Огниво с поршневым зажиганием

Введение

Инструмент для розжига огня

Огненный поршень, иногда называемый пожарным шприцем или огненной палкой, — это устройство древнего юго-восточноазиатского происхождения, используемое для розжига огня. На малайском языке он называется "gobek api". Он использует принцип нагрева газа (в данном случае воздуха) быстрым и адиабатическим сжатием для воспламенения трута, который затем используется для поджигания растопки.

Описание и применение

Огневой поршень состоит из полого цилиндра, закрытого с одного конца и открытого с другого. Размеры варьируются от 3 до 6 дюймов (7,5 до 15 см) с диаметром канала около 0,25 дюйма (6–7 мм) до 10–14 дюймов (25–35 см) с диаметром канала около 0,5 дюйма (14 мм). В цилиндр плотно вставлен поршень с герметичным кольцевым уплотнением. Для создания герметичного, но скользящего уплотнения используется шнуровая набивка, смазанная водой, или резиновая прокладка, смазанная жиром. На конце поршня сделана небольшая полость, куда можно поместить трут, не сжимая его при последующих операциях. Поршень можно полностью извлечь из цилиндра для установки или удаления трута. На конце поршня (или цилиндра) имеется рукоятка для надежного захвата или достаточно большая площадь для резкого удара без боли, в то время как цилиндр (или поршень) удерживается или ударяется о твердую поверхность. Сжатие воздуха при быстром вдавливании поршня в цилиндр приводит к резкому повышению внутренней температуры до более чем 400 °F (260 °C) – температуры самовоспламенения трута. Этого достаточно, чтобы трут на торце поршня воспламенился видимой вспышкой, которую можно увидеть, если цилиндр изготовлен из полупрозрачного или прозрачного материала. Затем поршень быстро извлекается, прежде чем горящий трут истощит доступный кислород внутри цилиндра. Тлеющий трут затем удаляется с торца поршня и переносится в более крупное гнездо из трута. Затем на тлеющий трут энергично дуют или раздувают, чтобы создать пламя, после чего добавляют различные размеры более крупного растопочного материала, пока не будет создан полноценный огонь. Древние и современные версии огневых поршней изготавливались из дерева, рогов животных, костей, бамбука или металла. Сегодня огневые поршни обычно изготавливаются из дерева, металла или пластика. Доступны самодельные конструкции с использованием деревянных штифтов, ПВХ и медных труб, а также резиновых уплотнительных колец, позволяющие создать версии стоимостью менее 2 долларов США за штуку.

A fire piston consists of a hollow cylinder sealed at one end and open at the other. Sizes range in length from 3 to 6 inches (7.5 to 15 cm) with a bore about 0.25 inch (6–7 mm) in diameter, to 10 to 14 inches (25 to 35 cm) with a bore about 0.5 inch (14 mm) in diameter. A piston with an airtight circular seal is fitted into the cylinder. A string packing lubricated with water or rubber gasket lubricated with grease is used to create an air tight but slippery seal. At the end of the piston a small cavity is made, where tinder can be inserted without it being crushed during subsequent operations. The piston can be completely withdrawn from the cylinder for installation or removal of the tinder. The piston (or cylinder) has a handle on the end to allow a firm grip to be applied to it, or a large enough surface area to strike it sharply without causing pain, while the cylinder (or piston) is braced or slammed against a hard surface. The compression of the air when the piston is quickly forced into the cylinder causes the interior temperature to rise sharply to over 400 °F (260 °C), the autoignition temperature of tinder. This is hot enough for the tinder in the piston face to ignite with a visible flash that can be seen, if the cylinder is made of translucent or transparent material. The piston is then quickly withdrawn, before the now burning tinder depletes the available oxygen inside the cylinder. The smouldering tinder can then be removed from the face of the piston and transferred to a larger nest of tinder material. The ember is then fanned or blown upon vigorously to create a flame, at which time various stages of larger kindling can be added until built into a full scale fire. Ancient and modern versions of fire pistons have been made from wood, animal horns, antlers, bamboo, or metal. Today, fire pistons are commonly constructed from wood, metal, or plastic. Do it yourself designs have become available using wood dowels, PVC and copper pipe, and rubber O rings, to build versions costing less than $2 USD each.

