Маховик

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к навигации Перейти к поиску
Christian Leu . Flybus flywheel-based mechanical hybrid system. 26 апреля 2011
Моторное отделение гиробуса. Справа виден трёхфазный двигатель, ниже него — картер маховика
Маховик фабричной стационарной паровой машины
Маховик со старой фабрики


Маховик (Маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии.

Также маховиком называют регулировочное колесо, похожее по форме.

Использование[править | править код]

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 (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.


Одним из первых применений гироскопического эффекта стал переход 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.

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.

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

Физика[править | править код]

Кинетическая энергия вращения, накопленная во вращающемся теле (маховике), может быть рассчитана по формуле: E = 1 2 I ω 2 E = \frac{1}{2} I \omega^2

где:

Для простых форм маховика, известны конечные выражения момента инерции

  • Для полого цилиндра I = 1 2 m ( r 2 + r o 2 ) I = \frac{1}{2} m(r^2+r_o^2)
    где   m ~m — масса полого цилиндра;   r ~r — его радиус;   r o ~r_o  — внутренний радиус цилиндра
  • Для тонкостенного цилиндра   I = m r 2 ~I = m r^2
  • Для сплошного цилиндра I = 1 2 m r 2 I = \frac{1}{2} mr^2

Заменив в формуле для полого цилиндра, угловую скорость —   ω ~\omega на частоту вращения —   S ~S по формуле   ω = 2 π S ~\omega = 2 \pi S получим E = m ( π S ) 2 ( r 2 + r o 2 ) E = m(\pi S)^2(r^2+r_o^2)

История[править | править код]

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.

[править | править код]

  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.)