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:

▪ Определимся без гироскопа

▪ Телескоп без единого стекла

▪ Микроскопы Левенгука

Смотрите другие статьи раздела Детская научная лаборатория.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Биопластик из отходов хлеба и авокадо 28.01.2026

Проблемы пищевых отходов и загрязнения окружающей среды пластиком все чаще рассматриваются как взаимосвязанные вызовы современности. Ученые по всему миру ищут решения, которые позволили бы одновременно сократить объем выбрасываемых продуктов и заменить традиционные полимеры экологически безопасными материалами. В этом контексте особенно интересны разработки, использующие то, что раньше считалось бесполезным мусором. Исследовательская группа из Австралии предложила технологию превращения пищевых отходов в биопластиковые пленки, применяя кожуру авокадо, черствый хлеб и крахмал саговой пальмы. Работа была выполнена учеными Университета Дикина, а ее результаты опубликованы в журнале Matter, о чем сообщил Anthropocene Magazine. По словам авторов, метод изначально разрабатывался как масштабируемый и экономически оправданный, чтобы его можно было внедрять в промышленность без существенных затрат. Австралийские исследователи подчеркивают, что полученные материалы потенциально пригодны не ...>>

Смартфон NexPhone на трех операционных системах 28.01.2026

Идея объединить смартфон и персональный компьютер в одном устройстве давно волнует инженеров и пользователей, однако до сих пор такие проекты оставались нишевыми или компромиссными. Компания Nex Computer решила подойти к этой задаче радикально и представила NexPhone - смартфон, который позиционируется как полноценная альтернатива ПК. Его ключевая особенность заключается в одновременной поддержке сразу трех операционных систем, каждая из которых рассчитана на свой сценарий использования. В NexPhone реализована система мультизагрузки, позволяющая работать с Android 16, Linux на базе Debian и Windows 11. Android 16 выступает основной мобильной платформой и предназначен для повседневных задач, таких как общение, мультимедиа и приложения. Linux запускается как отдельная рабочая среда, ориентированная на разработчиков и пользователей, привыкших к классическим настольным инструментам. Windows 11 устанавливается во второй раздел накопителя и требует перезагрузки устройства, но именно она до ...>>

Солнечный свет помогает мозгу работать быстрее 27.01.2026

Влияние света на самочувствие человека давно интересует ученых, однако лишь в последние годы стало возможным изучать этот эффект вне строгих лабораторных условий. Современные носимые датчики и мобильные приложения позволяют наблюдать, как освещение в повседневной жизни отражается на внимании, памяти и уровне бодрствования. Именно таким путем пошли исследователи из Манчестерского университета, решив выяснить, какую роль играет дневной свет в поддержании когнитивной активности. В ходе исследования 58 добровольцев на протяжении недели носили специальные сенсоры, фиксирующие интенсивность окружающего освещения. Параллельно участники выполняли задания в приложении Brightertime, которое оценивало их внимание, скорость реакции, рабочую память и субъективную сонливость. Для этого использовались шкала сонливости Каролинского университета, тест на бдительность, трехзадачный тест памяти и задания на визуальный поиск, что позволяло отслеживать изменения когнитивной производительности практическ ...>>

Случайная новость из Архива Наушники Sony LinkBuds Clip 23.01.2026 Sony представила новую модель беспроводных наушников - LinkBuds Clip. Они заметно отличаются от классических устройств. Это открытые наушники с клипсой, которые не вставляются в ушной канал и не охватывают ухо. Вместо этого они фиксируются на ухе, как кафф или ювелирное украшение, позволяя слушать музыку, не отсекая окружающие звуки. Это открытые наушники с клипсовым креплением, которые не вставляются в ушной канал и не охватывают ухо целиком. Они фиксируются на внешней части уха, напоминая кафф или декоративный аксессуар, и позволяют слушать музыку, не перекрывая естественные звуки окружающей среды. В основе модели лежит концепция open-ear, благодаря которой пользователь одновременно слышит воспроизводимый контент и то, что происходит вокруг - шум транспорта, объявления или речь собеседников. По утверждению Sony, такая "всегда открытая" конструкция особенно удобна для повседневного длительного использования, поскольку отпадает необходимость каждый раз ставить воспроизведение на паузу или снимать наушник, чтобы вступить в разговор. Физически LinkBuds Clip удерживаются на ухе с помощью С-образной рамки, которая распределяет давление и снижает усталость при продолжительном ношении. Производитель подчеркивает, что форма разрабатывалась с учетом анатомии уха. Для более точной посадки в комплект включены сменные элементы фиксации, позволяющие адаптировать наушники под индивидуальные особенности пользователя. Хотя Sony не стала первопроходцем в клипсовом формфакторе - ранее похожие идеи реализовывались в Bose Ultra Open Earbuds, а также в Moto Buds Loop от Motorola, - компания предложила собственное прочтение этой концепции в рамках популярной серии LinkBuds. Акцент сделан не только на дизайн, но и на интеграцию фирменных программных решений. Функциональные возможности модели во многом компенсируют ограничения открытой конструкции. Sony LinkBuds Clip поддерживают три режима прослушивания: Standard для музыки, Voice Boost для повышения разборчивости речи в шумной обстановке и Sound Leakage Reduction, предназначенный для снижения утечки звука в тихих помещениях. Через приложение Sony Sound Connect доступны 10-полосный эквалайзер, апскейлинг DSEE, многоточечное подключение Bluetooth и сенсорное управление. Для голосовой связи Sony использует комбинацию датчика костной проводимости и ИИ-алгоритмов шумоподавления, что, по заявлению компании, обеспечивает четкую передачу речи даже в сложных акустических условиях. Время автономной работы достигает 37 часов с учетом зарядного кейса, а быстрая зарядка дает около часа воспроизведения всего за три минуты подключения к питанию. Защита по стандарту IPX4 делает устройство устойчивым к поту и легкому дождю. Sony LinkBuds Clip уже доступны в продаже в черном, бежево-сером, зеленом и лавандовом цветах по цене 229,99 доллара.

Другие интересные новости:

▪ Найден способ увеличения мозговой ткани в 20 раз

▪ Fujitsu продает SSD-накопители под собственным брендом

▪ Новая серия операционных усилителей TSH80-81-82

▪ Зубная щетка с Bluetooth 4.0

▪ Гусеницы могут поедать полиэтиленовые отходы

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Аудиотехника. Подборка статей

▪ статья Инфракрасные фотодиоды. Справочник

▪ статья Где была изобретена свеча? Подробный ответ

▪ статья Паслен черный. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Импульсный металлоискатель, теория. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Фронтальный бас автомобильной акустической системы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026