη σχεδίαση και στην κατασκευή μ. έχει η κατάλληλη επιλογή των υλικών από την άποψη των μηχανικών ιδιοτήτων τους (σκληρότητα, ελαστικότητα κ.ά.), είτε ιδιοτήτων άλλου τύπου (ελαφρότητα για τα υλικά των αεροναυτικών κατασκευών, αντίσταση στη διάβρωση για τα υλικά μ. για τη χημική βιομηχανία κ.ά.).

Οι μεγαλύτερες δυνάμεις ασκούνται στα μέρη που κινούνται, τα οποία υπόκεινται σε επιταχύνσεις (εκκίνηση, στάση, αλλαγή ταχύτητας) και απότομες μεταβολές της αντίστασης που εφαρμόζεται σε αυτά (έναρξη της κατεργασίας σε μια εργαλειομηχανή). Θεμελιώδης στη σχεδίαση και στην κατασκευή μ. φαίνεται συνεπώς η καταφυγή σε ρυθμιστικά μηχανήματα, κατάλληλα να αποτρέπουν απότομες μεταβολές του φορτίου σ’ ένα δεδομένο όργανο. Στην περίπτωση των οργάνων που κινούνται περιστροφικά, μια ρύθμιση ικανή να εξασφαλίσει σημαντική ομοιομορφία των καταπονήσεων στα διάφορα μέρη είναι ο σφόνδυλος, ένας δίσκος με μεγάλη ροπή αδράνειας.

Η ικανότητα μιας μ. να υφίσταται τις καταπονήσεις, για τις οποίες έχει σχεδιαστεί χωρίς να ελαττωθεί η αποδοτικότητά της, επαληθεύεται με κατάλληλες δοκιμές παραλαβής. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας κατασκευάζονται μ. όλο και περισσότερο ειδικευμένες και ιδιαίτερα κατάλληλες για ορισμένες χρήσεις.

Κινητήριες μηχανές ή κινητήρες. Οι κινητήριες μ. παράγουν μηχανική ενέργεια απορροφώντας ενέργεια άλλης μορφής· αν εκμεταλλεύονται φυσικές ενέργειες, ονομάζονται κινητήριες μ. πρώτου είδους: υδραυλικές (υδατόπτωση), θερμικές (θερμική ενέργεια των καυσίμων), αιολικές (ενέργεια του αέρα) κ.ά. Αν, αντίθετα, εκμεταλλεύονται μια ενέργεια που δημιουργείται τεχνητά, ονομάζονται δεύτερου είδους: ηλεκτρικοί κινητήρες, κινητήρες πεπιεσμένου αέρα κ.ά.

Λειτουργικές μηχανές. Απορροφούν μηχανική ενέργεια (λειτουργούν με έναν κινητήρα) και επιτελούν ένα έργο· δρουν πάνω στην ύλη μεταβάλλοντας είτε το σχήμα (εργαλειομηχανές) είτε τη δυναμική ενέργεια της θέσης (ανελκυστήρες, γερανοί) είτε την κινητική ενέργεια (αντλίες, ανεμιστήρες).

Γεννήτριες μηχανές ή γεννήτριες. Απορροφούν και αυτές μηχανική ενέργεια, όπως και οι λειτουργικές, και παράγουν ενέργεια διάφορων μορφών (ηλεκτρική, υδραυλική κ.ά.)· είναι οι αντίθετες των κινητηρίων μ. και σε ορισμένες περιπτώσεις είναι, πράγματι, τουλάχιστον θεωρητικά, αντιστρεπτές· για παράδειγμα μια δυναμοηλεκτρική μ., που περιστρέφεται από ένα κινητήρα και παράγει ηλεκτρικό ρεύμα, αν τροφοδοτηθεί αντίθετα με ηλεκτρικό ρεύμα που προέρχεται από ένα εξωτερικό δίκτυο, μπορεί να λειτουργήσει ως κινητήρας και να παραγάγει μηχανική ενέργεια.

Μηχανές μετάδοσης ή μετατροπής. Δεν επιτελούν λειτουργίες ή μετατροπές ενέργειας ενός είδους σ’ ένα άλλο, αλλά μεταδίδουν έναν ορισμένο τύπο ενέργειας μεταβάλλοντας μόνο τα χαρακτηριστικά του. Στην ομάδα αυτή ανήκουν για παράδειγμα οι μηχανικές μεταδόσεις με ιμάντες ή με οδοντωτούς τροχούς, οι αλλαγές και οι μειώσεις ταχύτητας.

Ηλεκτρικές μηχανές. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν όλες οι μ. που μετατρέπουν: α) τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια (δυναμοηλεκτρική μηχανή συνεχούς ρεύματος και εναλλάκτης)· β) την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια (κινητήρας συνεχούς ρεύματος, κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος σύγχρονοι και ασύγχρονοι)· γ) την ηλεκτρική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια άλλου τύπου ή με άλλα χαρακτηριστικά (μετατροπείς και μετασχηματιστές).

