Сегодня мы расскажем вам о физическом явлении, доставляющем всем моделистам и техникам много неприятностей. Имя ему — дисбаланс. Предложим и оружие, которым можно его одолеть.
КОМУ ОНА МЕШАЕТ?
Что такое центробежная сила, знают даже те, кто еще не изучал механику. Всем ведь приходилось вертеть на пальце игрушку, привязанную ниткой. Сила, с которой игрушка тянет вас за палец, и есть центробежная. Более строго говоря, центробежная сила — это сила воздействия на ось вращения со стороны вращающегося тела. Подобные силы сопровождают всякое вращение. Но кому же понадобилось бороться с ними и зачем? На этот вопрос в первую очередь может ответить тот, кто сам стирает белье в стиральной машине. Вспомним, как отжимают белье при машинной стирке. Если белье внутри вращающегося барабана — центрифуги — плохо уложено, машина начинает дрожать и громыхать так, словно хочет превратиться в маленький автомобиль. Кто же толкает ее изнутри? Конечно же, центробежная сила, действующая со стороны сбившегося в ком белья. Приходится ее укрощать — останавливать машину и укладывать белье более равномерно. Хорошо еще, что центрифуга вращается не слишком быстро: 300-500 об/мин, поэтому ее можно остановить одним нажатием кнопки. А ведь в технике мы то и дело сталкиваемся со значительно большими скоростями вращения и огромными вращающимися массами. Тогда неуравновешенные центробежные силы могут причинить серьезный вред. Они вызывают вибрацию, увеличивают трение и износ подшипников. В результате машина быстро выходит из строя. В некоторых случаях центробежная сила может вообще не позволить валуна брать нужную скорость вращения.
Проведем маленький эксперимент: возьмем микроэлектродвигатель и присоединим его контакты к полюсам батарейки. Прислушайтесь к тоненькому жужжанию вращающегося ротора: его угловая скорость — около 70 об/с. А теперь попробуем снабдить мотор маховиком. Для начала грубо, от руки вырежьте из ластика колесико, на глаз наметьте карандашом его центр и небольшим усилием насадите на вал. Включим двигатель. Чувствуете, как забился он у вас в руке, как изменился звук по сравнению с прежним? Он стал гораздо ниже, потому что скорость вращения ротора снизилась в 5-10 раз. Всему виной неуравновешенная центробежная сила, создаваемая резиновым маховиком.
Теперь понятно, для чего бороться с центробежными силами. Как же от них избавиться — вернее, от их нежелательного действия?
Уравновешивание центробежных сил, приложенных к вращающемуся телу, называется в технике балансировкой. Простейший пример балансировки — укладка белья в центрифуге стиральной машины.
ПОГОНЯ ЗА ВРАЩАЮЩИМСЯ ВЕКТОРОМ
К сожалению, в огромном большинстве случаев балансировка — дело куда более сложное. Теория балансировки роторов была разработана сравнительно недавно — в 1935 году — замечательным ученым, механиком и кораблестроителем А. Н. Крыловым, рассказ о котором вы читали в «ЮТ» № 3 за 1983 год. Давайте познакомимся с основами этой теории.
Видео:Галилео. Эксперимент. Центробежная силаСкачать
Пусть небольшое тело массы m (материальная точка) вращается но окружности, совершая n оборотов в минуту. В механике скорость вращения принято измерять углом поворота за одну секунду; эта величина называется угловой скоростью и обозначается греческой буквой ω (омега). В одной минуте — 60 с, в одном обороте — 2Pi радиан, поэтому ω = 2Pi*n/60=0,1 n.
Обозначим через R вектор, направленный от оси к вращающемуся телу. Его длина равна радиусу окружности вращения, поэтому R называют радиус-вектором (рис. 1).
Оказывается, вектор центробежной силы F получается умножением радиус-вектора на массу тела и на квадрат угловой скорости: F=m*ω 2 *R (понятно, что векторы F и R направлены одинаково). Согласно III закону Ньютона такую же величину, но противоположное направление имеет центростремительная сила, приложенная к вращающемуся телу и удерживающая его на окружности. Если тело не может быть представлено как материальная точка (таково большинство тел), центробежная сила вычисляется в точности так же, но вместо R берется r — радиус-вектор центра масс тела (рис. 1).
