Wie funktioniert eine Dampfmaschine (Experiment 44, 45 und 46)

Für diesen Artikel „wie funktioniert eine Dampfmaschine“ habe ich ziemlich lange überlegt, recherchiert und ausprobiert. Es hat leider nicht alles zu 100% so geklappt, wie ich mir das vorgestellt hatte, aber ich denke, es hat sich trotzdem gelohnt.

Bevor wir richtig einsteigen, möchte ich ein Video der Dampfmschine von Astromedia empfehlen. Diese Maschine ist was ganz besonderes, da sie aus Pappe ist, und man sie selbst zusammenbauen muss:

Die Dampfmaschine ist wohl eine der wichtigsten Erfindungen, die nötig waren, um das Industriezeitalter einzuläuten. Mit ihr wurden Produktionsmaschinen, Mühlen, Lokomotiven, Schiffe und Generatoren angetrieben.

Die Komponenten

So, jetzt aber mal zur Sache! Eine typische Dampfmaschine benötigt zwingend mehrere Komponenten:

  • den Dampfkessel,
  • Kolben und Zylinder,
  • eine Kurbelwelle
  • und ein Schwungrad.

Um herauszufinden, wie eine Dampfmaschine funktioniert, muss man die Funktion ihrer Komponenten verstehen. Daher schauen wir uns diese jetzt mal an.

Der Dampfkessel (Experiment 44)

Dieses Experiment habe ich von der Seite Kindererziehung.com. Leider hat es lange nicht so gut geklappt, wie ich mir das vorgestellt habe. Aber im dritten Versuch konnte man zumindest schwach sehen, was gezeigt werden sollte. Wenn Ihr das besser hinbekommt, würde ich mich freuen, in den Kommentaren davon zu hören.

Experiment 44 - Dampfkessel. "Wie funktioniert eine Dampfmaschine"

Vorsicht !!!

Die ganze Konstruktion wird sehr heiß! Auch der Dampf ist heiß! Also puste das Teelicht aus, ohne das Boot zu berühren und lass das Ganze lang genug abkühlen, bevor Du es anfasst. Verstopfe auch nie beide Löcher vom Ei! Das Ding kann dann explodieren.

Was brauche ich?

  • Ein Stück Styropor in Form eines Bootes,
  • ein dünnes Stück Sperrholz,
  • ein Teeelicht,
  • 4 Nägel (4 – 5 cm lang),
  • ein ausgeblasenes Ei,
  • ein Tropfen Uhu hart,
  • eine Spritze,
  • ein wenig Wasser und
  • eine leicht gefüllte Badewanne.

Wie lange dauert es?

Mit Bootsbau ca. 1 Stunde (plus Zeit zum Trocknen des Klebstoffes).

Wie funktioniert es?

Als erstes musst Du das Ei ausblasen. Dabei ist wichtig, dass die beiden Löcher nicht zu groß sind. Vor allem ein Loch sollte wirklich nur so groß sein, wie eine Nadel dick ist. Wenn das Ei leer und sauber ist, machst Du das größere der beiden Löcher mit einem Tropfen Uhu hart zu und läßt den Klebstoff trocknen.

In der Zwischenzeit schlägst Du die Nägel so in das kleine Sperrholzbrettchen, dass das Teelicht genau dazischen passt. Die Nägel sollen unten aus dem Brettchen rausgucken. Das Brettchen steckst Du dann mit den Nagelspitzen auf dem Styropor fest.

Wenn der Klebstoff auf dem Ei getrocknet ist, füllst Du das Ei mit der Spritze durch das verbliebene Loch mit Wasser. Es sollte weniger als halb voll werden, da sonst später Wasser auf das Teelicht tropft und dieses löscht. Dann zündest Du das Teelicht an, setzt das Boot in die Badewanne (das Wasser muss ganz ruhig bleiben). Danach legst Du das gefüllte Ei mit dem offenen Loch nach hinten auf die Nägel über das Teelicht. Nun heißt es Geduld haben …

Nach ca. 10 Minuten solltest Du hören, dass das Wasser im inneren des Eis anfängt zu kochen. Weitere 2 – 3 Minuten später sollte das Boot beginnen, sich ganz langsam vorwärts zu bewegen, obwohl das Wasser in der Badewanne immer noch ganz still ist.

Warum ist das so?

