Маховое колесо

Маховик

Маховик со сферическими грузами, построенный по чертежам Леонардо да Винчи. Кадр из видео.

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

Также маховиком называют регулировочное колесо, похожее по форме.

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:

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

где:

• $~I$ — момент инерции массы относительно оси вращения маховика
• $~\omega$ (Омега) — угловая скорость в радианах в секунду

Для простых форм маховика, известны конечные выражения момента инерции

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

  где $~m$;— масса цилиндра; $~r$;— его радиус; $~r_o$ — внутренний радиус цилиндра

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

Заменив в формуле для полого цилиндра, угловую скорость — $~\omega$ на частоту вращения — $~S$ по формуле

$~\omega = 2 \pi S$

получим

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

История

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

Маховик со старой фабрики

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

• Супермаховик
• Гироскоп
• Гиродин
• Йо-йо

Ссылки

• Нурбей ГУЛИА. «В поисках „энергетической капсулы“»
• Александр Никонов. «Жизнь и удивительные приключения Нурбея Гулиа — профессора механики»
• Последствия разрушения маховиков на мануфактурах

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.)