복동식 증기 기관
슬라이더 크랭크 · 슬라이드 밸브 · 와트 조속기 · 실시간 물리
지시선도 — P vs V
드래그로 회전 · 핀치 / ⌘-스크롤로 확대
플라이볼 조속기가 스로틀을 조절하여 일정한 속도를 유지합니다. 꺼두고 부하를 바꿔보면 왜 모든 엔진에 조속기가 필요했는지 알 수 있습니다.
증기 기관 작동 원리
- 증기가 피스톤을 밀어냅니다. 보일러의 고압 증기가 실린더 한쪽 끝으로 들어옵니다. 엔진이 복동식이기 때문에 반대쪽은 동시에 배기로 열리며, 양방향 모든 행정에서 증기가 피스톤을 구동합니다.
- 슬라이드 밸브가 타이밍을 제어합니다. 크랭크보다 약 90° 앞선 편심에 의해 구동되는 D자형 밸브가 앞뒤로 미끄러지며 정확한 순간에 각 포트를 열어줍니다 — 흡기, 차단, 배기 해제, 압축.
- 팽창이 무료 일을 합니다. 차단 후 갇힌 증기는 팽창하면서 계속 밀어내며, 압력은 P ∝ 1/V로 하락합니다. 일찍 차단할수록 증기 1kg당 더 많은 일을 뽑아낼 수 있습니다 — 이것이 팽창 작업의 핵심입니다. 차단점을 움직이면서 지시선도 변화를 관찰해보세요.
- 크랭크와 플라이휠. 커넥팅 로드가 피스톤의 직선 추진력을 회전으로 변환하고, 무거운 플라이휠이 크랭크가 토크를 낼 수 없는 사점에서 에너지를 저장하여 맥동을 안정된 회전으로 다듬습니다: I·dω/dt = τsteam − τload.
- 조속기가 속도를 유지합니다. 엔진이 빨라지면 두 개의 회전하는 플라이볼이 올라갑니다 (cosα = g/Ω²ℓ). 링크를 통해 스로틀을 닫아 증기를 줄입니다 — 자기 수정 피드백 루프입니다. 꺼두고 부하를 바꿔보세요: 엔진이 폭주하거나 멈춥니다. 제임스 와트의 1788년 조속기는 인류가 만든 최초의 자동 제어 장치 중 하나였습니다.
지시선도(오른쪽 위)는 실린더 압력을 용적에 대해 그립니다 — 와트가 엔진을 조정하는 데 사용한 바로 그 계기입니다. 루프 안의 면적이 행정당 한 일이며, 초당 행정 수를 곱하면 출력이 됩니다.
시도해보세요: 차단을 40%로 낮추고 팽창 곡선이 늘어나는 것을 관찰 · 조속기를 끄고 부하를 올려 멈출 때까지 · 플라이휠을 줄이고 동력 행정 사이의 속도 급증을 관찰.
시도해보세요: 차단을 40%로 낮추고 팽창 곡선이 늘어나는 것을 관찰 · 조속기를 끄고 부하를 올려 멈출 때까지 · 플라이휠을 줄이고 동력 행정 사이의 속도 급증을 관찰.
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