Στις μ. του πρώτου τύπου μπορούν να συμπεριληφθούν οι ηλεκτροστατικές μ., δηλαδή εκείνες που, με τριβή ή με επαγωγή, χρησιμοποιούν μηχανική ενέργεια για να διαχωρίσουν τα ηλεκτρικά θετικά φορτία από τα αρνητικά, πετυχαίνοντας έτσι διαφορές δυναμικού. Από τις μ. αυτού του τύπου, που είχαν πολύ μεγάλη σημασία στις πρώτες μελέτες των φαινομένων του ηλεκτρισμού, χρησιμοποιείται και σήμερα η μ. του βαν ντε Γκράαφ.

Ηλεκτρική μ. μπορεί να θεωρηθεί γενικότερα κάθε σύστημα, που μετατρέπει οποιονδήποτε τύπο ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια, και αντίστροφα· στον ορισμό αυτόν περιλαμβάνονται συνεπώς οι βολταϊκές στήλες, οι θερμοηλεκτρικές στήλες κ.ά. και οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές. Η πρώτη ηλεκτρική μ., κατάλληλη να μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια (και αντίστροφα), ήταν ο τροχός του Μπάρλοου (1776 - 1862).

Οι μ. του πρώτου τύπου βασίζονται στους νόμους της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Φαραντέι, με βάση τους οποίους στα άκρα ενός κυκλώματος παράγεται μία τάση ανάλογη προς τις μεταβολές της μαγνητικής ροής που διαρρέει το κύκλωμα αυτό στη μονάδα του χρόνου. Ο Φαραντέι πέτυχε τα επαγόμενα ρεύματα πλησιάζοντας και απομακρύνοντας από το κύκλωμα έναν μαγνήτη ή έναν ηλεκτρομαγνήτη επαγωγέα, ή με τη διακοπή και το άνοιγμα του επάγοντος κυκλώματος. Για να υπάρχει ωστόσο μια μ. πρακτικής χρήσης, πρέπει να εξασφαλιστεί η μεταβολή της μαγνητικής ροής που διασχίζει το επαγώγιμο κύκλωμα, καταφεύγοντας σε μια περιστροφική κίνηση.

Σχηματικά μπορούμε να φανταστούμε μια γεννήτρια ρεύματος να αποτελείται από μια σπείρα χάλκινου σύρματος τοποθετημένη μέσα σ’ ένα μαγνητικό πεδίο με τα δύο άκρα της κολλημένα σε δύο δακτυλίους επί των οποίων ολισθαίνουν δύο επαφές (ψήκτρες). Αν θεωρηθεί ως αρχική θέση της σπείρας η θέση στην οποία αυτή διασχίζεται από τον μέγιστο αριθμό δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου, και αν αυτή αρχίσει να περιστρέφεται, ο αριθμός των δυναμικών γραμμών που τη διασχίζουν ελαττώνεται ωσότου φτάσει στο μηδέν, όταν η σπείρα είναι παράλληλη προς αυτές· μετά αυξάνεται εκ νέου, ώσπου η σπείρα να περιστραφεί κάθετα στις δυναμικές γραμμές (οι οποίες συνεπώς τη διασχίζουν κατά την αντίθετη έννοια)· κατόπιν ελαττώνεται έως το μηδέν, όταν η σπείρα επιστρέψει στην παράλληλη θέση, για να φτάσει μετά στην αρχική θέση: Γεννιέται συνεπώς στη σπείρα εναλλασσόμενο ρεύμα σε θετική φορά κατά την περιστροφή των πρώτων 180° και σε αρνητική φορά κατά την επόμενη ημιπεριφέρεια. Το ρεύμα αυτό έχει ένταση ανάλογη προς την ταχύτητα περιστροφής της σπείρας, γιατί καθώς αυξάνεται η ταχύτητα αυξάνεται η μεταβολή της μαγνητικής ροής στη μονάδα του χρόνου. Αν στα άκρα της σπείρας, αντί για δύο δακτυλίους κολληθούν δύο ημιδακτύλιοι, το επαγόμενο ρεύμα είναι πάντα κατά την ίδια φορά αν και στο δεύτερο ημικύκλιο συλλέγεται κατά την ίδια έννοια. Εμφανίζεται τότε ένα παλμικό ρεύμα, το οποίο μπορεί πρακτικά να χρησιμοποιηθεί όπως ένα συνεχές ρεύμα. Οι εναλλάκτες και οι δυναμοηλεκτρικές μ. με συνεχές ρεύμα βασίζονται σε αυτές τις αρχές, αλλά με μια διαφορετική διάταξη.

