Что такое маховик в физике

Маховое колесо

Маховик (Маховое колесо) — массивный вращающийся диск, использующийся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии.

Также маховиком называют регулировочное колесо, похожее по форме.

Содержание

Использование

Используется в машинах, имеющих неравномерное поступление или использование энергии, накапливая энергию, когда поступление энергии выше чем расход, и отдавая её, когда потребление превышает поступление энергии. Также используется в гибридном двигателе в качестве накопителя энергии и для рекуперативного торможения.

Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма. Такие как гончарный круг, массивные колеса водяной мельницы или массивные зубчатые колеса.

Помимо энергии, вращающийся маховик накапливает ещё и момент импульса, что используется для ориентации космических аппаратов.

Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в гироскопах.Чем выше вес маховика, тем дольше сохраняется его движение.

Физика

Кинетическая энергия вращения, накопленная во вращающемся теле (маховике), может быть рассчитана по формуле:

E = \frac<1> <2>I \omega^2″ width=»» height=»» /></p> <p><ul> <img decoding=

r» width=»» height=»» />;— его радиус; </p> <p>Заменив в формуле для полого цилиндра, угловую скорость — <img decoding=

E = m(\pi S)^2(r^2+r_o^2)

История

Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например в гончарном круге, Ветряных мельницах.

Согласно американскому медиевисту Линну Уайту немецкий монах Теофил упоминает в своём трактате «О различных искусствах» несколько машин, в которых применяется маховик. [1]

Во время промышленной революции, Джеймс Уатт применил маховик в паровой машине для выравнивания движения и преодоления мертвых положений поршня [2] , и его современник Джеймс Пикард использовал маховик в сочетании с кривошипно-шатунным механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное [3] .

Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности.

Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная энергоёмкость.

В мае 1964 года Гулия Нурбей Владимирович подал заявку на изобретение супермаховика — энергоёмкого и разрывобезопасного маховика.

См. также

Ссылки

Примечания

  1. ↑ Lynn White, Jr., “Theophilus Redivivus”, Technology and Culture, Vol. 5, No. 2. (Spring, 1964), Review, pp. 224-233 (233)
  2. ↑Элла Цыганкова У истоков дизайна
  3. ↑Encyclopedia of the Industrial Revolution, 1750-2007: Steam Engine (англ.)

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Маховое колесо» в других словарях:

Маховое колесо — МАХОВОЙ, ая, ое. Относящийся к взмаху, маханию, предназначенный для махания. Маховые движения. Маховые упражнения (в гимнастике). Маховое перо (большое перо в крыле птицы). Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

маховое колесо — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN flywheel … Справочник технического переводчика

маховое колесо — smagratis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Vientisos medžiagos diskas arba ratas su sunkiu ratlankiu, įtaisomas ant mašinos veleno, kad padidėtų inercijos momentas ir ji tolygiau suktųsi. atitikmenys: angl. balance wheel vok. Schwungrad,… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Маховое колесо — см. Маховик, Паровые машины, Двигатели … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

КОЛЕСО — КОЛЕСО, колеса, мн. колёса, ср. 1. Круг со спицами или сплошной, насаживаемый на ось повозки и посредством вращения ее на втулке передвигающий повозку. Колесо телеги. Колесо вагона. Попасть под колеса. Снег сошел, стали ездить на колесах. Кресло… … Толковый словарь Ушакова

колесо — а/; колёса; ср. см. тж. колёсико, колёсный, колесом 1., колесом 2. 1) а) Круг (со спицами или сплошной), вращающийся на оси и служащий для приведения в движение повозок и других средств передвижения. Колесо/ телеги … Словарь многих выражений

колесо́ — а, мн. колёса, ср. 1. Круг (со спицами или сплошной), вращающийся на оси и служащий для приведения в движение повозок и других средств передвижения. Колесо телеги. Велосипедное колесо. Колесо вагона. □ Колеса оставляли на дороге черные рваные… … Малый академический словарь

колесо — а; колёса; ср. 1. Круг (со спицами или сплошной), вращающийся на оси и служащий для приведения в движение повозок и других средств передвижения. К. телеги. Велосипедное к. К. вагона. Запасные колёса автомобиля. Ездить на колёсах (в телеге, в… … Энциклопедический словарь

КОЛЕСО — КОЛЕСО, а, мн. колёса, колёс, ср. 1. В различных механизмах: диск или обод, вращающийся на оси или укреплённый на валу и служащий для приведения механизма в движение; вообще устройство такой формы. Рулевое к. Гребное к. Мельничное к. Зубчатое к.… … Толковый словарь Ожегова

Колесо маховое — служит для устранения неправильностей в ходе машины, происходящих от изменений сопротивления или движущей силы. Последнее случается, например, в паровых машинах, при действии пара расширения; кроме того, сила, передаваемая валу мотылем,… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Значение слова «маховик»

МАХОВИ́К, -а́, м. Тех. Маховое колесо. Громадный маховик [двигателя] бешено вертелся, и бетонная платформа — нервно вздрагивала. Н. Островский, Как закалялась сталь.