Das Wasser im inneren des Eis beginnt zu kochen und verdampft dabei. Das Wasser in Dampfform benötigt ungefähr 1600 mal so viel Platz, wie in flüssiger Form. Der Platz im Ei ist aber begrenzt. Daher strömt der Dampf durch das Loch nach draussen. Das ergibt einen Rückstoß. So, als ob Du einen Luftballon aufpustest und loslässt. Der saust dann auch los.

Das gleiche passiert im Kessel einer Dampfmaschine: Wasser wird zum Kochen gebracht und versucht, sich auszudehnen. Kann es aber nicht, da man es nicht einfach ausströmen lässt. Es bildet sich daher ein hoher Druck im Kessel.

Mögliche Probleme

Ich musste das Boot drei mal bauen, bis ich überhaupt etwas sehen konnte. Beim ersten Mal habe ich (wie im Originalexperiment) versucht, das Boot nur aus Holz zu bauen. Leider konnte mein Brett das Gewicht nicht tragen. Beim zweiten Mal waren dann die Löcher im Ei zu groß. Beim dritten Mal hat dann alles geklappt, aber das Boot hat sich gerade mal 10 cm weit bewegt … und das sehr, sehr langsam.

Außerdem dauert es recht lange, bis das Wasser im Ei wirklich kocht. Also Geduld! Man kann das Wasser aber kochen hören.

Kolben und Zylinder (Experiment 45)

Was brauche ich?

  • 2 Blumentöpfe aus Plastik,
  • einen Luftballon,
  • ein Stück Gartenschlauch,
  • ein paar Steine als Gewicht und
  • einen Helfer zu festhalten.

Wie lange dauert es?

5 Minuten.

Wie funktioniert es?

Stecke den Luftballon durch das Loch im Boden eines der Blumentöpfe. Das Ende zum hineinblasen soll unten rausgucken. In die Öffnung des Ballons steckst Du ein Ende des Gartenschlauchs. Den zweiten Blumentopf füllst Du mit ein paar Kieselsteinen, um ihn zu beschweren. Dann stellst Du ihn in den Blumentopf mit dem Ballon. Achte darauf, dass er sich dabei nicht festklemmt.

Experiment 45 - Kolben und Zylinder. "Wie funktioniert eine Dampfmaschine"

Nun nimmt Dein Helfer die Blumentöpfe in die Hand. Puste jetzt in den Schlauch. Der Luftballon sollte sich füllen und den beschwerten Topf anheben. Wenn Du aufhörst zu pusten, bleibt alles so stehen, wie es ist. Lässt Du die Luft wieder entweichen, sinkt der obere Blumentopf wieder in den unteren zurück. Du kannst das beliebig oft wiederholen.

Warum ist das so?

Der Ballon im unteren Topf (dem Zylinder) dehnt sich durch den Druck der Luft beim Aufpusten aus und drückt den oberen Blumentopf (den Kolben) nach oben. Hörst Du auf zu pusten, bleibt der Druck im Ballon (und damit im Zylinder) und alles bleibt in diesem Zustand. Lässt Du die Luft (und damit den Druck) aus dem Ballon, drückt das Gewicht der Steine den Kolben zurück in den Zylinder.

In einem echten Zylinder ist natürlich kein Ballon. Allerdings sind Zylinder und Kolben dann so genau gearbeitet und passen so gut ineinander, dass der Druck auch so nicht entweichen kann.

Die Kurbelwelle (Experiment 46)

Aus der Auf- und Abbewegung des Kolbens muss man irgendwie eine Drehbewegung machen. Dazu benutzt man eine Kurbelwelle.

Was brauche ich?

  • Eine Spitzzange,
  • eine Büroklammer,
  • einen Helfer und
  • Deinen Zeigefinger.

Wie lange dauert es?

Weniger als 5 Minuten.

Wie funktioniert es?

Um das auszuprobieren habe ich eine Büroklammer mit einer Spitzzange so gebogen, wie Du es auf dem Bild siehst. Nun lässt Du einen Helfer die Enden der Büroklammer zwischen Daumen und Zeigefinger nehmen. Wenn Du jetzt auf die größere Ausbuchtung der Klammer drückst (oder sie hoch ziehst), kann Dir Dein Helfer bestätigen, dass sich die Büroklammer zwischen seinen Fingern dreht.

