Маховики на службе человека

Выполнил:

ученик 9 класса

Дупленской СОШ

Стефановский Иван

 

 

Руководитель:

учитель физики

Валов М.В.

2003 г.

Человек научился получать, передавать, преобразовывать энергию и переменять её в нужном виде. Для этого созданы тысячи механизмов и машин. Они используют механическую, тепловую, внутреннюю, электрическую, ядерную энергию.

Желание человека беспредельно, а возможности природы и человека не бесконечны. Чем дальше, тем больше. Мы рассмотрим роль в этом процессе обычного с виду массивного, быстро вращающегося вокруг оси тела. Как принято его называть – маховик.

Ещё в древности появились первые маховичные игрушки. И раньше других – волчок, который радует детей и сейчас. Волчок это весьма поучительная игрушка: он показывает сразу оба свойства маховика – накапливать, сохранять энергию, а также сохранять положение оси вращения в пространстве – так называемый гироскопический эффект, благодаря явлению инерции.

   Эти свойства и обусловили применение маховика. Рассмотрим несколько примеров.

1)Закрутим пуговицу, натянем нити и она начинает вращаться, нитка раскрутится и если её немного ослабить, то пуговица, вращаясь по инерции закрутит нить в обратную сторону и так далее… Её можно научить петь.

2)Старинная игрушка “ Йо – йо”. Она состоит из маховика с проволокой в середине и нити на этой проволочной оси. Накручиваем нить, отпускаем маховик и он падая вниз начинает вращаться с большой скоростью, а затем за счёт этой энергии он поднимается вверх по нити.

Если при падении маховика нить натягивать и при подъёме слегка опускать, то маховик может наехать прямо на руку. (Д3-

4) На основе маховика можно объяснить движение " жука" и вращение Юлы.

3) Маховики небольших размеров использовались в старинных смычковых сверленых дрелях и винтовых.

И может, быть далёкие наши родственники с помощью такого инструмента добывали огонь.

Маховик больших размеров использовали гончары, а в Китае в долине Ло Хо был сооружён колёсный насос водоподъёмного маховичного типа, его назвали “Большое колесо Мандарина”.

В 15 веке появились поршневые насосы, здесь в момент опускания поршня маховик увеличивал свои обороты, запасая энергию, а при подъёме поршня отдавал эту энергию. Аналогично при распиловки брёвен, но здесь маховик был очень больших размеров, и большой массы.

В 18 веке изобрели паровой двигатель, а в 19 двигатель внутреннего сгорания. Оба поршневые. Главный же недостаток поршневой машины – неравномерность выделения энергии, неравномерность хода. Машина выделяет энергию лишь в момент подачи паре в цилиндр или в момент сжигания горючего. Всё остальное время она только расходует её.

Тут – то и пригодился маховик. Посаженный на вал двигателя маховик то накапливает энергию, то за счёт неё сам прокручивает машину, готовя её для следующему рабочему ходу. Поэтому любую такую машину часть времени тянет двигатель, а часть – именно маховик.

Часто маховик присутствует в машинах незримо, он замаскирован в них, под какую – ни будь деталь, но выполняет, что ни есть “маховичную” работу. Например: механические ножницы. Мотор с помощью ремня крутит шкив, от этого шкива приводится в движение нож. На первый взгляд шкив как шкив, а будь он полегче, не такой массивный каким его изготовили, не сработали бы тогда ножницы, упершись в заготовку, нож сразу бы остановился. Только маховик позволяет за счёт накопленной энергии развивать огромные силы и мощность, необходимые для работы. Маскируют маховики под муфты, зубчатки, колёса и другие детали.

Велосипедные колёса – настоящие маховики, но здесь используется главным образом другое свойство маховика – гироскопический эффект. Это он помогает сохранять устойчивость велосипеду, мотоциклу при движении, и чем больше скорость, тем колесо более устойчиво.

Более 200 лет назад английский изобретатель Серсон попытался использовать гироскопический эффект для создания “искусственного горизонта”. Этот прибор нужен был морякам для астрономических наблюдений, чтобы выяснить где находится корабль в данный момент.

