Setrvačník

Setrvačník ( setrvačník ) je masivní rotující kolo používané jako zásobník ( inerciální akumulátor ) kinetické energie nebo k vytvoření setrvačného momentu, jak se používá na kosmických lodích .

Použití

Používá se ve strojích, které mají nerovnoměrný vstup nebo využití energie, ukládají energii, když je příkon energie vyšší než spotřeba energie, a uvolňují ji, když spotřeba energie převyšuje příkon energie. Používá se také v hybridním pohonu jako zásobník energie a pro regenerativní brzdění , gyrobusy .

Často funkci setrvačníku plní masivní otočný prvek mechanismu .

Kromě energie má rotující setrvačník (jako každé rotující těleso) také moment hybnosti , což je důvodem pro pozorování gyroskopického jevu , který spočívá v precesi osy rotace kolem jejího původního směru, když se objeví vnější síla. který se neshoduje se směrem osy otáčení.

Za první příklad využití gyroskopického efektu lze považovat vynález kolovrátek (jojo) hračky.

Jednou z prvních aplikací gyroskopického efektu byl v 19. století přechod od vystřelování kulatých dělových koulí k podlouhlým projektilům , jejichž rotace umožňovala zachovat jejich orientaci v prostoru a podlouhlý tvar výrazně zvýšit jejich hmotnost (blank) nebo výbušná nálož se stejným aerodynamickým odporem.

Setrvačník je také rotor gyroskopu , používaný v gyrokompasech a obecně v gyroskopických orientačních zařízeních ve vesmíru, zejména torpéda (Aubreyho zařízení), raketách a kosmických lodích. Nejběžnějšími příklady setrvačníku jsou kolo jízdního kola nebo točící se talíř elektrického gramofonu .

Vlastnost setrvačníku udržovat směr osy otáčení se využívá u stabilizátorů lodi .

V každodenním životě se setrvačník nejčastěji používá u automobilů : jakýkoli pístový motor je vybaven setrvačníkem, který často kombinuje funkce jako součást spojkového a startovacího systému (setrvačníky jsou vybaveny ozubeným věncem pro přenos točivého momentu ze startéru ). Kromě vyvedení klikového mechanismu z úvratě snižuje setrvačník v motoru nerovnoměrnost otáčení na přijatelnou úroveň, čímž se zvyšuje zdroj převodovky (zbytek nerovností tlumí pružiny tlumičů torzních kmitů nebo automatická převodovka spojka, pak torusová pryž a viskózní spojky).

Fyzika

Kinetiku rotace akumulovanou v rotujícím tělese (setrvačníku) lze vypočítat podle vzorce:

E={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}

kde:

$já$ - moment setrvačnosti hmoty kolem osy otáčení setrvačníku
$\omega$ ( omega ) je úhlová rychlost v radiánech za sekundu

Pro jednoduché tvary setrvačníku jsou známy konečné výrazy pro moment setrvačnosti

Pro dutý válec $I={\frac {1}{2}}m(r^{2}+r_{o}^{2})$ kde je hmotnost dutého válce; - jeho poloměr; je vnitřní poloměr válce $m$ $r$ ${\displaystyle r_{o))$
Pro tenkostěnný válec $I=mr^{2}$
Pro pevný válec $I={\frac {1}{2}}pane^{2}$

Nahrazení úhlové rychlosti ve vzorci pro dutý válec frekvencí otáčení podle vzorce $\omega$ $F$

\omega =2\pi f

dostaneme

E=m(\pi f)^{2}(r^{2}+r_{o}^{2})

Historie

Efekt setrvačníku se používal již ve starověku. Například na hrnčířském kruhu , větrných mlýnech . Pravděpodobně jedním z nejstarších příkladů použití setrvačníku byl archeologický nález z Mezopotámie (nedaleko města Ur ) - hrnčířský stroj s páleným hliněným kotoučem o průměru asi metr a vážícím nejméně jeden centimetr . Podobné vynálezy se opakovaně objevily v Číně . [jeden]

Podle americké medievalistky Lynn Whiteové zmiňuje německý mnich Theophilus ve svém pojednání „O různých uměních“ několik strojů, které používají setrvačník [2] .