Οι μ. δεύτερου τύπου βασίζονται στη δυναμική δράση του μαγνητικού πεδίου σε έναν αγωγό που διατρέχεται από ρεύμα· πράγματι, αν σε μια σπείρα διοχετευθεί εναλλασσόμενο ρεύμα, όμοιο προς αυτό που θα παρήγε η σπείρα αν περιστρεφόταν σ’ ένα μαγνητικό πεδίο, η σπείρα υφίσταται ένα ζεύγος δυνάμεων και τίθεται σε περιστροφή. Στην πρακτική συνεπώς, ένας εναλλάκτης γίνεται μ. εναλλασσόμενου ρεύματος, όταν διοχετευθεί στο επαγώγιμο ένα σύγχρονο ρεύμα, δηλαδή όμοιο προς αυτό που θα μπορούσε να παραγάγει ο κινητήρας, αν είχε χρησιμοποιηθεί ως εναλλάκτης. Η δυναμοηλεκτρική μηχανή συνεχούς ρεύματος είναι πάντα αναστρέψιμη.

Σε μια διάφορη αρχή βασίζεται η λειτουργία των ασύγχρονων κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος, οι οποίοι αποτελούν σχεδόν το σύνολο των κινητήρων που χρησιμοποιούνται σήμερα. Οι κινητήρες αυτοί είναι εφαρμογές του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του Γκαλιλέο Φεράρις και σχηματικά μπορούν να θεωρηθούν ότι αποτελούνται από έναν μαγνήτη που έχει έναν άξονα στη μέση του και είναι ελεύθερος να περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του, τοποθετημένο μεταξύ δύο πηνίων που έχουν θέση κάθετη το ένα ως προς το άλλο, και στα οποία κυκλοφορεί εναλλασσόμενο ρεύμα με διαφορά φάσης μισής περιόδου (διαφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα). Επειδή η πολικότητα του μαγνητικού πεδίου, που παράγεται από τα ρεύματα τα οποία διασχίζουν τα δύο πηνία, αναστρέφεται σε κάθε εναλλαγή του ρεύματος, προκύπτει ένα μαγνητικό πεδίο συνολικά περιστρεφόμενο: με την επίδρασή του, ο μαγνήτης παίρνει μια περιστροφική κίνηση. Τα ίδια ισχύουν και στην περίπτωση των πηνίων που σχηματίζουν δίεδρες γωνίες 120° και οι οποίες διατρέχονται από εναλλασσόμενα ρεύματα με διαφορά φάσης 1/3 της περιόδου (τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα). Στην πρακτική, στους ασύγχρονους τριφασικούς κινητήρες υπάρχει ένας στάτης με αριθμό πόλων πολλαπλάσιο του τρία.

Οι μ. τρίτου τύπου περιλαμβάνουν τους μετατροπείς οι οποίοι αποτελούνται από ένα κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος ομοαξονικό με μία δυναμοηλεκτρική μ. συνεχούς ρεύματος, τα οποία χρησιμοποιούνται όταν πρέπει να μετατραπεί το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές. Περιλαμβάνονται επίσης μ. για τη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα με άλλα χαρακτηριστικά. Στην ίδια ομάδα ανήκουν και οι μετασχηματιστές (βλ. λ.): πρόκειται για μ. χωρίς κινούμενα μέρη, οι οποίες αποτελούνται από δύο ηλεκτρικά κυκλώματα, μεταξύ των οποίων έχει τοποθετηθεί ένα μαγνητικό κύκλωμα. Όταν στο πρώτο ηλεκτρικό κύκλωμα (επάγον κύκλωμα ή πρωτεύον) κυκλοφορεί εναλλασσόμενο ρεύμα, στο μαγνητικό κύκλωμα παράγεται ένα μαγνητικό πεδίο, που παράγει ρεύματα στο δεύτερο ηλιακό κύκλωμα (κύκλωμα επαγώγιμο ή δευτερεύον). Αν επιλεγούν κατάλληλα τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των κυκλωμάτων, ένα επάγον ή ένα εναλλασσόμενο ρεύμα με δεδομένα χαρακτηριστικά μπορεί να μετατραπεί σε επαγόμενο εναλλασσόμενο ρεύμα που να έχει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά.

Θερμικές μηχανές. Είναι οι μ. που μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε μηχανική. Οι θερμικές μ. μπορούν βασικά να διαχωριστούν σε ατμομηχανές και σε μ. εσωτερικής καύσης.