Принцип действия

Быстрое сжатие газа одновременно увеличивает его давление и температуру. Если сжатие происходит слишком медленно, тепло рассеивается в окружающую среду, поскольку газ возвращается к тепловому равновесию с ней. Если сжатие происходит достаточно быстро, времени для установления теплового равновесия не остается. Абсолютная температура газа может внезапно стать значительно выше температуры окружающей среды, повышаясь от первоначальной комнатной температуры до температуры, достаточной для воспламенения трута. Воздух в цилиндре выполняет роль как источника тепла, так и окислителя для топлива-трута. Тот же принцип используется в дизельном двигателе для воспламенения топлива в цилиндре, что устраняет необходимость в свече зажигания, используемой в бензиновом двигателе. Принцип работы ближе к двигателю с горячей головкой, раннему предшественнику дизельного двигателя, поскольку топливо (трут) сжимается вместе с газом, в то время как в дизельном двигателе топливо впрыскивается, когда газ уже сжат и нагрет до высокой температуры. Огневые поршни имеют степень сжатия примерно 25:1. Это сопоставимо с примерно 20:1 для современного дизельного двигателя и от 7:1 до 11.5:1 для бензинового двигателя. Огневой поршень намеренно сделан узким, чтобы человеческой силы без вспомогательных средств было достаточно для сжатия воздуха в цилиндре до максимальной степени. Для достижения высокой степени сжатия конечный объем сжатого трута и воздуха должен быть мал по сравнению с длиной цилиндра поршня. Эти два фактора вместе означают, что огненным поршнем можно воспламенить лишь небольшое количество трута, но этого может быть достаточно для воспламенения другого трута, а затем и большего огня. Лучше всего работают труты, воспламеняющиеся при очень низкой температуре. Легковоспламеняющиеся материалы, такие как обугленная ткань или лав, хорошо подходят в качестве трута и могут также удерживать тлеющий уголек. В отличие от них, хлопковые волокна воспламеняются и ярко вспыхивают, но не удерживают уголек. Яркая вспышка света иногда достаточна для демонстрационных целей, но не позволяет получить устойчивое пламя. Конструкция ручного насоса, например обычного велосипедного насоса, очень похожа, за исключением того, что насос также имеет клапаны и шланг для подачи сжатого воздуха. В случае насоса нагрев сжатого воздуха является нежелательным побочным эффектом. Как в огненных поршнях, так и в насосах, механизм и смазочные материалы должны быть выбраны с учетом устойчивости к высоким пиковым температурам и давлениям.

Rapid compression of a gas increases its pressure and its temperature at the same time. If this compression is done too slowly the heat will dissipate to the surroundings as the gas returns to thermal equilibrium with them. If the compression is done quickly enough, then there is no time for thermal equilibrium to be achieved. The absolute temperature of the gas can suddenly become much higher than that of its surroundings, increasing from the original room temperature of the gas to a temperature hot enough to set tinder alight. The air in the cylinder acts both as a source of heat and as an oxidizer for the tinder fuel. The same principle is used in the diesel engine to ignite the fuel in the cylinder, eliminating the need for a spark plug as used in the gasoline engine. The principle of operation is closer to the hot bulb engine, an early antecedent to the diesel, since the fuel (tinder) is compressed with the gas, while in a diesel the fuel is injected when the gas is already compressed and at a high temperature. Fire pistons have a compression ratio of about 25 to 1. This compares with about 20:1 for a modern diesel engine, and between 7:1 and 11.5:1 for a gasoline engine. The fire piston is made deliberately narrow so that unaided human strength can exert enough force to compress the air in the cylinder to its fullest extent. To achieve a high compression ratio, the final compressed volume of the tinder and air must be small relative to that of the length of the piston tube. These two factors together mean that only a tiny amount of tinder can be lit by a fire piston, but this can be sufficient to light other tinder, and in turn to light a larger fire. Tinders that ignite at a very low temperature work best. Easily combustible materials such as char cloth or amadou work well as tinder, and can also hold an ember. By contrast, cotton fibers ignite at and will flash brightly but do not hold an ember. The bright flash of light is sometimes sufficient for demonstration purposes, but will not start a persistent fire. The construction of a hand operated pump, such as an ordinary bicycle pump, is very similar except that the pump also has valves and a hose to deliver compressed air as an output. In the case of the pump, the heating of the compressed air is an undesired side effect. In both fire piston and pumps, the mechanism and lubricants must be chosen to resist high peak temperatures and pressures.

