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:

▪ Физика ледяного кубика

▪ Подводная молния

▪ Астрономический прибор Наблюдатель

Смотрите другие статьи раздела Детская научная лаборатория.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Глазные капли, возвращающие молодость зрению 05.10.2025

С возрастом человеческий глаз постепенно теряет способность четко видеть на близком расстоянии - развивается пресбиопия, или возрастная дальнозоркость. Этот естественный процесс связан с утратой эластичности хрусталика и ослаблением цилиарной мышцы, отвечающей за фокусировку. Миллионы людей по всему миру сталкиваются с необходимостью носить очки для чтения или прибегают к хирургическим методам коррекции. Однако исследователи из Центра передовых исследований пресбиопии в Буэнос-Айресе представили решение, которое может стать удобной и неинвазивной альтернативой - специальные глазные капли, способные улучшать зрение на длительный срок. Разработку возглавила Джованна Беноцци, директор Центра. По ее словам, цель исследования состояла в том, чтобы предоставить пациентам с пресбиопией эффективный и безопасный способ коррекции зрения без хирургического вмешательства. Новые капли, созданные на основе пилокарпина и диклофенака, показали убедительные результаты: уже через час после первого пр ...>>

Цифровая рация Xiaomi Digital Walkie Talkie 05.10.2025

Компания Xiaomi представила современное устройство, объединившее классические принципы радиосвязи с возможностями цифровых технологий. Новинка под названием Xiaomi Digital Walkie Talkie демонстрирует, как привычные рации могут быть переосмыслены в духе времени. Устройство оснащено цветным дисплеем диагональю 1,57 дюйма, который отображает список контактов, параметры соединения и даже примерное местоположение собеседника. Такой подход превращает стандартную рацию в компактное средство связи, сочетающее функциональность смартфона и устойчивость профессиональной техники. Одним из ключевых преимуществ стала высокая автономность. Встроенный аккумулятор емкостью 2500 мА·ч обеспечивает до 100 часов работы в режиме ожидания и около 14 часов непрерывных разговоров, что особенно важно в экспедициях, на дальних маршрутах или в зонах, где подзарядка невозможна. Согласно данным портала unionrayo.com, такое время работы выгодно отличает устройство от большинства аналогов. По дальности дейст ...>>

Открыт обращаемый драйвер старения 04.10.2025

Недавняя работа ученых из Сямэньского университета в Китае показала, что в гипоталамусе, главном регуляторе внутренних функций организма, кроется один из ключей к продлению молодости. Команда под руководством Лиге Ленга обнаружила, что снижение уровня белка менина в гипоталамусе связано с ускорением процессов старения. Менин, как выяснилось, играет важную роль в предотвращении воспаления и поддержании нормальной работы нейронов. Когда его уровень снижается, в мозге возрастает активность воспалительных сигналов, что запускает цепную реакцию возрастных изменений во всем организме - от ослабления когнитивных функций до потери плотности костей и истончения кожи. Чтобы понять, как именно менин влияет на старение, ученые вывели генномодифицированных мышей, у которых этот белок можно было выборочно отключить. Даже у молодых животных такое вмешательство быстро привело к ухудшению памяти, снижению прочности костей и эластичности кожи, а также к укорочению жизни. Эти результаты убедительно ...>>

Случайная новость из Архива Шум против шума 07.03.2007 Около полувека назад инженеры американской фирмы "RCA" предложили оригинальный способ борьбы с шумом: генерировать точно такой же звук, но в противофазе, и звуковые волны взаимно уничтожатся (так называемое активное гашение). Только в наше время удалось осуществить эту идею, так как в 50-х годах прошлого века не существовало электроники, которая могла бы справиться со сложной задачей. Одна из вилл, построенных в Милане (Италия) всего в 500 метрах от местного аэропорта, защищена от шума самолетов "решеткой" из микрофонов и динамиков. Уловленный микрофонами рев двигателей переводится компьютером в противофазу и излучается динамиками. В результате создается сравнительно спокойная зона размерами 5 на 5 на 10 метров, где шум ослаблен на 5-10 децибел.

Другие интересные новости:

▪ Выхлопные газы в самолете

▪ Синхронные DC-DC регуляторы Texas Instruments LM76002/3

▪ Смартфоны продаются лучше обычных сотовых телефонов

▪ Cверхчувствительная электронную кожа

▪ Аккумулятор из медной пены

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Передача данных. Подборка статей

▪ статья Строим модели ракет. Советы моделисту

▪ статья Могут ли у человека с рождения отсутствовать отпечатки пальцев? Подробный ответ

▪ статья Водитель мусоровоза. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Порошки для стирки. Простые рецепты и советы

▪ статья Простейший резонансный волномер. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025