Η λειτουργία των θερμικών μ. στηρίζεται στους νόμους της θερμοδυναμικής και ιδιαίτερα στην πρώτη αρχή της, η οποία καθορίζει την ισοδυναμία μεταξύ μηχανικής ενέργειας και θερμότητας και ορίζει τον λόγο μετατροπής της θερμότητας σε άλλες μορφές ενέργειας, και στη δεύτερη αρχή, η οποία καθορίζει τις συνθήκες που κάνουν δυνατές αυτές τις μετατροπές και την απόδοσή τους. Η δεύτερη αρχή ορίζει ακόμα ότι η θερμότητα που γίνεται δεκτή από ένα σύστημα δεν μπορεί να μετατραπεί ολοκληρωτικά σε έργο. Η θερμική απόδοση είναι συνεπώς ο λόγος μεταξύ της ποσότητας θερμότητας που μετατρέπεται σε έργο και της ποσότητας θερμότητας που καταναλώθηκε: ο λόγος αυτός προκύπτει πάντα μικρότερος της μονάδας.

Για μια ιδεατή μ. που λειτουργεί κατά τον κύκλο του Καρνό, η απόδοση της δίνεται από τη σχέση:

όπου Τ2 και T1 είναι αντίστοιχα οι θερμοκρασίες, εκφραζόμενες σε απόλυτους βαθμούς Κέλβιν, μεταξύ των οποίων λειτουργεί η μ. Ένας ιδεατός κύκλος διαφορετικός από τον κύκλο του Καρνό έχει πάντα μικρότερη απόδοση, το ίδιο συμβαίνει και σε πιο έντονο βαθμό για τις πραγματικές θερμικές μ. εξαιτίας της ατελούς θερμικής μόνωσης. Ακόμα μικρότερη είναι η μηχανική απόδοση που εκφράζει τον λόγο μεταξύ του έργου που είναι πρακτικά χρησιμοποιήσιμο και της θερμότητας που δίνεται στη μ.: πράγματι, ένα μέρος του έργου που επιτυγχάνεται με τη μετατροπή της θερμότητας απορροφάται από τις τριβές, από τις δυνάμεις αδράνειας των κινούμενων οργάνων, από την ενέργεια που είναι αναγκαία για τη λειτουργία βοηθητικών συστημάτων, για την απορρόφηση του καυσίμου και την εξαγωγή των καπναερίων (τετράχρονοι κινητήρες). Στην πρακτική, η απόδοση των μ. συνήθους χρήσης κυμαίνεται στο 30% της παρεχόμενης θερμικής ενέργειας. Στα νεότερα χρόνια έχουν τελειοποιηθεί θερμικές μ. υψηλότερης απόδοσης: για παράδειγμα ένας κινητήρας ελεύθερων εμβόλων, ο οποίος εργάζεται με αέρια σε 480°C έχει υπολογιστεί ότι έχει θερμική απόδοση περίπου 70% και ολική απόδοση 65%. Κινητήρες ελεύθερων εμβόλων κοινής χρήσης έχουν αποδόσεις που μπορούν να υπερβούν το 40%. Όποια και αν είναι τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους, για την παραγωγή της θερμικής ενέργειας οι θερμικές μ. χρησιμοποιούν την ενέργεια ενός αέριου ή ρευστού που προέρχεται από θέρμανση. Οι κύκλοι, μέσα από τους οποίους πραγματοποιείται αυτή η χρήση, είναι διάφοροι και χαρακτηριστικοί για τους διάφορους τύπους μ., όπως φαίνεται καθαρά από μια γρήγορη εξέτασή τους.

Οι πρώτες, και για μακρό χρόνο οι μόνες, θερμικές μ. πρακτικής χρήσης είναι οι εμβολοφόρες μ. παλινδρομικής κίνησης· η διαδοχική εφαρμογή του μηχανισμού στροφάλου διωστήρα βάκτρου κατέστησε δυνατή τη μετατροπή της παλινδρομικής κίνησης σε περιστροφική. Στις μ. αυτές, το ρευστό επιτελεί τον ακόλουθο κύκλο: α) μια αντλία συνθλίβει υπό σταθερή θερμοκρασία και όγκο το νερό και το κάνει να περάσει από τον συμπυκνωτή στον λέβητα· β) το νερό θερμαίνεται στον λέβητα υπό σταθερή πίεση και όγκο έως τη θερμοκρασία βρασμού· γ) το νερό εξατμίζεται υπό θερμοκρασία και πίεση σταθερές· δ) ο ατμός εκτονώνεται αδιαβατικά (δηλαδή χωρίς εναλλαγή θερμότητας) στον κύλινδρο που περιέχει το έμβολο· ε) ο ατμός συμπυκνώνεται υπό θερμοκρασία και πίεση σταθερές, ώσπου να επανέλθει στο σταθερό στάδιο.

