מטרת המחקר: לנתח את התנהגות הגזים על ידי בדיקת הקשרים בין לחץ, נפח, טמפרטורה וכוח, כדי להבין לעומק את פעולת מנוע הקיטור. בנוסף, מטרת המחקר היא לבנות ולבחון דמוי-מנוע קיטור (המופעל בלחץ אוויר), לנתח את העבודה שהמערכת עושה, לחשב את הספק המנוע, ולבדוק איזו כמות מתוך העבודה המושקעת מומרת להרמת משקולת וכמה הולכת לאיבוד עקב חיכוך.

שאלות המחקר:

כיצד הוספת כוח (משקל) משפיעה על הלחץ?
כיצד הקטנת נפח האוויר משפיעה על הלחץ בתוכו?
כיצד שינוי בטמפרטורה משפיע על הלחץ של גז כלוא?
כמה עבודה מבצע דמוי-מנוע הקיטור שנבנה, והאם הוא מצליח להרים משקולת?
מהו הספק המנוע, וכיצד ניתן לשפר את המערכת כדי להגיע לנצילות ולחצים גבוהים יותר?
מערך ומהלך המחקר:

• המחקר בוצע באמצעות סדרה של חמישה שלבים/ניסויים:
• ניסוי 1 (כוח ולחץ): הצבת מזרק מאונך המחובר למד לחץ לתוכנת מחשב, והוספת משקולות (בנות 100 גרם כל אחת) על הבוכנה כדי למדוד את השינוי בלחץ.
• ניסוי 2 (נפח ולחץ): הפחתת נפח האוויר במזרק זכוכית באופן ידני ומדידת הלחץ המתקבל באמצעות מד לחץ.
• ניסוי 3 (טמפרטורה ולחץ): הכנסת מבחנה סגורה המחוברת למד לחץ לתוך קערת מים רותחים, קירור הדרגתי של המים באמצעות קוביות קרח, ומדידת הלחץ והטמפרטורה במקביל.
• ניסוי 4 (עבודת המנוע): בניית מערכת "דמוי-מנוע" מעץ הכוללת מזרק (מבוכנתו הוסר הגומי כדי להפחית חיכוך), דיסק המשמש כגלגל תנופה, ואקדח אוויר כמשאבת לחץ. המערכת צולמה ונותחה בתוכנת טראקר לחילוץ מיקום הבוכנה בזמן, וחושבה העבודה שבוצעה לעומת אנרגיית הגובה שנצברה בהרמת משקולת של 20 גרם.

דיון ומסקנות:

הניסויים המקדימים איששו את התיאוריה של חוקי הגזים: הלחץ גדל ביחס ישר לכוח וגדל ככל שהנפח קטן , וכן קטן כשהטמפרטורה יורדת. התגלו סטיות קלות בשיפועי הגרפים (בין 9% ל-14%), אשר הוסברו בדליפת אוויר בלחצים גבוהים או מכך שהאוויר במבחנה התקרר לאט יותר מהמים.
בניסוי 4 נצפתה תנועה מחזורית והמערכת הצליחה להרים משקולת. העבודה שביצע האוויר הייתה 0.036 ג'אול, בעוד שאנרגיית הגובה שהמשקולת קיבלה הייתה 0.032 ג'אול. הפער של כ-10% נובע ככל הנראה מחיכוך במערכת.
הספק המנוע שנבנה היה קטן מאוד (0.98 וואט). הסיבה המרכזית לכך היא שחצי מהזמן אוויר מהאקדח אינו מנוצל, ואוויר רב ברח עקב הסרת הגומי מהבוכנה, מה שמנע הגעה ללחצים גבוהים.