Experiment 46, Bild 1 - Kurbelwelle. "Wie funktioniert eine Dampfmaschine"

Du hast aus einer Auf-, bzw. Abbewegung eine Drehbewegung gemacht. Sicher hast Du aber auch festgestellt, wenn die Ausbuchtung ganz oben (oder ganz unten) ist, kommst Du an einen toten Punkt. Um diesen zu überwinden, musst Du schummeln und die Klammer etwas nach links oder rechts drücken. So eine Bewegung gibt der das Auf und Ab des Kolbens aber nicht her. Das ist in etwa so, als ob Du versuchst, mit nur einem Fuss Fahrrad zu fahren … das klappt auch nicht.

Experiment 46, Bild 2 - Kurbelwelle. "Wie funktioniert eine Dampfmaschine"

Um dieses Problem zu lösen, nutzen wir …

Das Schwungrad

Ganz am Ende einer Dampfmaschine findet man meist ein großes Rad, das Schwungrad. Wie das funktioniert, kannst Du ganz leicht im Supermarkt ausprobieren. Zuerst schubst Du einen leeren Einkaufswagen an und versuchst ihn dann auf einmal zu stoppen. Das sollte ganz leicht gehen.

Nun versuchst Du das gleiche nochmal. Aber diesmal mit einem schwer beladenen Wagen. Du wirst merken, dass es wirklich schwierig ist, den Wagen anzuhalten. er will einfach weiterrollen. Das nennt man Trägheit. Je schwerer etwas ist, umso schwerer ist es, dieses etwas in Bewegung zu versetzen. Aber genauso ist es auch schwerer, diese Bewegung zu beenden.

Bei der Dampfmaschine macht man sich das zu nutze: an einem Ende der Kurbelwelle wird ein schweres Rad befestigt, so dass es sich mitdreht, wenn die Welle sich dreht. Nun braucht man zwar mehr Kraft, um die Welle zu drehen, aber genauso dreht sich auch die Welle im Totpunkt weiter, weil das Schwungrad sich weiterdrehen will.

Wie funktioniert eine Dampfmaschine – alle Komponenten im Zusammenspiel

Nun haben wir eigentlich alles zusammen, um die Frage „wie funktioniert eine Dampfmaschine“ zu beantworten. Nur ein paar Kleinigkeiten fehlen noch. Aber gehen wir mal den ganzen Ablauf durch:

  1. Das Wasser im Dampfkessel wird erhitzt und verdampft. Druck baut sich auf.
  2. Durch eine Leitung wird der Dampf (und damit der Druck) in den Zylinder geleitet.
  3. Der Kolben wird nach oben gedrückt.
  4. Der Kolben drückt eine Wippe nach oben.
  5. Auf der anderen Seite drückt die Wippe die Kurbelwelle nach unten.
  6. Das Schwungrad setzt sich in Bewegung.
  7. Die Kurbelwelle erreicht den unteren Totpunkt und das Schwungrad reißt die Welle darüber hinweg.
  8. Der Druck vom Zylinder wird abgelassen und der Kolben sinkt nach unten.
  9. Beim nach unten sinken zieht der Kolben die Wippe mit nach unten.
  10. Die Wippe zieht die Kurbelwelle nach oben und erreicht den oberen Totpunkt.
  11. Das Schwungrad reißt die Kurbelwelle über den Totpunkt.
  12. Der Zylinder füllt sich wieder mit Dampf und alles beginnt von vorn.

Wenn Du aufmerksam warst, hast Du sicher festgestellt, dass wir noch nicht über Schritt 8 gesprochen haben. Wie das funktioniert, ist von Dampfmaschine zu Dampfmaschine sehr unterschiedlich.

Wenn Du Dir noch einmal die Büroklammerkurbelwelle anschaust, siehst Du neben der großen Ausbuchtung noch eine kleine. Damit kann man entweder eine zweite Wippe antreiben oder einen Seilzug. Damit kann man dann ein Ablassventil am Zylinder auslösen. Im Video wird zum Beispiel eine runde Scheibe angetrieben, die exzentrisch (das bedeutet „nicht in der Mitte“) besfestigt ist. Diese drückt regelmäßig einen Schlauch ab, um den Zylinder abzudichten und wieder zu öffnen.

Das war es …

So, das war der längste Artikel bisher. Ich hoffe, das Warten darauf hat sich für Euch gelohnt und ich konnte erklären, wie eine Dampfmaschine funktioniert. Auf jeden Fall danke, wenn Ihr bis hierher gelesen habt! Dann habe ich anscheinend was richtig gemacht.

Ich möchte noch Hans von den Sternfreuden Hodelage danken, da er mich mit seiner Dampfmaschine inspiriert hat, mir die Mühe mit diesem Artikel zu machen.