Ο κύκλος αυτός ισχύει και για τους ατμοστρόβιλους με τη διαφορά ότι, ενώ στην εμβολοφόρο μ. έχουμε μια άμεση μετατροπή της εσωτερικής ενέργειας του ατμού σε μηχανική ενέργεια με την κίνηση του εμβόλου, στον στρόβιλο η δυναμική ενέργεια του ατμού μετατρέπεται –κατά μεγαλύτερο ή μικρότερο ποσοστό– σε κινητική ενέργεια και η τελευταία αυτή μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια.

Αύξηση της θεωρητικής θερμικής απόδοσης και της πραγματικής απόδοσης υπάρχει στις ατμομηχανές, αν καταφύγουμε σε κατάλληλα συστήματα όπως η υπερθέρμανση του ατμού, η ανάκτηση της θερμότητας και η χρήση δύο ρευστών, ένα που να λειτουργεί κάτω από υψηλή πίεση και το άλλο σε χαμηλή. Μια αύξηση της απόδοσης (έως τα 35%) επιτεύχθηκε με ατμό κάτω από πίεση και υψηλή θερμοκρασία.

Στους κινητήρες εσωτερικής καύσης τα καιόμενα αέρια δρουν απευθείας πάνω στα κινητά μέρη και τα θέτουν σε κίνηση. Κατά τον ίδιο τρόπο με τις θερμικές μ. που χρησιμοποιούν ένα ενδιάμεσο ρευστό, και οι κινητήρες εσωτερικής καύσης μπορούν, να χωριστούν σε κινητήρες παλινδρομικής κίνησης και σε στροβιλοκινητήρες. Ενδιάμεσοι μεταξύ αυτών των βασικών τύπων μπορούν να θεωρηθούν οι κινητήρες περιστρεφόμενου εμβόλου (τύπου NSU - Βάνκελ).

Όποια και να είναι τα υιοθετημένα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης πετυχαίνουν ανώτερες αποδόσεις από τις αποδόσεις των κινητήρων που καταφεύγουν στη χρήση ενός ενδιάμεσου ρευστού. Βασικά η ανώτερη αυτή απόδοση οφείλεται στην υψηλότερη θερμοκρασία στην οποία μπορεί να φτάσει το ρευστό, το οποίο, στους κινητήρες εσωτερικής καύσης, αποτελείται από τα ίδια τα αέρια καύσης.

Οι παλινδρομικοί κινητήρες εσωτερικής καύσης διαφέρουν κατά τον κύκλο που ακολουθούν τα αέρια· διακρίνονται συνεπώς σε κινητήρες με έναυση σπινθηρισμού (δύο ή τεσσάρων χρόνων) και σε κινητήρες Ντίζελ. Για τους πρώτους, ο θεωρητικός κύκλος (κύκλος Μπο ντε Ροσά ή κύκλος Ότο) αποτελείται από τις ακόλουθες μετατροπές: 1) αδιαβατική συμπίεση, δηλαδή χωρίς εναλλαγή θερμότητας· 2) καύση που μπορεί να θεωρηθεί ως μια μεταβολή της πίεσης και της θερμοκρασίας υπό σταθερό όγκο ως συνέπεια μιας στιγμιαίας καύσης η οποία προσδίδει θερμότητα στο ρευστό· 3) αδιαβατική εκτόνωση· 4) επιστροφή στο αρχικό στάδιο με παροχή θερμότητας (στην πραγματικότητα εξάγονται τα θερμά καυσαέρια και αντικαθίστανται από ψυχρό μείγμα). Στην πρακτική κατασκευή, οι μετατροπές αυτές μπορούν να ομαδοποιηθούν διαφορετικά, ανάλογα αν πρόκειται για δίχρονους ή για τετράχρονους κινητήρες.

Ο κύκλος Ντίζελ διαφέρει από τους προηγούμενους βασικά επειδή στο δεύτερο στάδιο αποτελείται από μια μετατροπή κάτω από σταθερή πίεση αντί κάτω από σταθερό όγκο και αντιστοιχεί από μια βαθμιαία καύση με παροχή θερμότητας στο ρευστό.

Τόσο στον κύκλο Μπο ντε Ροσά όσο και στον κύκλο Ντίζελ, η θερμική απόδοση, εκτός από την εξωτερική θερμοκρασία, εξαρτάται από τον λόγο συμπίεσης. Γι’ αυτό, οι κατασκευαστές προσανατολίζονται προς λόγους συμπίεσης πάντα πιο υψηλούς, συμβατούς όμως με την αντοχή των υιοθετουμένων υλικών και με την αντικροτική ισχύ των καυσίμων.

