Маховик

Маховик(маховое колесо) — массивное вращающеесяколесо, использующееся в качестве накопителя (инерционныйаккумулятор)кинетической энергииили для создания инерционного момента, как это используется накосмических аппаратах.
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 вгибридном двигателев качестве накопителя энергии и длярекуперативного торможения,гиробусахигировозах- взрывобезопасных шахтныхлокомотивах.
Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элементмеханизма.
Помимо энергии, вращающийся маховик (как и любое вращающееся тело) обладает ещё имоментом импульса, с чем связано наблюдениегироскопического эффекта, заключающегося впрецессииоси вращения вокруг своего первоначального направления при появлении внешней силы, не совпадающей с направлением оси вращения.
Первым примером использования гироскопического эффекта можно считать изобретение игрушки «волчок» («йо-йо»).
Одним из первых применений гироскопического эффекта стал переход в XIX веке от стрельбы круглымиядрамик продолговатымснарядам, вращение которых позволило сохранять их ориентацию в пространстве, а продолговатая форма — значительно увеличить их массу (болванка) или же разрывной заряд при равном аэродинамическом сопротивлении.
Маховиком является ироторгироскопа, используемого вгирокомпасахи вообще в гироскопических устройствах ориентации в пространстве, в частноститорпед(прибор Обри),ракети космических аппаратов. Наиболее привычные примеры маховика —велосипедное колесоили вращающийся дискэлектро-проигрывателявиниловых пластинок, соответствующая деталь практически любогодвигателя внутреннего сгорания.
Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется вуспокоителях качкикорабля.
В повседневной жизни маховик наиболее часто применяется наавтомобилях: любойпоршневой двигательснабжён маховиком, часто совмещающим функции как частьсцепленияисистемы пуска(маховики снабжают зубчатым венцом для передачи момента отстартера). Кроме выводакривошипно-шатунного механизмаиз мёртвой точки, маховик в двигателе снижает неравномерность вращения до приемлемой, что увеличивает ресурстрансмиссии(оставшаяся часть неравномерности гасится пружинамидемпфера крутильных колебанийили муфтой АКПП, затем торовыми резиновыми и вискомуфтами). Узвездообразныхавиационных двигателейроль маховика фактически выполняетвоздушный винт, а уротативных двигателейитак вращаются наиболее массивные и металлоëмкие части —блок цилиндрови картер, они и выступают маховиком сами по себе.
Кинетическая энергиявращения, накопленная во вращающемся теле (маховике), может быть рассчитана по формуле:
где:
Для простых форм маховика известны конечные выражения момента инерции
Заменив в формуле для полого цилиндра угловую скоростьω{\displaystyle \omega }на частоту вращенияf{\displaystyle f}по формуле
получим
Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например вгончарном круге,ветряных мельницах. Вероятно, одним из древнейших примеров использования маховика стала археологическая находка изМеждуречья(в районе городаУр) — гончарный станок с диском из обожжённой глины, около метра впоперечникеи весом не менеецентнера. Подобные изобретения неоднократно появлялись и вКитае.
Согласно американскомумедиевистуЛинну УайтунемецкиймонахТеофилупоминает в своём трактате «О различных искусствах» несколько машин, в которых применяется маховик.
Во времяпромышленной революции,Джеймс Уаттприменил маховик впаровой машинедля выравнивания движения и преодоления мертвых положений поршня, и его современникДжеймс Пикардиспользовал маховик в сочетании скривошипно-шатунным механизмомдля преобразования возвратно-поступательногодвижения вовращательное.
В 20-30-х годах XX векасоветскийизобретательА. Г. Уфимцеввпервые в миреприменил инерционный аккумулятор напервой в России ветроэлектростанции, построенной им вКурске.
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 видамиаккумуляторов) удельная энергоёмкость.
Предельное значение угловой скорости маховикаω{\displaystyle \omega }определяется прочностью материала маховика наразрыв. Нетрудно показать, что для маховика в форме вращающегося диска12Iω2=V4Smax{\displaystyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}={\frac {V}{4}}S_{max}}, гдеSmax{\displaystyle S_{max}}— предел прочности материала маховика на разрыв (сила разрыва на единицу площади),V{\displaystyle V}— объём диска. Для плавленогокварцаSmax=3×109{\displaystyle S_{max}=3\times 10^{9}}Н/м2. Энергоемкость маховика из плавленого кварца объёмом0,1{\displaystyle 0,1}м3 и весом200{\displaystyle 200}кг будет равна энергоемкости13{\displaystyle 13}лбензина.
Вмае 1964 годаН. В. Гулияподал заявку на изобретение супермаховика — энергоёмкого и разрывобезопасного маховика. В отличие от классического монолитного маховика, супермаховик намотан из тонкой ленты,проволокиилисинтетических волокон, которые обладают значительно большей удельной прочностью, чем монолитная деталь (отливка или поковка), поэтому энергоемкость такого маховика значительно выше (по утверждению изобретателя, до 1,8 МДж/кг). Кроме того, в случае разрыва супермаховика не образуется крупных осколков: концы разорванной ленты или волокон начинают тормозиться о кожух, и маховик постепенно останавливается.