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

МАХОВИ’К, а́, м. (тех.). Маховое колесо.

Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

махови́к

1. техн. массивное вращающееся колесо на валу двигателя или другой машины, выравнивающее её ход либо использующееся в качестве накопителя кинетической энергии ◆ Ротор асинхронного генератора представляет собой обычный маховик, поэтому он лучше защищен от попадания влаги и грязи. ◆ Маховик соединен с валом электрогенератора, который заряжает аккумулятор.

2. техн. гладкое колесо, предназначенное для вращения рукой ◆ Открывание и закрывание вентилей разрешается производить, вращая маховик руками; ни в коем случае не допускается применять удлинительные рукоятки, рычаги, ломы и т.п. , 19 авг 1999 г. // «Типовая инструкция по безопасному ведению работ для персонала котельных РД 10-319-99 (1999)»

3. перен. , в сочетании с дополнением какой-либо медленный, постепенно набирающий обороты процесс . ◆ Маховик «холодной войны» безостановочно продолжал раскручиваться. ◆ Людям, попавшим в маховик истории, от этого не легче. ◆ Безграмотные и безответственные действия власти только поддерживают пламя войны и раскручивают маховик ненависти

Делаем Карту слов лучше вместе

/>Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Я стал чуточку лучше понимать мир эмоций.

Вопрос: абака — это что-то нейтральное, положительное или отрицательное?

Маховик и его назначение

Рассмотрим подробно наиболее простой способ регулирования неравномерности вращения — установку дополнительной маховой массы или маховика.

Все звенья механизма обладают инертностью. Как известно из физики, это свойство состоит в том, что чем инертнее материальное тело, тем медленнее происходят изменения его скорости, вызываемые действием приложенных сил. Поэтому, чтобы получить вращение главного вала машины с циклической неравномерностью, не превышающей требуемой величины, инертность этого вала со всеми жестко связанными с ним деталями надо сделать достаточно большой.

Из уравнения движения машинного агрегата в интегральной форме, очевидно, что, увеличивая инерционность можно уменьшить колебания угловой скорости.

,

где , а. Воздействовать на момент инерции второй группы звеньев сложно, поэтому на практике такое решение не применяется. Поставленная задача решается за счет увеличения момента инерции первой группы звеньев. Для этого на главном валу машины надо закрепить добавочную массу, выполненную в виде колеса с развитым ободом и называемую маховиком. Подбирая его момент инерции, можно обеспечить вращение главного вала машины с заданным коэффициентом неравномерности.

Маховик в машине играет роль аккумулятора кинетической энергии. При разгоне часть положительной работы внешних сил расходуется на увеличение кинетической энергии маховика и скорость, до которой разгоняется система, становится меньше, при торможении маховик отдает запасенную энергию обратно в систему и величина снижения скорости машины уменьшается.

Отсюда можно сделать вывод: чем больше дополнительная маховая масса, тем меньше изменение угловой скорости за цикл и ниже коэффициент неравномерности вращения.

Итак, основное назначение маховика состоит в ограничении колебаний угловой скорости в пределах, устанавливаемых величиной коэффициента неравномерности. Определение момента инерции маховика по заданным условиям движения (т. е. по заданной величине ) производится в процессе проектирования машины и составляет одну из задач ее динамического синтеза.

Определение приведенного момента инерции первой группы звеньев

Кинетическую энергию исследуемого механизма, также как и момент инерции можно разделить на две части

,

где , а.

Так как угловая скорость колеблется внутри цикла между значениямии, то, следовательно, колеблется и кинетическая энергия, проходя через максимальноеи минимальноезначения. Подчеркнем, что момент инерции первой группы звеньев имеет постоянную величину, не зависящую от положения механизма.

Определим наибольший перепад кинетической энергии первой группы звеньев: подставив значения иполучим

,

С учетом соответствующих значений кинетической энергии:

,

раскроем разность квадратов и умножим и разделим на :

Учитывая, что , а, окончательно получим:

пли, решая относительно искомой величины , получим формулу для расчета приведенного момента инерции первой группы, который обеспечивает заданный коэффициент неравномерности вращения:

Определение момента инерции дополнительной маховой массы (маховика)

Обозначим за момент инерции первой группы звеньев механизма без учета маховика (исходя из рассматриваемого примера – насоса в эту группу звеньев вошли двигатель, редуктор и сам коленчатый вал) – т.е. это момент инерции который непосредственно заложен в конструкции самого машинного агрегата.

Используя приведенную методику, находим , обеспечивающий заданный коэффициент неравномерности вращения.