Ολοένα μεγαλύτερη σημασία παίρνει μια άλλη κατηγορία θερμικών μ. εσωτερικής καύσης: η κατηγορία των αεριοστρόβιλων. Σχηματικά, ένας αεριοστρόβιλος αποτελείται από έναν συμπιεστή, ο οποίος συμπιέζει τον εισαγόμενο ατμοσφαιρικό αέρα, από έναν θάλαμο καύσης και από έναν στρόβιλο. Ο κύκλος του ρευστού κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του στρόβιλου (κύκλος του Τζάουλ) είναι ο ακόλουθος: 1) αδιαβατική συμπίεση (στην πράξη περίπου αδιαβατική)· 2) καύση κάτω από σταθερή πίεση και με αύξηση όγκου· 3) αδιαβατική εκτόνωση· 4) εξαγωγή θερμότητας, η οποία επιτυγχάνεται με τη διοχέτευση των ακόμα θερμών αερίων και την αντικατάσταση τους δι’ άλλων με εισαγόμενο ψυχρό αέρα, γεγονός που ισοδυναμεί προς ψύξη πραγματοποιούμενη κάτω από σταθερή πίεση.

Η απόδοση ενός στρόβιλου, όπως και η απόδοση των άλλων θερμικών μ., συνδέεται με τις ακραίες θερμοκρασίες, μεταξύ των οποίων αναπτύσσεται ο κύκλος. Αν αυξηθεί η διαφορά μεταξύ των ακραίων θερμοκρασιών αυξάνεται και ο λόγος συμπίεσης και συνεπώς η απόδοση. Σε πρακτικούς όρους αυτό σημαίνει ότι επιτυγχάνονται καλές αποδόσεις σε υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες των αερίων καύσης, γεγονός που επιβάλλει τη λύση συνθέτων τεχνικών προβλημάτων και τη χρήση κατάλληλων υλικών. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος έχει μεγάλη επίδραση στην απόδοση του αεριοστρόβιλου, όχι μόνο γιατί μια θερμοκρασία πιο χαμηλή αυξάνει τη διαφορά των θερμοκρασιών χωρίς να αυξήσει τη θερμοκρασία στον θάλαμο καύσης, αλλά και γιατί όσο πιο χαμηλή είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος τόσο μεγαλύτερο είναι το βάρος του αέρα το οποίο κάτω από ίσον όγκο αναρροφάται. Για να αυξηθεί η πραγματική απόδοση των αεριοστρόβιλων χρησιμοποιούνται συσκευές για την ανάκτηση θερμότητας (προθέρμανση του αέρα).

Οι πύραυλοι με χημικό καύσιμο, αν και γνωστοί από παλαιότερους χρόνους, είναι θερμικές μ., οι οποίες υπήρχαν από τα μέσα του 20ού αι., πρώτα για πολεμική χρήση (B’ Παγκόσμιος πόλεμος) και μετά ως κινητήρες για διαστημικά οχήματα. Οι πύραυλοι αποτελούν τον πιο απλό τύπο κινητήρα δι’ αντίδρασης. Από τον πύραυλο μπορούν να θεωρηθούν ότι έχουν προκύψει και άλλοι αντιδραστήρες, όπως οι τελευταίοι στροβιλοαντιδραστήρες, στροβιλοέλικες και οι στατοαντιδραστήρες ή αυτοαντιδραστήρες, με την παραλλαγή των παλμοαντιδραστήρων.

Χαρακτηριστική των πυραύλων είναι η εκμετάλλευση της αντίδρασης, η οποία προέρχεται από την εκτόξευση σημαντικών ποσοτήτων αερίων σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση. Η ώθηση που καθορίζεται έτσι, είναι ο μόνος τρόπος προώθησης των πυραύλων, ενώ στους στατοαντιδραστήρες, στους στροβιλοαντιδραστήρες και στους κινητήρες με στροβιλοέλικες έχει δευτερεύουσα σημασία.

Μία μηχανή Βαν ντε Γκράαφ, που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία ενός ηλεκτροστατικού επιταχυντή.

Τμήμα ενός κινητήρα περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του Γκαλιλέο Φεράρις.

Τριφασικός μετασχηματιστής μεγάλης ισχύος (190.000 kVA 20/400 kV) συνδεμένος με έναν θερμοηλεκτρικό σταθμό ενέργειας.

Μια πυροσβεστική αντλία του 19ου αι. με κινητήρια δύναμη μία δικύλινδρη ατμομηχανή. Οι πυξίδες διανομής της μηχανής κινούνται από δύο έκκεντρα που συνδέονται με τον σφόνδυλο, ο οποίος με τη σειρά του συνδέεται με τον διωστήρα (Μουσείο Τεχνών και Επαγγελμάτων, Παρίσι).

Πρότυπο της ατμομηχανής του πλοίου «La Parisienne», μιας από τις τελειότερες της εποχής της (Μουσείο Τεχνών και Επαγγελμάτων, Παρίσι).

Το πρώτο αυτοκίνητο-πύραυλος, εφεύρεση των Βάλιερ-Χέιλαντ, που κατασκευάστηκε στη Γερμανία (Εθνικό Μουσείο, Μόναχο).