Развитие судостроения усложнило работу штурману. Стальной корпус и металлические предметы влияли на работу магнитного компаса. Компас давал неверные показания и в начале прошлого столетия на кораблях появился гирокомпас.

Гироскопическое устройство заключено в камеру. Ротор – волчок гироскопа уравновешен и с помощью подшипников крепится в одном кольце, которое в свою очередь крепится на подшипниках во втором кольце, а то в третьем, т. е. ротор может принять любое положение относительно Земли и вращаться со скоростью10 000 оборотов в минуту. Под действием вращения Земли ось гироскопа принимает положение, указывающее на географический полюс. И как бы не менялся курс корабля, положение оси не меняется. С осью гироскопа связана круговая шкала, которая вместе с кораблём поворачивается, вокруг гироскопа показывая курс корабля.

Аналогичный прибор применяют в авиации – это авиагоризонт.

В 19 веке маховик завоевал себе прочное место на транспорте: это и “самоката” Кулибина она могла пройти на энергии маховика – 400 метров. Широко стали его применять на железнодорожном транспорте. Сам паровоз мог преодолевать подъём в 5 метров на 1 километр, а со специальным маховозом – 15метров на 1 километр. А расход топлива был уменьшен на 25%.

В 1883 году – маховик торпеды мог отправить её на 1,5 км. со скоростью 55 км/час.

В 1905 году англичанину Ланчестеру был выдан патент на маховичный двигатель, который мог раскручиваться с помощью электродвигателя.

В 1918 году – русский изобретатель Уфимцев запатентован инерционный аккумулятор.

В 1945 году швейцарская фирма “Эрликон” изготовила серию маховозов – гиробусов. И хотя КПД был равен приблизительно 50% он показал себя экономичнее бензиновых в 3 раза. Гиробус двигался участками по 6 километров, а потом снова разгонял маховик, масса которого 1,5 тонны, а масса гиробуса 16 тонн.

Преимущества: совершенно не загрязняет среду, нет контактных проводов в городе, нет шума, искр.

Но слишком часты подзарядки!

Чтобы пройти расстояние в 5 раз больше, необходимо увеличить число оборотов в 2,24 раза.

При больших оборотах начинается деформация металла, маховик может разрушиться. Расчёты показали, что маховик необходимо сделать больше утолщённым в центре, тогда его энергию можно увеличить в 3 раза.

Пришли к идеи маховик навивать из металлической ленты. Скорость такого супер- маховика можно увеличить до 30 000 оборотов в минуту. Современные исследования показали, что лучшей способ изготовить супер- маховик из прочных нитей кевлара, метгласса.

А маховик из "плотноупакованного" азота позволит на маховике массой 20 кг. п обеспечить пробег автомобиля в 30 000 тыс. км. Заряжать такие маховики можно с помощью электродвигателей. Сейчас уже есть подшипники, которые могут вращаться со скоростью 100 000 оборотов в минуту. Облегчить нагрузку можно с помощью магнитных "подшипников".

С помощью специальных  систем ученые уже смогли заставить вращаться вывешенный шарик со скоростью 50 млн. оборотов в минуту.

И сейчас строят автомобили с супер  - маховиками, например двух местный американский махомобиль, с маховиками в 100 кг. Все колёса ведущие. Время зарядки 20 мин. Этого хватает на 60 км. пути.

Испытан маховик на 500 км. пути.

Современный маховик может вращаться до 40 суток. Американский маховик на магнитном подвесе может крутиться больше 10 лет.

Изготовлены: а) маховичный беспилотный вертолёт 80 кг. на 100 м. подъём.

Маховичный лифт, дрели, фонарик. Безграничные возможности маховика в космосе, где нет трения о воздух. Появятся новые материалы, технологии, будут новые открытия, построят новые машины и механизмы, но в них найдётся важное место маховику.              

Процесс познания бесконечен!

 назад