科學模型小製作 特簡蒸汽機的做法圖解

許多人都認為詹姆士、瓦特(JamesWatt)發明了蒸汽機，但這不是事實。蒸汽機不是瓦特發明的，然而瓦特在改良蒸汽機的過程中，確曾作出最重要的貢獻。

近代比較像樣的蒸汽機，可以從17世紀晚期湯姆士、塞維利(ThomasSavery)設計的蒸汽機談起。起初的這具蒸汽機，利用封閉容器中的水蒸汽，將煤礦中的積水排出，接著冷卻該封閉容器，在容器中形成低壓狀態，以便再度使礦坑中的積水進入該容器中，重複這樣的過程就能發揮抽水的功能。

1712年湯姆士、紐科門(ThomasNewcomen)改進了塞維利的設計，利用壓力較大的蒸汽推動汽缸中的活塞，接著冷卻汽缸，形成低壓的狀態而推回活塞，這活塞再經過連桿拉動抽水裝置，可以抽出更深的礦井積水。

紐科門蒸汽機可以說得上是瓦特蒸汽機的前身。1763年瓦特在格拉斯古大學(GlasgowUniversity)修理紐科門蒸汽機，發現了紐科門蒸汽機有許多缺點。瓦特首先將冷卻蒸汽的過程改放在另外的冷凝器中進行，大大提高了使用熱能的效率，並在往後三十年間持續改良蒸汽機，發展出有曲柄、飛輪的往復式蒸汽機。

往復式蒸汽機構造精巧，運轉時各部零件一起連動，力與美的結合相當引人入勝。在課堂上演示一具主要活動零件(包括活塞、氣閥等)均可透視的透明蒸汽機(見圖1)，一定可以調動學生學習的興趣。這具蒸汽機的汽缸是玻璃制的，活塞則用厚紙板製成，分流盒的部分構造則以透明壓克力包覆，務求內部構造一目瞭然(見圖2)，凸顯和協律動之美。為了安全和維修方便起見，這具蒸汽機不用蒸汽推動，而改用空氣推動。在這具透明蒸汽機的蒸汽出口處接上吸塵器，則大氣從進口灌入蒸汽機中，就像水蒸汽灌入蒸汽機一樣，也能驅動這具用不同材料拼湊起來的蒸汽機快速運轉。（如果實驗室中有吹氣機，例如：氣墊軌要用的吹氣機，在這具透明蒸汽機的蒸汽進口處直接接上吹氣機，也能驅動這具蒸汽機運轉。）

所需的材料如下：

(1)內直6cm，長12cm的玻璃管一支。

(2)厚約2mm的壓克力板一片。

(3)矽膠管(軟的管子即可)。

(4)軸承(培林)兩個，內徑4mm。

(5)木板二塊，木條若干支。

(6)直徑4mm、2mm的木杆若干支。

(7)厚紙一片。

[1][2][3][4][5][6]

製作過程：

甲、汽缸的部份：

將厚紙剪成直徑恰略小於玻璃管內徑的圓片，此圓片即作為活塞。可想而知，此圓片不可能完全密封玻璃管，但只要大致能與玻璃管內徑一致，且可於玻璃管中輕易滑動即可。圓片中心鑽一個直徑4mm的小孔。在另一小片木板上鑽一直徑4mm的小孔，藉由此小片木板，將圓厚紙活塞與直徑4mm木杆製成的連桿(見圖3)結合在一起，而且使圓厚紙片垂直木質連桿。

再用兩片木板製作此玻璃管汽缸的支

架，其中之一鑽一個直徑4.5mm的小孔，並在旁邊鑽一個直徑13mm的小孔；另一片則鑽一個直徑13mm的小孔即可，先將紙活塞和木連桿放在玻璃汽缸中，讓木連桿從木板支架上4mm直徑的孔伸出，再用AB膠，將玻璃管與木材支架密接，於是把紙活塞密封在玻璃管汽缸中。將木板支架用AB膠黏在木板底座上，直徑4mm的連桿從木支架上的孔穿出後，要再立一個直立於底座的小支架，此小支架上端有一個直徑約4.5mm的孔，可容納連桿的另一端(見圖4)。

乙、分流盒的部分：

分流盒的構造如圖5所示的透檢視，其主要的功能是:利用口形木框的往復移動，改變空氣的通道，使空氣改變流動的路徑，而能往復推動玻璃汽缸中的紙活塞。一共動用五片木板製作分流閥盒子。下方一片，兩側木板之一的上半部鑽一個直徑13mm的孔，另一側木板的下半部則鑽三個直徑13mm的孔（此三孔中之左右分別經矽膠管連通玻璃汽缸支架上直徑13mm的小孔）。再用兩木板作黏在前後，其中一片木板上鑽一個直徑4.5mm的小孔。

圖5分流盒的構造。兩側木板之一的上半部鑽一個直徑13mm的孔，另一側木板的下半部則鑽三個直徑13mm的孔。前後木板之一鑽一個直徑4.5mm的小孔。此盒中要恰好容納一個口字型的木框在其中滑動。口字型的木框在左方時，氣流從右側孔，經右側矽膠管，推動活塞，再將空氣經左側矽膠管，經左側孔，匯入分流盒中的口字型的木框，再從中間孔中排出；口字型的木框在右方時，過程即相反。

參見圖6，此盒中要恰好容納一個口字型的木框在其中滑動，此口字型木框與另一個直徑4mm的連桿連結，此直徑4mm的連桿從盒子前方木板的直徑4.5mm的小孔穿出，穿出之後也由另一根上方鑽有直徑4.5mm小孔的直立支架容納其另一端（參見圖7）。此口字型的木框即為分流氣閥，口字型的木框在左方時，即可引導氣流，從三個直徑13mm的孔之右側孔，經右側矽膠管，推動活塞，再將空氣經左側矽膠管，經左側孔，匯入分流盒中的口字型的木框，再從中間孔中排出；口字型的木框在右方時，過程即相反。最後此木盒上方用壓克力閉封，使人能看到口字形木框作動的情形。

丙、音叉狀連桿：

緊接著，須製作兩音叉狀連桿，如圖8所示。為減輕重量此兩支音叉狀連桿上可多鑽些孔。這兩支音叉狀連桿，藉著如圖9所示的木質簡易軸承和直徑2mm的木質插鞘，分別連線活塞的連桿和口字形木框的連桿。

丁、飛輪的部份：

見圖10，用厚紙即可製作飛輪，飛輪兩側分別用一小塊木片將飛輪固定在直徑4mm的木質轉軸上，此木質轉軸藉兩個滾珠軸承安裝在支架上，轉軸兩側黏牢兩個曲柄和曲軸，此兩曲柄互相夾90°角。將兩叉狀連桿再連線此兩曲柄上的曲軸，這具蒸汽機及大功告成。

操作時。只要開啟吸塵器，用吸塵器的吸管“吸”分流盒的下半部三個孔的中間孔(出口)，空氣立即由分流盒的另一側上半部單孔（進口）進入蒸汽機（參見圖5）推動活塞，此蒸汽機即快速轉動起來，所有活動零件運動的情形均可見。

相較於普通物理學中其他分支，熱學的實驗較少，這具蒸汽機除了散發出懷舊的古老味之外，也有助於在工業革命的反思中，演示熱學的核心主題。要放大這具蒸汽機的尺寸、增加它的透明度均非難事，把玩製作之間樂趣無窮。

特簡蒸汽機全貌

特簡蒸汽機區域性一

特簡蒸汽機區域性二