Читайте также: Компрессор от холодильника как использовать в самоделках
Центр масс — это точка, в которой как бы сосредоточена вся масса тела. У симметричных тел (например, цилиндра или шара) центр масс совпадает с центром симметрии. Однако изготовить идеально симметричное тело невозможно, поэтому положение центра масс никогда точно не известно. Именно из-за этого возникает необходимость в балансировке вращающихся тел.
Произведение двух сомножителей — радиус-вектора центра масс и массы тела — принято называть вектором дисбаланса или просто дисбалансом: d=m*r. Дисбаланс измеряется в кг*м. Он обращается в нуль только тогда, когда ось вращения проходит через центр масс. При вращении тела вектор дисбаланса вращается вместе с ним. так что его направление совпадает с центробежной силой.
Вернёмся к нашему опыту с маховиком и попробуем рассчитать дисбаланс и центробежную силу. Пусть масса маховика m=30г, а расстояние от оси до центра масс r=2 мм. Величина дисбаланса составляет в этом случае 0,002*0,03=6*10 -5 кг. Казалось бы, очень немного. Но предположим теперь, что ротор вращается со скоростью 4500 об/мин (именно такова скорость вращения обычного микроэлектродвигателя). Тогда ω=450 рад/с, и центробежная сила F=d*ω 2 =12Н. Такая нагрузка непомерно велика для микродвигателя: сила трения в подшипниках вообще не даст ротору вращаться. Даже с таким маленьким маховиком, если он разбалансирован, микродвигатель не способен набрать своей номинальной скорости!
Видео:Центробежной силы не существует? | Море ЯсностиСкачать
Какое значение дисбаланса допустимо, а какое нет, зависит главным образом от конструкции и скорости вращения ротора. Тихоходная гидравлическая турбина массой в десятки тонн без малейшего ущерба может иметь дисбаланс величиной 10 кг*м, а вот газовой турбине, для которой и 30 тыс. об/мин не предел, даже 10 -6 кг*м — многовато.
Посмотрите на рисунок 2. Здесь изображено колесо радиуса R с дисбалансом d. Допустим, что мы можем размешать дополнительные корректирующие грузы на ободе колеса, например налеплять пластилиновые шарики. Тогда компенсировать дисбаланс очень просто: достаточно поместить в точке А кусочек пластилина массы mk=d/R. B самом деле, теперь дисбаланс колеса будет равен нулю: d=d+RA*d/R=d-d. Заметим, что радиус R можно выбрать любым, но при этом будет меняться и масса корректирующего груза. И наоборот, если задана масса m’k>=d/R, то дополнительный груз нужно разместить на расстоянии d/m’k от центра.
Присмотритесь повнимательнее к колесам легковых автомобилей. На ободах некоторых из них вы увидите небольшие овальные грузики. Теперь вам должно быть понятно их назначение. Чаще, однако, корректирующие массы не добавляют, а изымают. Ведь добавление груза массы mk в точку с радиус-вектором RA равносильно изъятию груза той же массы в диаметрально противоположной точке (-RA) (рис. 2). В технике часто так и поступают: в нужной точке высверливают неглубокое отверстие, не нарушающее прочности балансируемой детали, убирая тем самым требуемую массу. Такие отверстия часто можно видеть на маховиках и роторах электродвигателей.
БАЛАНСИРОВОЧНЫЙ СТАНОК НА ВАШЕМ СТОЛЕ
Балансировать различные вращающиеся детали приходится вовсе не только на машиностроительных заводах и в авторемонтных мастерских. С такой задачей вполне может столкнуться в своей работе каждый юный техник или моделист. Во многих моделях присутствует маховик. Это очень полезная деталь: маховик способен сглаживать неравномерность работы двигателя. Неуравновешенный маховик, напротив, вызовет сильную вибрацию и не даст мотору набрать обороты. Всеми достоинствами маховика можно пользоваться, лишь тщательно его отбалансировав.
Читайте также: Ремонт компрессора кондиционера ленд ровер дискавери 3
В этом вам поможет простой станок, который мы предлагаем вашему вниманию. Он представляет собой плоскую, закрепленную с одного конца пружину, на которой установлен микродвигатель с балансируемым маховиком (рис. 3). В качестве пружины можно взять контактную пластину от старого реле. К ее концу следует прикрепить длинную и легкую лучинку или соломинку с заостренным концом.
