A01 OSATTIIN SITÄ ENNENKIN

Osattiin sitä ennenkin: automaatiota on ollut jo antiikin aikoina. Se ei siis ole mikään ihan uusi asia, vaikka varsinainen kehitysharppaus on tapahtunut toisen maailmansodan jälkeen.

Aristoteleen unelma automaatiosta

"Jos jokainen instrumentti voisi tehdä itse oman työnsä, totellen ja ennakoiden muiden tahtoa... jos sukkula osaisi kutoa ja plektra soittaa lyyraa ilman ohjaavaa kättä, päälliköt eivät tarvitsisi palvelijoita..." (Aristoteles)

Ktesibioksen kello

Automaattinen pinnankorkeuden ja virtauksen säätö

Ensimmäinen dokumentoitu automaattinen kone on Alexandriassa asuneen kreikkalaisen keksijän (ja parturin) Ktesibioksen vuoden 270 eKr. paikkeilla kehittämä vesikello.

Ktesibioksen ajan kellot perustuivat samaan ideaan kuin tiimalasi: aine virtaa ohuen aukon läpi tietyssä ajassa. Vesikellossa aukon läpi virtaava aine on vettä. Säiliössä, johon vesi virtaa, on kelluva kappale, johon on kiinnitetty ajan osoitin. Kun pinnankorkeus säiliössä nousee, nousee myös osoitin. Osoittimen viereiseltä asteikolta voidaan lukea aika.

Ongelmana tässä kellossa on saada aikaan tasainen veden virtaus säiliöön. Vesi virtaa ylemmästä varastosäiliöstä alempaan mittaussäiliöön luonnollisen (hydrostaattisen) paineen johdosta: mitä korkeampi varastosäiliön pinnankorkeus, sitä suurempi hydrostaattinen paine ja vastaavasti sitä suurempi virtaus mittaussäiliöön, jolloin mitattu aika rientää kuin siivillä. Vastaavasti, jos varastosäiliön pinnankorkeus on alhainen, niin hydrostaattinen paine on pieni, virtaus on pieni ja mitattu aika matelee.

Ktesibioksen kellossa on varastosäiliön ja mittaussäiliön välissä pienempi välisäiliö, jossa on kelluvan uimurin avulla toimiva automaattinen pinnankorkeuden säätö. Välisäiliön pinnankorkeuden noustessa uimuri nousee putken eteen tukkien sen, jolloin välisäiliöön ei pääse nestettä varastosäiliöstä, ja pinnankorkeus jää halutulle tasolle. Pinnankorkeuden laskiessa uimuri laskeutuu putken suulta päästäen välisäiliöön lisää nestettä, jolloin pinnankorkeus pysyy halutulla tasolla. Kun pinnankorkeus pysyi vakiona, niin myös virtaus välisäiliöstä mittaussäiliöön pysyi vakiona, ja jokainen mitattu minuutti oli kestoltaan yhtä pitkä. Ktesibioksen kello oli erittäin tarkka verrattuna muihin kelloihin.

Ktesibioksen kehittämä pinnankorkeuden ja virtauksen automaattinen säätö otettiin käyttöön useilla eri aloilla. Sitä hyödynnettiin esim. vesisäiliöissä, kastelujärjestelmissä, öljylampussa, joka ei koskaan sammu ja viinileilissä, joka ei koskaan tyhjene.

1300-luvulla kehitetty mekaaninen kello teki virtauksen säädön tarpeettomaksi ajan mittauksessa, mutta keksintö jatkoi voittokulkuaan toisilla sovellusalueilla. Nykyään useimmista kodeista löytyvä WC:n huuhteluveden varastosäiliön pinnankorkeuden säätö perustuu suoraan Ktesibioksen periaatteisiin.

Drebbelin termostaatti

Automaattinen lämpötilan säätö

Hollantilainen keksijä, alkemisti ja sukellusveneilijä Cornelius Drebbel (1572®1633), joka muun muassa teki useita menestyksekkäitä sukellusveneretkiä, kehitti ensimmäisen automaattisen lämpötilan säätimen eli termostaatin.