Юго-Восточная Азия и Мадагаскар

Файл:Firepiston collection от Уолтера Хауга. Огневые поршни из Таиланда (1,2); Филиппин (3,4); и Явы, Индонезия (5)

Огневые поршни в Юго-Восточной Азии изготавливались из различных материалов: бамбука, дерева, металла, слоновой кости, кости и рога. Основная трубка обычно имела длину около и диаметр около, с внутренним диаметром около. Конец трубки, как правило, расширялся в небольшую полость для хранения трута. Трут обычно получали из оснований листьев пальм и лиан ротанга и хранили в специальной коробке, которую носили вместе с поршнем. В тайском языке они были известны как lek phai tok, а в малайском – gobek api (буквально «огненный пестик и ступка»). Древность огневого поршня в Юго-Восточной Азии неизвестна, но он, безусловно, появился до австронезийской колонизации Мадагаскара (ок. 100–500 гг. н.э.). Это было одним из первых убедительных доказательств связи Мадагаскара с Юго-Восточной Азией. Эти поршневые устройства достигли Мадагаскара до установления европейского контакта. Вопрос о том, испытали ли европейские огневые поршни влияние со стороны юго-восточноазиатских, остаётся предметом дискуссий. Однако Бальфур (1908) и Фокс (1969) убедительно показали, что европейские огневые поршни были изобретены независимо, на основе пневматического оружия. Тем не менее, Фокс пытается доказать, что огневые поршни Юго-Восточной Азии были занесены из Европы, но другие исследователи отвергают эту точку зрения как несостоятельную. Распространение производных технологий поршневых устройств и наличие огневых поршней даже в изолированных и отдалённых культурах, таких как качин в северной Бирме и игорот на высокогорье Лусона, однозначно свидетельствует о том, что огневые поршни Юго-Восточной Азии существовали задолго до европейских аналогов. Несмотря на независимое изобретение европейских огневых поршней, именно юго-восточноазиатские огневые поршни вдохновили Рудольфа Дизеля на создание дизельного двигателя около 1892 года, а не европейские модели (которые к концу XIX века в значительной степени были вытеснены спичками). Дизель был учеником изобретателя Карла фон Линде. Идея двигателя внутреннего сгорания пришла к нему после того, как он увидел, как Линде зажигает сигарету с помощью огневого поршня. Этот огневой поршень Линде приобрел в Юго-Восточной Азии во время лекции в Пенанге.

Fire pistons in Southeast Asia were variously constructed of bamboo, wood, metal, ivory, bone, and horn. The main tube was typically around long and in diameter, with a bore size around The end of the tube usually flared out into a small cavity used for holding tinder. The tinder used was typically obtained from the leaf bases of palm trees and rattan vines and were usually stored in a tinder box carried along with the piston. They were reported to be known as lek phai tok in Thai; and gobek api in Malay (literally "fire mortar and pestle). The antiquity of the fire piston in Southeast Asia is unknown, but it definitely pre dated the Austronesian colonization of Madagascar (c. 100 500 AD). It was one of the early definite proofs linking Madagascar with a Southeast Asian origin. These piston bellows reached as far as Madagascar prior to European contact. Whether the European fire pistons were influenced by the Southeast Asian fire pistons was a matter of debate. But Balfour (1908) and Fox (1969) have demonstrated convincingly that the European fire pistons were independently discovered via air guns. Fox, however, tries to argue that the Southeast Asian fire pistons were introduced from Europe, but this is rejected as unconvincing by other scholars. The presence of derivative piston bellows technology and the existence of fire pistons even in isolated and widely separated cultures, like the Kachin of northern Burma and the Igorot of highland Luzon, makes it definitely known that Southeast Asian fire pistons existed long before the European versions. Despite the independent invention of European fire pistons, it was the Southeast Asian fire pistons that inspired Rudolf Diesel in his creation of the diesel engine at around 1892, not the European versions (which had largely been replaced by matches by the late 19th century). Diesel was a student of the inventor Carl von Linde. He acquired the idea of the internal combustion engine after he witnessed Linde light a cigarette with a fire piston. This fire piston was acquired by Linde from Southeast Asia during a lecture in Penang.

Европа

Первый известный документально огневой поршень на Западе был изготовлен в 1745 году аббатом Агостино Руффо из Вероны, Италия, который создавал пару пневматических ружей для короля Португалии Жуана V. Во время проверки воздушного насоса одного из ружей на герметичность, затыкая выходное отверстие обрезком дерева, Руффо заметил, что после накачивания насоса дерево обуглилось. Впоследствии он обнаружил, что трут воспламеняется от действия насоса. Руффо сконструировал аппарат для дальнейшего изучения этого явления, но его изобретение не получило широкого распространения. Зафиксировано, что первый огневой поршень был продемонстрирован ученым в 1802 году и запатентован в 1807 году одновременно в Англии и Франции. Огневые поршни, или "огневые шприцы", как их тогда называли, пользовались кратковременной популярностью в некоторых частях Европы в начале XIX века, пока в 1826 году не были вытеснены спичками для зажигания трением. В США описания огневых поршней публиковались на протяжении многих лет.