Volant

Un volant ( volant ) este o roată rotativă masivă folosită ca dispozitiv de stocare ( acumulator inerțial ) de energie cinetică sau pentru a crea un moment de inerție, așa cum este folosit pe nave spațiale .

Utilizare

Este utilizat la mașinile care au un aport sau o utilizare inegal de energie, stochează energie atunci când aportul de energie este mai mare decât consumul de energie și o eliberează atunci când consumul de energie depășește aportul de energie. Folosit și în propulsia hibridă ca stocare de energie și pentru frânare regenerativă , girobusuri .

Adesea, funcția volantului este îndeplinită de un element rotativ masiv al mecanismului .

Pe lângă energie, un volant rotativ (ca orice corp rotativ) are și un moment unghiular , care este motivul observării efectului giroscopic , care constă în precesia axei de rotație în jurul direcției inițiale atunci când apare o forță externă . care nu coincide cu direcția axei de rotație.

Primul exemplu de utilizare a efectului giroscopic poate fi considerat invenția jucăriei spinning top (yo-yo).

Una dintre primele aplicații ale efectului giroscopic a fost tranziția în secolul al XIX-lea de la tragerea cu ghiulele rotunde la proiectile alungite , a căror rotație a făcut posibilă menținerea orientării lor în spațiu, iar forma alungită pentru a le crește semnificativ masa (blank) sau încărcătură explozivă cu rezistență aerodinamică egală.

Volanul este, de asemenea, rotorul giroscopului , utilizat în girobussole și în general în dispozitivele de orientare giroscopică în spațiu, în special torpile (dispozitiv Aubrey), rachete și nave spațiale. Cele mai comune exemple de volantă sunt o roată de bicicletă sau platoul rotativ al unei plăci electrice .

Proprietatea volantului de a menține direcția axei de rotație este utilizată în stabilizatorii navei .

În viața de zi cu zi, volantul este cel mai des folosit la mașini : orice motor cu piston este echipat cu un volant, combinând adesea funcții ca parte a sistemului de ambreiaj și de pornire (volantele sunt echipate cu o roată dințată pentru a transmite cuplul de la demaror ). Pe lângă scoaterea mecanismului manivelei din punctul mort, volantul din motor reduce denivelările de rotație la un nivel acceptabil, ceea ce mărește resursa de transmisie (restul denivelărilor este amortizată de arcurile amortizoare a vibrațiilor de torsiune sau de transmisia automată). ambreiaj, apoi cauciuc torus și cuplaje vâscoase).

Fizica

Energia cinetică de rotație acumulată într-un corp rotativ (volan) poate fi calculată prin formula:

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

Unde:

$eu$ - momentul de inerție al masei în jurul axei de rotație a volantului
$\omega$ ( omega ) este viteza unghiulară în radiani pe secundă

Pentru formele simple de volant, se cunosc expresii finite pentru momentul de inerție

Pentru cilindru gol $I={\frac {1}{2}}m(r^{2}+r_{o}^{2})$ unde este masa cilindrului tubular; - raza acestuia; este raza interioară a cilindrului $m$ $r$ $r_{o)$
Pentru cilindru cu pereți subțiri $I=mr^{2}$
Pentru cilindru solid $I={\frac {1}{2}}mr^{2}$

Înlocuirea vitezei unghiulare în formula pentru un cilindru gol cu frecvența de rotație conform formulei $\omega$ $f$

\omega =2\pi f

primim

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

Istorie

Efectul de volant a fost folosit din cele mai vechi timpuri. De exemplu, într-o roată de olar , morile de vânt . Probabil că unul dintre cele mai vechi exemple de utilizare a unui volant a fost o descoperire arheologică din Mesopotamia (lângă orașul Ur ) - o mașină de ceramică cu un disc de lut ars, de aproximativ un metru în diametru și cântărind cel puțin un centr . Invenții similare au apărut în mod repetat în China . [unu]

Potrivit medievalistei americane Lynn White , călugărul german Theophilus menționează în tratatul său „Despre diverse arte” mai multe mașini care folosesc un volant [2] .

