Что такое маховик в физике

Маховое колесо

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

Также маховиком называют регулировочное колесо, похожее по форме.

Содержание

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:

Для простых форм маховика, известны конечные выражения момента инерции

Заменив в формуле для полого цилиндра, угловую скорость — на частоту вращения — по формуле

История

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

Согласно американскому медиевисту Линну Уайту немецкий монах Теофил упоминает в своём трактате «О различных искусствах» несколько машин, в которых применяется маховик. [1]

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

Ссылки

Примечания

Полезное

Смотреть что такое «Маховое колесо» в других словарях:

Маховое колесо — МАХОВОЙ, ая, ое. Относящийся к взмаху, маханию, предназначенный для махания. Маховые движения. Маховые упражнения (в гимнастике). Маховое перо (большое перо в крыле птицы). Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

маховое колесо — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN flywheel … Справочник технического переводчика

маховое колесо — smagratis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Vientisos medžiagos diskas arba ratas su sunkiu ratlankiu, įtaisomas ant mašinos veleno, kad padidėtų inercijos momentas ir ji tolygiau suktųsi. atitikmenys: angl. balance wheel vok. Schwungrad,… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Маховое колесо — см. Маховик, Паровые машины, Двигатели … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

КОЛЕСО — КОЛЕСО, колеса, мн. колёса, ср. 1. Круг со спицами или сплошной, насаживаемый на ось повозки и посредством вращения ее на втулке передвигающий повозку. Колесо телеги. Колесо вагона. Попасть под колеса. Снег сошел, стали ездить на колесах. Кресло… … Толковый словарь Ушакова

колесо — а/; колёса; ср. см. тж. колёсико, колёсный, колесом 1., колесом 2. 1) а) Круг (со спицами или сплошной), вращающийся на оси и служащий для приведения в движение повозок и других средств передвижения. Колесо/ телеги … Словарь многих выражений

колесо́ — а, мн. колёса, ср. 1. Круг (со спицами или сплошной), вращающийся на оси и служащий для приведения в движение повозок и других средств передвижения. Колесо телеги. Велосипедное колесо. Колесо вагона. □ Колеса оставляли на дороге черные рваные… … Малый академический словарь

колесо — а; колёса; ср. 1. Круг (со спицами или сплошной), вращающийся на оси и служащий для приведения в движение повозок и других средств передвижения. К. телеги. Велосипедное к. К. вагона. Запасные колёса автомобиля. Ездить на колёсах (в телеге, в… … Энциклопедический словарь

КОЛЕСО — КОЛЕСО, а, мн. колёса, колёс, ср. 1. В различных механизмах: диск или обод, вращающийся на оси или укреплённый на валу и служащий для приведения механизма в движение; вообще устройство такой формы. Рулевое к. Гребное к. Мельничное к. Зубчатое к.… … Толковый словарь Ожегова

Колесо маховое — служит для устранения неправильностей в ходе машины, происходящих от изменений сопротивления или движущей силы. Последнее случается, например, в паровых машинах, при действии пара расширения; кроме того, сила, передаваемая валу мотылем,… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Источник

Маховик

Маховик (Маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии.

Также маховиком называют регулировочное колесо, похожее по форме.

Содержание

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.

Первым примером использования гироскопического эффекта можно считать изобретение игрушки «волчок» («йо-йо»).

Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в успокоителях качки корабля.

Физика

Кинетическая энергия вращения, накопленная во вращающемся теле (маховике), может быть рассчитана по формуле:

Для простых форм маховика, известны конечные выражения момента инерции

Заменив в формуле для полого цилиндра, угловую скорость — на частоту вращения — по формуле

История

Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например в гончарном круге, ветряных мельницах. Вероятно, одним из древнейших примеров использования маховика стала археологическая находка из Междуречья (в районе города Ур) — гончарный станок с диском из обожжённой глины, около метра в поперечнике и весом не менее центнера. Подобные изобретения неоднократно появлялись и в Китае. [1]

Согласно американскому медиевисту Линну Уайту немецкий монах Теофил упоминает в своём трактате «О различных искусствах» несколько машин, в которых применяется маховик. [2]

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.

Источник

Обычно маховик используется в следующих случаях:

СОДЕРЖАНИЕ

Приложения

Маховики можно использовать для управления направлением и противодействия нежелательным движениям. Маховики в этом контексте имеют широкий спектр применения: от гироскопов для измерительных приборов до стабилизации корабля и стабилизации спутника ( реактивное колесо ), для удержания вращения игрушки ( двигатель трения ), для стабилизации объектов, находящихся на магнитной левитации ( магнитная левитация со стабилизацией вращения ).