Далее сравнивая эти инерционные характеристики, решают вопрос о необходимости введения маховика и его размерах.

Если , то маховик необходим и— момент инерции дополнительной маховой массы.

Если , то инерционности конструкции достаточно для обеспечения заданной неравномерности вращения и маховик не требуется.

Как опереться на пустоту?


«Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю» — так, по легенде, сказал Архимед, научно объяснив интуитивно понимаемый принцип работы рычага. Но в космическом вакууме опоры нет. А спутникам нужно, чтобы солнечные батареи смотрели на Солнце, антенны — на Землю, камера — на интересный участок Марса, а двигатель для коррекции орбиты — строго в определенную точку пространства. Приходится что-то придумывать, чтобы опереться на пустоту.

Двигатели ориентации

Самый очевидный вариант — поставить специальные небольшие двигатели, которые будут управлять ориентацией аппарата:


Двигатели ориентации лунного модуля

Двигатели можно сделать мощными, чтобы поворачивать тяжелые аппараты или крутиться быстрее, или очень слабыми, чтобы поворачиваться очень точно. Они сравнительно мало весят и не требуют электроэнергии, когда не работают. Все бы хорошо, но для того, чтобы поворачиваться, нужно тратить топливо, а его всегда ограниченное количество. Да и у самих двигателей есть ограничения по количеству запусков и общему времени работы.
Двигатели ориентации можно также использовать для орбитальных маневров, особенно если планируется стыковка. Маршевый двигатель может толкать аппарат только в одну сторону, а с помощью двигателей ориентации можно смещаться по всем осям.


Двигатели причаливания и ориентации корабля «Союз» на МАКС-2005. Красное — защитные крышки, которые снимаются перед полетом

Работа ДПО корабля «Союз» во время стыковки с МКС в ускоренном воспроизведении

Стабилизация вращением

Всем нам с детства известна способность волчка сохранять вертикальное положение. Если раскрутить космический аппарат, он будет вести себя совершенно также, сохраняя стабилизацию по оси вращения.

Если нас устраивает стабилизация по одной оси, мы не собираемся поворачивать аппарат в разные стороны и делать фотографии с длинной выдержкой, этот способ может оказаться очень экономным.

Запуск спутника с разгонным блоком PAM-D с борта Спейс Шаттла

После разгона можно было достаточно просто затормозить вращение, используя закон сохранения момента импульса (пример в невесомости, пример на котиках) — небольшие грузы разматывались на тросиках и замедляли вращение аппарата.

Маховик (Reaction wheel)
  1. Начальное состояние: аппарат неподвижен, маховик неподвижен.
  2. Раскручиваем маховик против часовой стрелки, аппарат начинает поворачиваться по часовой стрелке.
  3. Когда повернулись на нужный угол: останавливаем вращение маховика, аппарат останавливается.

Использование маховиков позволяет поворачиваться с высокой точностью и не тратить драгоценное топливо. Но, как и любая другая техническая система, маховики имеют свои недостатки. Прежде всего, один маховик может поворачивать аппарат только по одной оси. Чтобы полностью управлять ориентацией аппарата нужно три маховика. А учитывая необходимость резервирования, шесть или больше. Также, скорость поворота прямо пропорциональна массе маховика и скорости его вращения и обратно пропорциональна массе аппарата. Говоря простым языком, чем больше масса аппарата, тем тяжелее должны быть маховики. Также, любой маховик имеет предельную скорость вращения и может разорваться, если его раскрутить сильнее. А если возмущающая сила действует на аппарат в одном направлении, то маховик со временем дойдет до предельной скорости, и нужно будет его разгружать какой-нибудь другой системой. Ну и, наконец, как и любая механика, маховик со временем изнашивается и может выйти из строя.


Один из маховиков телескопа «Хаббл»

Гиродин (Control moment gyroscope)

Свойство волчка сохранять вертикальное положение можно использовать еще одним способом — на него можно опереться:

Если поместить такой волчок в подвесную систему, то можно, «опираясь» на него, поворачиваться в нужную сторону. Такие конструкции называются силовыми гироскопами или гиродинами. Главное отличие гиродина от маховика — в том, что маховик жестко установлен на одной оси и управляет ориентацией, изменяя скорость своего вращения. Гиродин же установлен в подвесе, который может вращаться в одной или нескольких плоскостях, и может не менять скорость своего вращения. В этом видео наглядно видно движение подвеса, при том, что высота тона вращения гиродина не меняется.