În timpul Revoluției Industriale , James Watt a folosit un volant într-o mașină cu abur pentru a egaliza mișcarea și a depăși pozițiile moarte ale pistonului [3] , iar contemporanul său James Pickard a folosit un volant în combinație cu un mecanism manivelă pentru a transforma mișcarea alternativă în mișcare de rotație [4] .

În anii 20-30 ai secolului XX, inventatorul sovietic A. G. Ufimtsev a folosit pentru prima dată în lume [5] o baterie inerțială la prima centrală eoliană din Rusia , construită de el la Kursk .

Utilizarea volantului ca acumulator de energie este limitată de faptul că atunci când viteza circumferențială admisă este depășită, volantul se rupe, ducând la mari distrugeri. Acest lucru obligă la crearea unor volante cu o marjă de siguranță foarte mare, ceea ce duce la scăderea eficienței acestora.

Consecința acestui lucru este un consum specific de energie mic (comparativ cu alte tipuri de baterii ).

Exemplu

Valoarea limită a vitezei unghiulare a volantului este determinată de rezistența la rupere a materialului volantului . Este ușor de arătat că pentru un volant sub formă de disc rotativ , unde este rezistența la tracțiune a materialului volantului (forța de rupere pe unitatea de suprafață), este volumul discului. Pentru cuarț topit N/m2. Intensitatea energetică a unui volant din cuarț topit cu un volum de m3 și o greutate de kg va fi egală cu intensitatea energetică a l benzinei [6] . $\omega$ ${\frac {1}{2}}I\omega ^{2}={\frac {V}{4}}S_{max}$ $S_{max}$ $V$ $S_{max}=3\times 10^{9}$ $0,1$ $200$ $13$

Superflywheel

În mai 1964, N.V. Gulia a solicitat inventarea unui super volant - un volant consumator de energie și rezistent la explozie. Spre deosebire de clasicul volant monolitic, supervolantul este bobinat dintr-o bandă subțire, sârmă sau fibre sintetice , care au o rezistență specifică semnificativ mai mare decât o piesă monolitică (turnare sau forjare), astfel încât consumul de energie al unui astfel de volant este mult mai mare ( conform inventatorului, până la 1,8 MJ/kg). În plus, în cazul unei rupturi a supervolantului, nu se formează fragmente mari: capetele benzii sau fibrelor rupte încep să încetinească împotriva carcasei, iar volantul se oprește treptat.

Vezi și

Note

↑ Rodionov V. G. Optimizarea structurii capacităților generatoare. Baterii - stocare energie // Energie: probleme ale prezentului și oportunități pentru viitor. - M. : ENAS, 2010. - S. 65. - 352 p. - ISBN 978-5-4248-0002-3 .
↑ Lynn White, Jr., „Theophilus Redivivus”, Tehnologie și cultură, voi. 5, nr. 2. (Primăvara, 1964), Revista, pp. 224-233 (233)
↑ Ella Tsygankova La originile designului . Consultat la 11 iunie 2008. Arhivat din original pe 23 octombrie 2007. (nedefinit)
↑ Encyclopedia of the Industrial Revolution, 1750-2007: Steam Engine Arhivat 6 octombrie 2008 la Wayback Machine
↑ Centrală eoliană - articol din Marea Enciclopedie Sovietică .
↑ Orir J Fizica. Volumul 1. - M., Mir, 1981. - p. 167

Link -uri

Gulia N. V. În căutarea unei „capsule energetice” . - M . : Literatura pentru copii, 1984. - 144 p.
Alexandru Nikonov. „Viața și aventurile uimitoare ale lui Nurbey Gulia – profesor de mecanică”
Consecințele distrugerii volantelor din fabrici