История

Физика

Маховик с приводом от электрической машины является обычным явлением. Выходная мощность электрической машины примерно равна выходной мощности маховика.

Выходная мощность синхронной машины составляет:

п знак равно ( V я ) ( V т ) ( грех ⁡ ( δ ) Икс S ) <\ displaystyle P = (V_ ) (V_) \ left ( <\ frac <\ sin (\ delta)>>> \ right)>

Выбор материала

Маховики изготавливаются из самых разных материалов; приложение определяет выбор материала. Маленькие маховики из свинца встречаются в детских игрушках. Чугунные маховики используются в старых паровых двигателях. Маховики, используемые в автомобильных двигателях, изготавливаются из чугуна или чугуна с шаровидным графитом, стали или алюминия. Маховики, изготовленные из высокопрочной стали или композитных материалов, были предложены для использования в системах аккумулирования энергии и в тормозных системах транспортных средств.

Эффективность маховика определяется максимальным количеством энергии, которое он может хранить на единицу веса. По мере увеличения скорости вращения или угловой скорости маховика запасенная энергия увеличивается; однако напряжения также увеличиваются. Если кольцевое напряжение превышает предел прочности материала, маховик развалится. Таким образом, предел прочности на разрыв ограничивает количество энергии, которое может накапливать маховик.

В приведенной ниже таблице показаны расчетные значения массы, радиуса и угловой скорости для хранения 250 Дж. Маховик из углеродного волокна на сегодняшний день является наиболее эффективным; однако он также имеет самый большой радиус. В приложениях (например, в автомобиле), где объем ограничен, маховик из углеродного волокна может быть не лучшим вариантом.

Таблица характеристик накопления энергии

Для сравнения: удельная энергия бензина (бензина) составляет 44,4 МДж / кг или 12,3 кВтч / кг.

Материалы с высокой энергией

Для данной конструкции маховика кинетическая энергия пропорциональна отношению кольцевого напряжения к плотности материала и массе:

Для данной конструкции запасенная энергия пропорциональна кольцевому напряжению и объему: это правда.

Дизайн

В оправе

Маховик с ободом имеет обод, ступицу и спицы. Расчет момента инерции маховика легче проанализировать, применив различные упрощения. Например:

Без вала

Маховик без вала устраняет отверстия в кольцевом пространстве, валу или ступице. Он имеет более высокую плотность энергии, чем обычная конструкция, но требует специального магнитного подшипника и системы управления.

Удельная энергия маховика определяется

Супер маховик

Супермаховик состоит из твердого сердечника (ступицы) и нескольких тонких слоев высокопрочных гибких материалов, таких как специальные стали, композиты из углеродного волокна, стекловолокно или графен, намотанных на него. По сравнению с обычными маховиками, супермаховики могут накапливать больше энергии и более безопасны в эксплуатации.

В случае отказа супермаховик не взрывается и не разрывается на большие осколки, как обычный маховик, а вместо этого распадается на слои. Затем разделенные слои замедляют маховик, скользя по внутренним стенкам корпуса, тем самым предотвращая дальнейшее разрушение.

Хотя точное значение плотности энергии супермаховика будет зависеть от используемого материала, теоретически оно может достигать 1200 Втч (4,4 МДж) на килограмм массы для графеновых супермаховиков.

Источник

Самый эффективный способ накопления энергии стар как мир

Когда речь заходит о том, что надо как-то накопить энергию, многие сразу начинают думать об аккумуляторной батарее. Конечно, что же это может быть еще. Тем не менее, есть еще один способ, который используется не очень часто, но при этом имеет очень хорошие перспективы. Особенно, на фоне развития других технологий. Такие разработки даже применялись при производстве общественного и грузового транспорта. Их начало берет свои корни еще в Советском Союзе, но в последнее время технология начинает применяться все чаще. Несколько лет назад, когда позволял регламент, это использовалось даже в Формуле-1. Откроем завесу тайны и расскажем, как работает это достаточно простое, но гениальное изобретение, и о человеке, который посвятил этому жизнь.

Древний маховик тоже был своего рода аккумулятором.

Что такое маховик?

Говорить мы сегодня будем о супермаховиках и об их создателе Нурбее Гулиа. Хоть и кажется, что маховик это что-то устаревшее и чисто техническое, но и в новом электрическом мире ему есть место.

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента, как это используется на космических аппаратах.

