Маховик ( маховое колесо ) — массивное вращающееся колесо , использующееся в качестве накопителя ( инерционный аккумулятор ) кинетической энергии или для создания инерционного момента, как это используется на космических аппаратах .

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 , гиробусах и гировозах - взрывобезопасных шахтных локомотивах .

Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма .

Помимо энергии, вращающийся маховик (как и любое вращающееся тело) обладает ещё и моментом импульса , с чем связано наблюдение гироскопического эффекта , заключающегося в прецессии оси вращения вокруг своего первоначального направления при появлении внешней силы, не совпадающей с направлением оси вращения.

Первым примером использования гироскопического эффекта можно считать изобретение игрушки « волчок » («йо-йо»).

Одним из первых применений гироскопического эффекта стал переход в XIX веке от стрельбы круглыми ядрами к продолговатым снарядам , вращение которых позволило сохранять их ориентацию в пространстве, а продолговатая форма — значительно увеличить их массу (болванка) или же разрывной заряд при равном аэродинамическом сопротивлении.

Маховиком является и ротор гироскопа , используемого в гирокомпасах и вообще в гироскопических устройствах ориентации в пространстве, в частности торпед (прибор Обри), ракет и космических аппаратов. Наиболее привычные примеры маховика — велосипедное колесо или вращающийся диск электро-проигрывателя виниловых пластинок.

Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в успокоителях качки корабля.

В повседневной жизни маховик наиболее часто применяется на автомобилях : любой поршневой двигатель снабжён маховиком, часто совмещающим функции как часть сцепления и системы пуска (маховики снабжают зубчатым венцом для передачи момента от стартера ). Кроме вывода кривошипно-шатунного механизма из мёртвой точки, маховик в двигателе снижает неравномерность вращения до приемлемой, что увеличивает ресурс трансмиссии (оставшаяся часть неравномерности гасится пружинами демпфера крутильных колебаний или муфтой АКПП, затем торовыми резиновыми и вискомуфтами).

Физика

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

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

где:

• ${\displaystyle I}$ — момент инерции массы относительно оси вращения маховика
• ${\displaystyle \omega }$ ( омега ) — угловая скорость в радианах в секунду

Для простых форм маховика известны конечные выражения момента инерции

• Для полого цилиндра ${\displaystyle I={\frac {1}{2}}m(r^{2}+r_{o}^{2})}$

  где ${\displaystyle m}$ — масса полого цилиндра; ${\displaystyle r}$ — его радиус; ${\displaystyle r_{o}}$ — внутренний радиус цилиндра

• Для тонкостенного цилиндра ${\displaystyle I=mr^{2}}$
• Для сплошного цилиндра ${\displaystyle I={\frac {1}{2}}mr^{2}}$

Заменив в формуле для полого цилиндра угловую скорость ${\displaystyle \omega }$ на частоту вращения ${\displaystyle f}$ по формуле

${\displaystyle \omega =2\pi f}$

получим

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

История

Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например в гончарном круге , ветряных мельницах . Вероятно, одним из древнейших примеров использования маховика стала археологическая находка из Междуречья (в районе города Ур ) — гончарный станок с диском из обожжённой глины, около метра в поперечнике и весом не менее центнера . Подобные изобретения неоднократно появлялись и в Китае .

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

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

В 20-30-х годах XX века советский изобретатель А. Г. Уфимцев впервые в мире применил инерционный аккумулятор на первой в России ветроэлектростанции , построенной им в Курске .

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.

Пример

Предельное значение угловой скорости маховика ${\displaystyle \omega }$ определяется прочностью материала маховика на разрыв . Нетрудно показать, что для маховика в форме вращающегося диска ${\displaystyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}={\frac {V}{4}}S_{max}}$ , где ${\displaystyle S_{max}}$ — предел прочности материала маховика на разрыв (сила разрыва на единицу площади), ${\displaystyle V}$ — объём диска. Для плавленого кварца ${\displaystyle S_{max}=3\times 10^{9}}$ Н/м2. Энергоемкость маховика из плавленого кварца объёмом ${\displaystyle 0,1}$ м3 и весом ${\displaystyle 200}$ кг будет равна энергоемкости ${\displaystyle 13}$ л бензина .

Супермаховик

В мае 1964 года Н. В. Гулия подал заявку на изобретение супермаховика — энергоёмкого и разрывобезопасного маховика. В отличие от классического монолитного маховика, супермаховик намотан из тонкой ленты, проволоки или синтетических волокон , которые обладают значительно большей удельной прочностью, чем монолитная деталь (отливка или поковка), поэтому энергоемкость такого маховика значительно выше (по утверждению изобретателя, до 1,8 МДж/кг). Кроме того, в случае разрыва супермаховика не образуется крупных осколков: концы разорванной ленты или волокон начинают тормозиться о кожух, и маховик постепенно останавливается.

См. также

• Супермаховик
• Гиробус
• Гироскоп
• Гиродин
• Йо-йо
• Моменты инерции некоторых тел

Примечания

Ссылки

• Гулиа Н. В. . — М. : Детская литература, 1984. — 144 с.
• [www.lib.ru/NEWPROZA/NIKONOW/gulia.txt Александр Никонов. «Жизнь и удивительные приключения Нурбея Гулиа — профессора механики»]

Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым). Список проблемных ссылок