Κινητήρας τετρακύλινδρου αυτοκινήτου με πετρέλαιο του Φόρεστ (Μουσείο Τεχνών και Επαγγελμάτων, Παρίσι).

Τμήμα των στροβίλων μιας στροβιλομηχανής 14.000 Hp. Οι θερμικές μηχανές είναι πολύ διαδεδομένες στη βιομηχανία και μπορούν βασικά να μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε μηχανική.

II

(Θεατρ.). Ένα από τα σπουδαιότερα σκηνικά μηχανήματα στο αρχαίο ελληνικό θέατρο. Βρισκόταν στο παρασκήνιο και μάλλον στηριζόταν σε λίθινη βάση τοποθετημένη μέσα στη σκηνή. Ίχνη μ. βρέθηκαν στο θέατρο του Ωρωπού. Σύμφωνα με τον Πολυδεύκτη, η μ. βρισκόταν «κατά την αριστερά πάροδο υπέρ την σκηνήν το ύψος». Η μ. που χρησιμοποιούνταν στις κωμωδίες ονομαζόταν από τον Πολυδεύκτη κράδη: «η δε εν τη τραγωδία μηχανή, τούτο εν τη κωμωδία κράδη». Στο απόσπασμα αυτό στηρίχτηκαν πολλοί νεότεροι και ισχυρίστηκαν ότι η μ. είχε άλλη ονομασία στην κωμωδία. Σύμφωνα με τον Πλούταρχο και τον Ησύχιο όμως κράδη δεν ονομαζόταν η μ. αλλά η αγκυρίδα από την οποία κρεμόταν. Πώς ήταν η κατασκευασμένη η μ. είναι άγνωστο, θα πρέπει όμως να είχε το σχήμα και τη λειτουργία του σημερινού βαρούλκου.

* * *

η (ΑΜ μηχανή, Α δωρ. τ. μαχανά)

1. κάθε υλικό μέσο που χρησιμεύει αποκλειστικά για την επαύξηση ή αντικατάσταση τής δύναμης τού ανθρώπου ή τών ζώων προς επίτευξη φυσικού έργου

2. μηχανικό μέσο που χρησιμοποιήθηκε στο αρχαίο θέατρο για ολοκληρωμένη σκηνική παρουσίαση τού έργου, κυρίως εκείνο με το οποίο εμφανίζονταν οι θεοί μετέωροι προκειμένου να δώσουν λύση στο δράμα («ἐπὶ τὰς μηχανὰς καταφεύγουσι θεούς αἴροντες», Πλάτ.)

3. τέχνασμα, πανουργία, δόλος, απάτη (α. «πάντα σοφίσματα καὶ πάσας μηχανὰς ἐπεποιήκεε ἐς αὐτοὺς Δαρεῑος», Ηρόδ.

θ. «όλος ο κόσμος τώρα δουλεύει μηχανές...», λαϊκ. τραγούδι)

4. φρ. α) «από μηχανής θεός» — πρόσωπο που εμφανίζεται ξαφνικά και δίνει λύση σε δυσάρεστη ή περίπλοκη κατάσταση

β) «πολεμικές μηχανές» — βαριά και πολύπλοκα όπλα τα οποία χρησιμοποιήθηκαν είτε για την καταστροφή τειχών είτε, κατά κύριο λόγο, για την εξακόντιση βλημάτων, από τα οποία πιο γνωστά είναι ο καταπέλτης και ο κριός

νεοελλ.

1. μτφ. α) μοτοσυκλέτα

β) άτομο που λειτουργεί χωρίς πρωτοβουλία

2. φρ. α) «κρατική μηχανή» — το σύνολο τών κρατικών υπηρεσιών καθώς και τών υπαλλήλων που εργάζονται σε αυτές

β) «πολεμική μηχανή» — το σύνολο τού πολεμικού εξοπλισμού μιάς χώρας

γ) «δουλεύει μηχανή» — λέγεται για δήλωση ευρυθμίας και κανονικότητας

δ) «μού 'στησε μηχανή» — μέ εξαπάτησε

ε) «γλώσσα μηχανής»

(πληροφ.) χαμηλής στάθμης γλώσσα προγραμματισμού τών ηλεκτρονικών υπολογιστών, η μόνη γλώσσα που είναι κατανοητή από τους μικροεπεξεργαστές

μσν.

φρ. α) «ἐκ μηχανῆς» — με υστεροβουλία

β) «ράπτω μηχανάς» — μηχανεύομαι, ραδιουργώ

μσν.-αρχ.

τεχνική επινόηση ή μέσο με το οποίο εκτελείται κάτι

αρχ.