Během průmyslové revoluce James Watt používal setrvačník v parním stroji k vyrovnání pohybu a překonání mrtvých poloh pístu [3] a jeho současník James Pickard používal setrvačník v kombinaci s klikovým mechanismem k přeměně vratného pohybu na pohyb rotační [4]. .

Ve 20.–30. letech 20. století sovětský vynálezce A. G. Ufimcev poprvé na světě [5] použil inerciální baterii v první větrné elektrárně v Rusku , kterou postavil v Kursku .

Použití setrvačníku jako akumulátoru energie je omezeno tím, že při překročení dovolené obvodové rychlosti dojde k prasknutí setrvačníku, což vede k velké destrukci. To si vynucuje vytváření setrvačníků s velmi velkou rezervou bezpečnosti, což vede ke snížení jejich účinnosti.

Důsledkem toho je malá (ve srovnání s jinými typy baterií ) měrná spotřeba energie.

Příklad

Mezní hodnota úhlové rychlosti setrvačníku je dána pevností v tahu materiálu setrvačníku . Je snadné ukázat, že u setrvačníku ve formě rotačního disku , kde je pevnost v tahu materiálu setrvačníku (síla v tahu na jednotku plochy), je objem disku. Pro tavený křemen N/m2. Energetická náročnost setrvačníku z taveného křemene o objemu m3 a hmotnosti kg bude rovna energetické náročnosti l benzínu [6] . $\omega$ ${\frac {1}{2}}I\omega ^{2}={\frac {V}{4}}S_{max}$ ${\displaystyle S_{max))$ $PROTI$ ${\displaystyle S_{max}=3\krát 10^{9))$ $0.1$ $200$ $13$

Superflywheel

V květnu 1964 požádal N. V. Gulia o vynález super setrvačníku – energeticky náročného setrvačníku odolného proti výbuchu. Na rozdíl od klasického monolitického setrvačníku je super setrvačník navinutý z tenké pásky, drátu nebo syntetických vláken , které mají výrazně vyšší měrnou pevnost než monolitický díl (odlitek nebo kování), takže spotřeba energie takového setrvačníku je mnohem vyšší ( podle vynálezce až 1,8 MJ/kg). Navíc v případě prasknutí super setrvačníku nevznikají žádné velké úlomky: konce utržené pásky nebo vláken se začnou zpomalovat proti plášti a setrvačník se postupně zastaví.

Viz také

Poznámky

↑ Rodionov V. G. Optimalizace struktury výrobních kapacit. Baterie - skladování energie // Energie: problémy současnosti a příležitosti do budoucna. - M. : ENAS, 2010. - S. 65. - 352 s. - ISBN 978-5-4248-0002-3 .
↑ Lynn White, Jr., "Theophilus Redivivus", Technologie a kultura, sv. 5, č. 2. (jaro, 1964), Recenze, pp. 224-233 (233)
↑ Ella Tsygankova U počátků designu . Získáno 11. června 2008. Archivováno z originálu 23. října 2007. (neurčitý)
↑ Encyklopedie průmyslové revoluce, 1750-2007: Parní stroj archivován 6. října 2008 na Wayback Machine
↑ Větrná elektrárna – článek z Velké sovětské encyklopedie .
↑ Orir J Physics. Svazek 1. - M., Mir, 1981. - str. 167

Odkazy

Gulia N. V. Při hledání „energetické kapsle“ . - M . : Dětská literatura, 1984. - 144 s.
Alexandr Nikonov. „Život a úžasná dobrodružství Nurbey Gulia - profesor mechaniky“
Následky ničení setrvačníků v manufakturách