Бесплатная техническая библиотека

Борьба с центробежной силой. Детская научная лаборатория

Справочник / Детская научная лаборатория

 Комментарии к статье

Поговорим 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. Давайте познакомимся с основами этой теории.

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*ω²*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).

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.

Вернемся 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*ω²=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!

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^-6кг*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+R_A*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 m_k в точку с радиус-вектором R_A равносильно изъятию груза той же массы в диаметрально противоположной точке (-R_A) (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.

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.

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=d_x+d_y (рис. 3).

(нажмите для увеличения)

Эти оси (ОХ и ОУ) следует начертить на маховике совершенно произвольно до начала балансировки. Будем компенсировать составляющие дисбаланса по очереди: сперва d_x, потом d_y. Поместив корректирующий груз в любой точке А на оси ОХ, мы не изменяем составляющую d_y - ведь OA перпендикулярна ОУ; изменяться будет только d_x. 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 d_x, уменьшите, насколько это возможно, составляющую d_y. Поскольку общий дисбаланс d=(d_x²+d_y²)^0.5, в результате он может быть совершенно ликвидирован.

Фактически, однако, ни d_x, ни d_y 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

Автор: М.Маркиш

 Рекомендуем интересные статьи раздела Детская научная лаборатория:

▪ Тепло из ниоткуда

▪ Только для ушей собаки

▪ Микроскоп из лазерной указки

Смотрите другие статьи раздела Детская научная лаборатория.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Вкус материнского молока 08.11.2008 Физиологи из Копенгагенского университета (Дания) задались вопросом: меняется ли вкус материнского молока в зависимости от того, что ела женщина? Они давали 18 кормящим матерям глотать капсулы с экстрактами тмина, мяты, банана и лакрицы, а затем через регулярные интервалы брали пробы грудного молока и с помощью хроматографии искали в них соответствующие соединения. Оказалось, что вкус банана держится в молоке не дольше часа, вкусы тмина и лакрицы достигают максимума через два часа, а затем идут на спад. Наиболее устойчив вкус ментола: он появляется через два часа и сохраняется еще шесть часов. Ни одно из соединений не держится в молоке более восьми часов. Ранее было известно, что дети женщин, пивших во время беременности или кормления грудью морковный сок, предпочитают детское питание с добавками моркови.

Другие интересные новости:

▪ Обезболивающее из самого острого вещества в мире

▪ Парадокс дельфина разрешен

▪ Растения ищут воду на слух

▪ Возможно, есть планеты, населенные разумными динозаврами

▪ Совершенствование технологии iOLED

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электричество для начинающих. Подборка статей

▪ статья Вместо вентиляционной решетки. Советы домашнему мастеру

▪ статья Как появился первый презерватив? Подробный ответ

▪ статья Радиационный контроль на загрязненной искусственными радионуклидами местности. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Автомат световых эффектов с четырьмя режимами работы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Внутреннее освещение. Групповая сеть. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025