1. έκταση γης που αρδεύεται με μηχανή

2. φρ. α) «ἀντλῶ μαχανάν» — εξαντλώ τους πόρους

β) «κατ' ἐμὰν μαχανάν» — κατά τη δική μου γνώμη

γ) «μηδεμιῇ μηχανῇ» — με κανέναν τρόπο.

[ΕΤΥΜΟΛ. Η λ. μηχανή θα μπορούσε να αναχθεί στο θέμα ενός αμάρτυρου αρχαϊκού τ. *μᾶχαρ (πρβλ. μῆχαρ) με πιθανή γεν. *μᾱχανος (παρ' όλο που τα ουδέτερα σε -αρ εμφανίζουν κατά κανόνα γεν. σε -άτος), στην οποία θα οφείλεται το -ν- τού μηχανή (μᾱχαν-ā, ο τόνος στη λήγουσα κατά τα θηλ. σε -ή, πρβλ. αρχ-ή, φυλακ-ή). Ο αρχαϊκός επίσης τ. μῆχος αποτελεί σιγμόληκτη μορφή τού μῆχαρ, κατά τα ουδ. σε -ος. Οι τ. μῆχαρ και μήχος δεν έλαβαν ούτε τη μειωτική σημ. «δόλος, πανουργία» ούτε την τεχνική σημ. τής λ. μηχανή. Η λ. συνδέεται με λέξεις (ρήματα και ουσιαστικά) τής γερμ. και σλαβ. που σημαίνουν «μπορώ, δύναμαι» και «δύναμη», όπως λ.χ. γοτθ. mag «μπορώ», αρχ. σλαβ. moge, mošti, ρωσ. mogu «μπορώ», γερμ. Μacht. Κατ' άλλη άποψη, λιγότερο πιθανή, η λ. ανάγεται σε ΙΕ ρίζα *māgh- «μπορώ, βοηθώ» και συνδέεται με λιθουαν. mόku, moketi «μπορώ, καταλαβαίνω» (με δασύ σύμφωνο -qh-). Ο δωρ. τ. μᾱχανᾱ εμφανίζεται στη λατ. με τον τ. māchinā (πρβλ. αγγλ. maschine, γαλλ. machine, γερμ. Μaschine) ενώ υποστηρίζεται ότι και ο ιραν. τ. mēčan «χειροκίνητος μύλος» ανάγεται στο ελλ. μηχανή. Η σημ. τής λ. μηχανή «τρόπος, μέσον» έλαβε πολύ γρήγορα μειωτική σημ. «δόλος, τέχνασμα, απάτη». Τέλος, η λ. εμφανίζεται ως θ' συνθετικό με τη μορφή -μηχανος (πρβλ. και ανθρωπωνύμιο Ευ-μήχανος).

ΠΑΡ. μηχανεύομαι, μηχανικός, μηχανώμαι

αρχ.

μηχανάριος, μηχανεύς, μηχάνιον, μηχανίτις, μηχανιώτης, μηχανόεις, μηχάνωμα

αρχ.-μσν.

μηχανία

μσν.

μηχανίς, μηχανός

μσν.- νεοελλ.

μηχάνι

νεοελλ.

μηχανάκι, μηχανισμός.

ΣΥΝΘ. (Α' συνθετικό) μηχανοποιός, μηχανορράφος, μηχανοστάσιο, μηχανουργός

αρχ.

μηχανοδέτης, μηχανοδίφης, μηχανοπανουργία, μηχανοσφαιροποιία, μηχανοφόρος

μσν.

μηχανομάντευμαν, μηχανοπλοκώ, μηχανοτευχώ, μηχανούργος

μσν.- νεοελλ.

μηχανογράφος

νεοελλ.

μηχανέλαιο, μηχανόβιος, μηχανογράφηση, μηχανοδηγός, μηχανοθεραπεία, μηχανοθεραπευτής, μηχανοκάικο, μηχανοκάμωτος, μηχανοκίνητος, μηχανοκρατία, μηχανόλαδο, μηχανολογιστικός, μηχανολολόγος, μηχανοπέδη, μηχανοργάνωση, μηχανόσημο, μηχανοτεχνίτης, μηχανότρατα, μηχανοϋποδοχέας. (Β' συνθετικό) σε -μήχανος. αμήχανος, βιομήχανος, πολυμήχανος

αρχ.

αδικομήχανος, απροσμήχανος, γλυκυμήχανος, δολομήχανος, δυσμήχανος, δωδεκαμήχανος, επιμήχανος, ευμήχανος, θρασυμήχανος, κακομήχανος, πανευμήχανος, ποικιλομήχανος

νεοελλ.

καπνοβιομήχανος, μεγαλοβιομήχανος, μεταξοβιομήχανος, μικροβιομήχανος, παμμήχανος, σιδηροβιομήχανος, φαρμακοβιομήχανος, χαρτοβιομήχανος].