Drebbel, kuten muutkin aikansa alkemistit, epäonnistui yrityksissään muuttaa lyijy kullaksi, ja hän päätteli, että epäonnistuminen johtuu suurista uunin lämpötilan vaihteluista. 1620-luvulla hän kehitti miniuunin, jonka lämpötila saatiin automaattisesti säädettyä haluttuun vakioarvoon.

Uunissa oli alkoholilla täytetty lasiputki, joka oli yhdistetty toiseen elohopealla täytettyyn putkeen, joka vuorostaan oli yhdistetty metallitangolla palamisessa tarvittavan tuoreilman syöttöä ohjaavaan läppään. Uunin ollessa liian kuuma alkoholi ja elohopea laajenivat kasvaneen lämpötilan johdosta, ja metallitanko kuristi läpän välityksellä tuoreilman syötön pienemmälle, jolloin palaminen uunissa pieneni ja lämpötila asettui halutulle tasolle. Vastaavasti uunin lämpötilan ollessa liian alhainen alkoholi ja elohopea jäähtyessään supistuivat ja metallitanko avasi tuoreilman syötön läppää, jolloin palaminen kiihtyi uunissa ja lämpötila pysyi hallinnassa. Lämpötila saatiin säädettyä eri arvoihin muuttamalla metallitangon pituutta.

Drebbel sai säädettyä uunin lämpötilan automaattisesti, mutta kultaa hän ei lyijystä edelleenkään onnistunut tekemään. Näin ollen hänen termostaattinsa sai vain vähän huomiota ja unohtui. Sata vuotta myöhemmin ranskalainen herrasmiesmaanviljelijä otti Drebbelin termostaatin käyttöön kehittäessään hautomakonetta.

Nykyään Drebbelin kehittämä termostaatti löytyy useimmista kodeista lähellä alkuperäistä käyttötarkoitustaan uunin lämpötilan säädössä ja hieman kauempana juuriltaan myös kodin lämmitysjärjestelmän, keittolevyn, jääkaapin, pakastimen ja käyttöveden lämmön säädössä.

Wattin höyrykone

Automaattinen pyörimisnopeuden säätö

James Watt (1736®1819) ei keksinyt höyrykonetta, vaikka niin usein väitetäänkin. Höyrykoneita oli ollut olemassa jo vuosikymmeniä, ennen kuin Watt näki sellaisen ensimmäistä kertaa. Watt kuitenkin paransi höyrykonetta useilla eri tavoilla, joista vallankumouksellisin on Wattin "lentävät kuulat" eli moottorin pyörimisnopeuden säädin (flyball governor), jonka Watt julkisti vuonna 1769.

Ennen Wattin keksintöä höyrykoneiden pyörimisnopeus vaihteli merkittävästi ja moottorien hallinta oli hyvin vaikeaa. Wattin säädin koostui metallikuulista, jotka oli kiinnitetty pyörivään akseliin kiinteillä nivelöidyillä varsilla. Toiselta puolelta metallikuulat oli kiinnitetty holkkiin, joka noustessaan kuristi höyryvirtaa. Kuuliin vaikutti painovoima alaspäin ja keskipakoisvoima akselista poispäin.

Kun akseli pyöri liian nopeasti, keskipakoisvoima nosti palloja ja holkkia, joka kuristi höyryvirtaa, ja pyörimisnopeus jäi halutulle tasolle. Liian hitailla pyörimisnopeuksilla painovoima laski palloja ja holkkia, joka puolestaan päästi enemmän höyryä pyörittämään akselia, jolloin pyörimisnopeus nousi halutulle tasolle.

Wattin keksintö levisi nopeasti kaikkialle ja sen voidaan sanoa olleen olennainen tekijä teollisuuden leviämisessä. Nykyään suurin osa koneista sisältää joitakin pyöriviä osia. Jokapäiväisessä elämässä tulevat vastaan esimerkiksi auto, pesukone, video, cd, dvd, tietokone, jne.