С точки зрения функциональности, гиродин — это «продвинутый» маховик. Гиродины эффективнее обычных маховиков, но и сложнее. Они могут управлять ориентацией гораздо более тяжелых аппаратов, но разделяют достоинства и недостатки маховиков. В этом видео показано, что гиродины, как и маховики, нуждаются в разгрузке — когда ось подвеса не может больше поворачиваться, велосипед начинает падать:


Замена гиродина на МКС

Электромагнитная система ориентации

Магнитное поле Земли способно поворачивать стрелку компаса, значит, эту силу можно использовать для того, чтобы управлять ориентацией космического аппарата. Если поставить на спутник постоянные магниты, то действующая сила будет неуправляемой. А если поставить катушки-соленоиды, то, подавая на них ток, можно создавать нужный управляющий момент:

Три соленоида, установленных в перпендикулярных плоскостях, позволяют управлять ориентацией спутника по всем трем осям. Точнее, они обеспечивают хорошее управление по двум осям, стремясь установить аппарат как стрелку компаса. Управление по третьей оси обеспечивается изменением направления магнитного поля Земли при полете аппарата по орбите.

Электромагнитная ориентация не может быть точной из-за случайных колебаний магнитного поля Земли, и ее эффективность падает с высотой. Да и в целом, силы, создаваемые соленоидами, невелики. Также их использование ограничено небесными телами с достаточно сильным магнитным полем, например, на орбите Марса, они практически бесполезны. Зато соленоиды не содержат движущихся частей, не тратят топливо и энергетически эффективны.


Пример соленоида для космических аппаратов. Сайт производителя утверждает, что уже больше 80 соленоидов стоят на различных спутниках

Гравитационная стабилизация

Притяжение двух тел обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Поэтому, если наш спутник выдвинет длинный шест с грузом, то получившаяся «гантель» будет стремиться занять вертикальное положение, когда ее нижняя часть будет притягиваться к Земле чуть сильнее, чем верхняя. Вот компьютерное моделирование 1963 года (!), показывающее этот эффект:

В первой части видео спутник занимает устойчивое положение по оси к Земле. В реальности случайные возмущения будут нарушать идеальное равновесие, и спутник будет колебаться вокруг оси, поэтому обычно такие системы дополняют демпфером. Небольшая емкость с жидкостью будет превращать энергию колебаний в тепловую и «успокаивать» спутник.

Аэродинамическая стабилизация

Следы земной атмосферы заметны и выше ста километров, а большая скорость спутников означает, что они будут сильнее тормозиться. Обычно эта сила очень мешает, потому что спутники достаточно быстро тормозятся, спускаются еще ниже и сгорают в плотных слоях атмосферы. Но, тем не менее, это сила, которая действует всегда против вектора орбитальной скорости, и ее можно использовать. Первые эксперименты были проведены еще в 60-х. Вот, например, отечественный аппарат «Космос-149», запущенный в 1967 году:

Низкая орбита, где аэродинамические силы максимальны, негостеприимное место. Но иногда там необходимо находиться для большей точности измерений. Очень красивое решение было использовано в спутнике GOCE, который изучал гравитационное поле Земли. Низкая орбита (

260 км) сделала эффективной систему аэродинамической стабилизации, а, чтобы спутник не сгорел слишком быстро, он постоянно ускорялся небольшим ионным двигателем. Получившийся аппарат мало похож на привычные спутники, кто-то даже назвал его «спутниковым Феррари»:

Благодаря ионному двигателю GOCE смог проработать с 2009 по 2013 годы, составив самую подробную гравитационную карту Земли.

Солнечный парус

Для построения ориентации можно еще использовать давление солнечного света. Солнечный парус обычно рассматривается как способ движения, но на спутник сложной формы с антеннами и солнечными батареями Солнце тоже будет действовать. Это может рассматриваться как помеха для других систем ориентации, либо, если разработчики рассчитали моменты сил заранее, это можно использовать для помощи построения ориентации спутника. Уже в 1973 году зонд Маринер-10, отправившийся к Венере и Меркурию, использовал солнечное давление для построения ориентации аппарата. Вдохновляет находчивость Лаборатории атмосферной и космической физики — когда на телескопе «Кеплер» отказали два из четырех маховиков, лаборатория разработала способ построения ориентации при помощи двух оставшихся маховиков и солнечного давления, чтобы телескоп последовательно рассматривал четыре участка пространства в год:

Очень интересным был отечественный проект Регата-Плазма, разрабатывавшийся в 90-х годах. С помощью солнечного паруса-стабилизатора и поворачивающихся рулей аппарат занимал положение в направлении Солнца и при необходимости мог быть закручен:

Даже сейчас подобная система была бы уникальной и очень интересной, жаль, что проект был закрыт.

Заключение

Для сил, которые зависят от высоты полета, есть примерный график:

Еще одно видео с котиками и реальными гиродинами NASA.
Более сложное видео по той же теме — «Проектирование системы ориентации и стабилизации» от сообщества «Твой сектор космоса».

По тегу «Незаметные сложности» публикации о двигателях, топливе, баках, стартовых сооружениях и тому подобных интересных, но не очень заметных из-за своей привычности вещах.