Включите мотор: тотчас же начнется вибрация, о величине которой сообщит размах колебаний острия соломинки. Для его измерения поместите возле острия прозрачную линейку с миллиметровой шкалой. По мере раскручивания двигателя этот размах будет то возрастать, то снова убывать. Возможно, что при максимальных оборотах острие окажется почти неподвижным. Не потому, конечно, что центробежная сила исчезла: просто чувствительность пружины к высокочастотной вибрации сравнительно невелика. По этой причине измеряют наибольший размах колебаний острия «на выбеге» — во время торможения двигателя после отключения питания. Длину соломинки, толщину пружины и место установки на ней двигателя необходимо подобрать так, чтобы размах был как можно большим, тем самым выше будет чувствительность вашего прибора.
Видео:Борьба в кругу. Ось вращения. Центробежная сила. Дошк.Скачать
Итак, величина дисбаланса измеряется размахом колебании острия соломинки. Разумеется, мы не знаем, какая величина дисбаланса точно соответствует, скажем, размаху в 7 мм (у нашего прибора нет проградуированнои шкалы), но можем сказать с уверенностью, что чем больше размах, тем больше и дисбаланс.
Теперь нужно запастись пластилином и приступить к балансировке. Однако прежде наметим план «погони» за вектором дисбаланса. Представим его в виде суммы проекций на две перпендикулярные оси: d=dx+dy (рис. 3). Эти оси (ОХ и ОУ) следует начертить на маховике совершенно произвольно до начала балансировки. Будем компенсировать составляющие дисбаланса по очереди: сперва dx, потом dy. Поместив корректирующий груз в любой точке А на оси ОХ, мы не изменяем составляющую dy — ведь OA перпендикулярна ОУ; изменяться будет только dx. Перемещая кусочек пластилина по оси ОХ, найдите такое его положение, при котором размах острия (а вместе с ним и дисбаланс) наименьший. Если эта точка окажется вблизи от обода маховика, возьмите кусочек побольше; если вблизи от центра — поменьше. Только учтите, что перемещать пластилиновый грузик нужно, не снимая маховик с оси. Вообще, если после начала балансировки вы почему-либо измените положение маховика на оси, балансировку придется начинать сначала.
Добившись минимального размаха движений соломинки, возьмите другой кусочек пластилина и повторите ту же самую процедуру, только теперь с осью ОУ (первый грузик, конечно, должен оставаться на своем месте). Тем самым вы, не изменяя составляющей дисбаланса dx, уменьшите, насколько это возможно, составляющую dy. Поскольку общий дисбаланс d=(dx 2 +dy 2 ) 0.5 , в результате он может быть совершенно ликвидирован.
Фактически, однако, ни dx, ни dy не компенсируются с абсолютной точностью, поэтому нельзя ожидать полного исчезновения вибрации. Чтобы свести ее к минимуму, коррекцию составляющих дисбаланса проводят несколько раз подряд. Кроме того, и само измерение можно произвести по-другому: сначала определить направление дисбаланса, а затем уж скомпенсировать его. Подумайте, как это сделать, а потом напишите нам.
М. МАРКИШ, инженер
Рисунки М. СИМАКОВА
Центробежный безопорный движитель 1
Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для создания устройств преобразования вращающегося движения ведущего вала двигателя в линейное тяговое усилие без опоры на внешнюю среду.
Термины и определения, используемые в описании изобретения:
Дебаланс — некомпенсированная центробежная сила; разница между центробежными силами двух тягал расположенных на прямой линии с разных сторон от оси их вращения; линейное тяговое усилие.
Дисбаланс — эксцентриситет орбиты тягал; расстояние между геометрическим центром обечайки и центром вращения тягал.
Обечайка — кольцо, ограничивающее движение тягал и удерживающее их на заданной орбите.
Тягало — груз, создающий центробежную силу при вращении внутри обечайки.
Шток — стержень, обеспечивающий вращательное движение тягало внутри обечайки.
Видео:Магия вращательного движения, или Центробежная сила, которой не существуетСкачать
Читайте также: Датчик распределительного вала соболь
Основные элементы конструкции безопорного движителя обеспечивающие заявляемый эффект представлены на рисунке.
На корпусе устройства (п.1) методом жёсткого крепления устанавливаются две обечайки (п.2) таким образом, чтобы их геометрические центры совпадали между собой и не совпадали с центром вращения штоков, редуктор (не показан), ведущий вал (не показан) с возможностью свободного вращения вокруг собственной оси, передающий вращательный момент редуктору, который обеспечивает синхронное вращение двух своих выходных валов в противоположных направлениях.