Сами маховики были изобретены очень давно и даже успешно применялись в промышленности тех лет. Есть даже находки в Междуречье и древнем Китае, которые подтверждают использование подобных устройств. Правда, тогда они делались из обожженной глины или из дерева и выполняли иные функции.

Где применяются маховики?

Благодаря своей массивности и законам физики, которые сопровождают движение маховика, он нашел применение во многих современных механизмах — от транспорта до промышленности.

Самое простое применение заключается в сохранении скорости вращения вала, на котором установлен маховик. Это может пригодиться во время работы какого-нибудь станка. Особенно, в те моменты, когда он испытывает резкие нагрузки и надо не допустить падения частоты вращения. Получается такой своего рода демпфер.

Наверное, самым частым местом, где встречаются маховики, является двигатель внутреннего сгорания автомобиля. Он позволяет сохранить скорость вращения двигателя при выключении сцепления. Тем самым снижается воздействие на трансмиссию, так как переключение передачи происходит в то время, когда двигатель работает на оборотах выше оборотов холостого хода. Кроме этого, так достигается больший комфорт и плавность движения. Правда, на гоночных машинах маховик очень сильно облегчается для снижения веса и увеличения скорости, с которой раскручивается двигатель.

Маховик легкового автомобиля.

Также маховики часто используются для стабилизации движения. Происходит это за счет того, что колесо, которым и является маховик, при вращении создает гироскопический эффект. Он создает сильное сопротивление при попытке наклонить его. Этот эффект легко ощутить, например, раскрутив колесо велосипеда и попытавшись его наклонить, или взяв в руки работающий жесткий диск.

Такая сила мешает при управлении мотоциклом, заставляя прибегать к контррулению, особенно на большой скорости, но очень помогает, например, для стабилизации корабля во время качки. Также подвесив такой маховик и учитывая, что он всегда находится в одном положении относительно горизонта, можно фиксировать его отклонения от корпуса объекта и понимать его положение в пространстве. Применение таких свойств маховика актуально в авиации. Именно вращающийся маховик позволит определить положение фюзеляжа самолета в пространстве.

Супермаховик Гулиа

Теперь, после достаточно долгого введения и предысторий, поговорим непосредственно о супермаховиках и о том, как они помогают сохранять энергию, не имея в составе каких-либо химических соединения для этого.

Нурбей Гулиа — создал и продвигает идею супермаховика, как накопителя энергии.

Супермаховик представляет собой один из типов маховиков, предназначенный для накопления энергии. Он специально сделан так, чтобы накапливать как можно больше энергии без необходимости применения по другому назначению.

Такие маховики тяжелые и очень быстро крутятся. Из-за того, что скорость вращения очень высокая, есть риск разрежения конструкции, но это тоже продумано. Сам маховик состоит из намотанных витков стальной пластичной ленты или из композитных материалов. Кроме того, что такая конструкция прочнее монолитной, она еще разрушается постепенно. То есть, при отслоениях маховик просто будет тормозиться и запутается в своих же частях. Думаю, не стоит объяснять, что разрыв маховика, который вращается со скоростью в десятки тысяч оборотов в минуту и весит минимум десятки килограмм, чреват очень серьезными последствиями.

Кроме этого, для обеспечения еще большей безопасности можно поместить систему с таким маховиком в бронекапсулу и закопать ее на несколько метров в землю. В этом случае движущиеся элементы точно никак не смогут навредить человеку.

Дополнительным плюсом использования бронекапсулы будет создание в ней вакуума, который позволит существенно снизить воздействие внешних сил на движение. Проще говоря, так можно свести к минимуму или вообще убрать сопротивление газовой среды (в обычном случае воздуха).

Так устроен супермаховик Гулиа.

В качестве дополнительных сил, мешающих вращению, еще выступает сопротивление подшипников, на которых установлен маховик. Но его можно установить на магнитный подвес. В этом случае силы воздействия сведены к такому минимуму, которым можно пренебречь. Именно по этой причине такие маховики способны крутиться месяцами. Кроме этого, магнитный подвес позволяет не задумываться об износе системы. Изнашивается только генератор.

Именно генератор и является тем элементом, который позволяет выработать электричество. Он просто подключается к маховику, и получая переданное им вращение вырабатывает электричество. Получается аналог обычного генератора, только для этого не надо сжигать топливо.

Чтобы получать еще больше интересной информации из мира высоких технологий, подписывайся на наш новостной канал в Telegram.

Для накопления энергии в то время, когда нет нагрузки, маховик раскручивается и тем самым “держит заряд”. Собственно, возможен и комбинированный вариант по аналогии с обычными аккумуляторами, которые могут одновременно отдавать энергию и заряжаться сами. Для раскрутки маховика используется мотор-генератор, который может как раскручивать маховик, так и забирать энергию его вращения.

Такие системы актуальны для накопления энергии в домохозяйствах и в системах зарядки. Например, подобная система по задумке инженеров Skoda должна использоваться для зарядки автомобилей. Днем маховик раскручивается, а вечером отдает заряд в электромобили, не нагружая городскую сеть в вечернее и ночное время. При этом можно заряжаться медленно от одного маховика или быстро от нескольких, с которых будет “сниматься” больше электричества.

Эффективность супермаховиков

Эффективность супермаховиков при всей их кажущейся архаичности достигает очень высоких значений. Их КПД доходит до 98 процентов, что даже не снилось обычным аккумуляторным батареям. Кстати, саморазряд таких батарей тоже происходит быстрее, чем потеря скорости хорошо сделанного маховика в вакууме и на магнитном подвесе.

Можно вспомнить старые времена, когда люди начали запасать энергию посредством маховиков. Самым простым примером являются гончарные круги, которые раскручивались и крутили, пока ремесленник работал над очередным сосудом.

Мы уже определись, что конструкция супермаховика достаточно проста, он имеет высокий КПД и при этом стоит относительно недорого, но есть у него один минус, который сказывается на эффективности его использования и стоит на пути массового внедрения. Точнее, таких минусов два.

Главным из них будет тот самый гироскопический эффект. Если на кораблях это полезное побочное свойство, то на автомобильном транспорте это будет очень сильно мешать и надо будет использовать сложные системы подвеса. Вторым минусом будет пожароопасность в случае разрушения. Из-за большой скорости разрушения даже композитные маховики будут выделять большое количество тепла за счет трения о внутреннюю часть бронекапсулы. На стационарном объекте это не будет большой проблемой, так как можно сделать систему пожаротушения, но на транспорте может создать очень много трудностей. Тем более, на транспорте риск разрушения выше за счет вибраций во время движения.

Где применяются супермаховики?

В первую очередь, Н.В. Гулия хотел использовать свое изобретение именно на транспорте. Даже было построено несколько образцов, которые проходили испытания. Несмотря на это, системы дальше испытаний не пошли. Зато применение такому способу накопления энергии нашлось в другой сфере.

Так в США в 1997 году компания Beacon Power сделала большой шаг в разработке супермаховиков для применения их в электростанциях на промышленном уровне. Эти супермаховики могли запасать энергию до 25 кВт⋅ч и имели мощность до 200 кВт. Строительство станции мощностью 20 МВт началось в 2009 году. Она должна была нивелировать пики нагрузки на электрическую сеть.

В России тоже есть подобные проекты. Например, под научным руководством самого Н. В. Гулиа компания Kinetic Power создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика. Один накопитель может запасать до 100 кВт⋅ч энергии и обеспечивать мощность до 300 кВт. Система таких маховиков может обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона. Так можно полностью отказаться от очень дорогих гидроаккумулирующих электростанций.

Возможно использование супермаховиков и на объектах, где нужна независимость от электрических сетей и резервное питание. Эти системы имеют очень высокую скорость отклика. Она составляет буквально доли секунд и позволяет обеспечить действительно бесперебойное питание.

Такая идея «не зашла». Может получится с поездами?

Еще одним местом, где возможно применение Супермаховик, является железнодорожный транспорт. На торможение составов тратится очень много энергии и, если не тратить ее впустую, нагревая тормозные механизмы, а раскрутить маховик, накопленную энергию потом можно потратить на набор скорости. Вы скажете, что система на подвесе будет очень хрупкой для транспорта и будете правы, но в таком случае можно говорить и о подшипниках, так как запасать энергию надолго просто нет необходимости и потери от подшипников будут не такими большими на таком промежутке времени. Зато такой способ позволяет экономить 30 процентов энергии потребляемой поездом для движения.

Как видим, системы на супермаховиках имеют очень много плюсов и совсем немного минусов. Из этого можно сделать вывод, что они будут набирать популярность, становиться более дешевыми и массовыми. Это тот самый случай, когда свойства вещества и законы физики, знакомые людям с древних времен, позволяют придумать что-то новое. В итоге вы получили удивительным симбиозом механики и электрики, потенциал которого до конца еще не раскрыт.

Источник