На выходных валах редуктора с противоположных сторон жёстко крепятся держатели (п.3), внутри которых размещаются штоки (п.4), так чтобы они могли в них свободно двигаться по траектории профиля обечайки. На штоках жёстко крепятся, тягала (п.5).
Геометрический центр обечайки смещён относительно центра вращения держателей штоков на величину определяющую дисбаланс конструкции. Профиль обечайки выбирается таким образом, чтобы обеспечивалось условие, при котором все хорды её окружности, проходящие через центр вращения штоков, были равны между собой.
При передаче вращательного движения на вал, а через него на держатели штоков последние синхронно приводятся во вращение в противоположных направлениях. Благодаря тому, что геометрический центр обечайки смещён относительно центра вращения штоков, который совпадает с центром вращения держателей штоков, в конструкции существует направление, при котором создаётся максимальная разница центробежных сил на концах штоков.
В точке максимального удаления одного из концов штока от центра своего вращения создаётся некомпенсированная центробежная сила, которая, воздействуя на обечайку, передаёт корпусу движителя линейное тяговое усилие, направленное в сторону предполагаемого движения.
В качестве теоретического обоснования работоспособности предлагаемого устройства используются известные законы механики вращательного движения.
Известна зависимость центробежной силы от параметров вращательного движения:
F(цб) = m * w^(2) * R
F(цб) – центробежная сила (Н);
m – масса, вращающегося на орбите тела (кг);
w – угловая скорость вращения (рад/с);
R – радиус вращения тела (м).
Если два тела с одинаковой массой находятся на одной радиальной прямой с противоположных сторон от центра вращения, то дебаланс этой пары определяется как разница между их центробежными силами:
Видео:Центробежная силаСкачать
D(цб) = dF(цб) = m * w^(2) * dR
D(цб) – дебаланс (Н);
dF(цб) — разница центробежных сил двух тягал, по направлению дисбаланса конструкции (Н);
dR – дисбаланс конструкции (м).
Если, например, частота вращения тягал массой по 0,1 кг каждое равна 314 рад/с (3000 об/мин), а дисбаланс 0,2 м то, центробежный безопорный движитель создаст дебаланс:
D(цб) = 0,1 * 314(2) * 0,2 = 1972 Н = 201 кгс
Иными словами одно тягало массой в 100 грамм, будет создавать линейное тяговое усилие в 200 кгс, обеспечивая взлётный вес транспортного средства до 190 кг в случае установки на нем предлагаемого устройства.
Технический результат, который достигается при использовании изобретения – «центробежный безопорный движитель», является возможность создания транспортных средств, способных перемещаться в любых направлениях и средах без опоры на них, при этом обеспечивается максимальная эффективность использованных для этого двигателей. Так для перемещения летательного аппарата без крыльев и лопастей массой в 2 тонны на высотах до 3 км со скоростью до 500 км/ч достаточна суммарная мощность всех двигателей установленных на аппарате не более 25 кВт.
- Свежие записи
- Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
- Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
- Какие моторы бывают у стиральных машин
- Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
- Как снять стопорную шайбу с вала
источники:Видео:Центробежная силаСкачать
https://evakuatorinfo.ru/tsentrobezhnaya-sila-pri-vraschenii-vala
📹 Видео
Что такое центробежная сила? Силы инерцииСкачать
Сила КориолисаСкачать
Галилео. Эксперимент. Центробежная сила и пламяСкачать
Загадки центробежного насосаСкачать
центробежная силаСкачать
Принцип действия центробежных механизмов, 1972Скачать
Гравитация и центробежная силаСкачать
9 НЕВЕРОЯТНЫХ ТРЮКОВ С ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛОЙ (Видеожара 2019)Скачать
Центробежной силы не существует? Часть 1Скачать
Центробежная сила или нет?Скачать
Центробежная сила или что то другое? ЭкспериментСкачать
Центробежная сила! Это Должен Знать Каждый Водитель [Автошкола RED]Скачать
Центробежная и центростремительная силыСкачать
Действие центробежной силы на уклоне дорогиСкачать
![Центробежная сила! Это Должен Знать Каждый Водитель [Автошкола RED]](https://i.ytimg.com/vi/Q_GEY4eESqs/0.jpg)
