飛輪

飞轮（英語：flywheel）是在旋转运动中用于储存旋轉動能的一种机械装置。飞轮傾向於抵抗轉速的改變，当动力源对旋转轴作用有一个变动的力矩时（例如往複式發動機），或是應用在間歇性負載時（例如活塞或沖床），飞轮可以減小轉速的波動，使旋转运动更加平顺。 有些測試需要間歇性的高功率輸出，若此功率直接由電力系統提供，可能會造成不想要的電流突波。若配合飞轮使用，當輸入功較輸出功大時，飞轮會將多餘能量轉換為本身的動能，同時使飞轮加速；當輸入功較輸出功小時，飞轮會減速，釋放的動能即可成為功率的輸出。 飛輪通常由鋼製成，並在傳統的軸承上旋轉;旋轉速率一般僅限於幾千RPM。一些現代的飛輪是用碳纖維材料製成的，並採用磁性軸承，使它們的旋轉速度能夠高達60,000 RPM。 飞轮是一個延著固定軸旋轉的輪子或圓盤，能量以旋轉動能的方式儲存在轉子中： E k = 1 2 ⋅ I ⋅ ω 2 {\displaystyle E_{k}={\frac {1}{2}}\cdot I\cdot \omega ^{2}} 其中 ω {\displaystyle \omega } 是角速度 I {\displaystyle I} 是質量相對軸心的轉動慣量，轉動慣量是物體抵抗力矩的能力，給予一定力矩，轉動慣量越大的物體轉速越低。 固體圓柱的轉動慣量為 I z = 1 2 m r 2 {\displaystyle I_{z}={\frac {1}{2}}mr^{2}} , 若是薄壁空心圓柱，轉動慣量為 I = m r 2 {\displaystyle I=mr^{2}\,} , 若是厚壁空心圓柱，轉動慣量則為 I = 1 2 m ( r 1 2 + r 2 2 ) {\displaystyle I={\frac {1}{2}}m({r_{1}}^{2}+{r_{2}}^{2})} . 其中 m {\displaystyle m} 表示質量， r {\displaystyle r} 表示半徑， r 1 {\displaystyle r_{1}} 、 r 2 {\displaystyle r_{2}} 分別代表外圈與內圈半徑，在轉動慣量列表中可以找到更多的資訊。 在使用國際單位制計算時，質量、半徑及角速度的單位分別是公斤、公尺，弧度/秒，所得到的結果會是焦耳。 由於飞轮可儲存的能量是和轉動慣量成正比，因此在設計飞轮時，會盡量在不變動質量的條件下，去增加其轉動慣量，例如說將中間摟空，質量集中在飞轮的外圍等作法。 在利用飞轮儲存能量時，還需要考慮在轉子不變形或斷裂的前提下，飞轮可儲存的能量上限，主要需考量轉子的環向應力（英语：hoop stress）： σ t = ρ r 2 ω 2   {\displaystyle \sigma _{t}=\rho r^{2}\omega ^{2}\ } 其中 σ t {\displaystyle \sigma _{t}} 是轉子外圈所受到的張應力 ρ {\displaystyle \rho } 是轉子的密度 r {\displaystyle r} 是轉子的半徑 ω {\displaystyle \omega } 是轉子的角速度 以下是一些「飞轮」的範例及其儲存的能量， I = k m r 2 {\displaystyle I=kmr^{2}} 。 對於相同尺寸外形的飛輪，其動能和環向應力及體積成正比： E k ∝ σ t V {\displaystyle E_{k}\varpropto \sigma _{t}V} 若以質量來表示，則其動能和質量成正比，也和單位密度的環向應力成正比： E k ∝ σ t ρ m {\displaystyle E_{k}\varpropto {\frac {\sigma _{t}}{\rho }}m} σ t ρ {\displaystyle {\frac {\sigma _{t}}{\rho }}} 可以稱為比強度。若飛輪使用材質的比強度越高，其單位質量下的能量密度也就就越大。 飞轮的概念很早就出現在人類的生活中，新石器時代的紡錘及陶輪都有類似飞轮的概念。 十一世紀時安達盧斯的農藝師Ibn Bassal在其著作《Kitab al-Filaha》中，描述飞轮應用在水力機械中的情形。 根據從事中世紀研究的學者Lynn White的資料，首次出現使用飞轮來作為穩定轉速的記載是在德國藝術家Theophilus Presbyter（約1070-1125）的著作《De diversibus artibus》（On various arts）中，他在他的許多機器中都使用到飞轮。 在工業革命時，詹姆斯·瓦特將飞轮應用在蒸氣機上，而詹姆斯·皮卡德（英语：James Pickard）將飞轮和曲柄一起使用，將往復式運動變成旋轉運動。 飛輪應用在車輛上時，需考慮進動的問題。若一個旋轉的飛輪受到其他會改變其旋轉軸力矩的影響，飛輪的旋轉軸也會會繞另一個軸旋轉，這個稱為進動。一部有垂直軸飛輪的車輛在通過山頂或谷底時，會受到一個橫向的動量，用二個旋轉方向相反的飛輪即可消除此問題。 在現代的應用中動量飛輪（英语：momentum wheel）是一個用在衛星定位用的飛輪，飛輪用來提供其他衛星設備一個正確及固定的方向，不需推力火箭的協助。 飛輪常運用在打洞機及鉚釘機中，平時儲存馬達提供的能量，在需要功率輸出時，即可釋放原先儲存的能量。 在內燃機的應用上，飛輪是連結到曲軸上的大質量輪子，主要目的是維持曲軸上固定的角速度。 密封於真空中的飛輪可以取代充電電池，非常適用於固定式裝置，具有壽命長、無記憶效益、數分鐘即可充飽、放電速度與電容相近、成本低等優點。 可以用來應付尖峰負載，也可以增加再生能源的穩定性。 陀螺儀 飞轮能量储存 再生制動（Regenerative braking） 邱映辉. 机械设计. 北京: 清華大學出版社. 2004: 187 [2010-07-16]. 7302094020. （原始内容存档于2014-11-09）.  [1] （页面存档备份，存于互联网档案馆）; "Flywheels move from steam age technology to Formula 1"; Jon Stewart | 1 July 2012, retrieved 2012-07-03 [2] （页面存档备份，存于互联网档案馆）, "Breakthrough in Ricardo Kinergy ‘second generation’ high-speed flywheel technology"; Press release date: 22 August 2011. retrieved 2012-07-03 White, Jr., Lynn. Theophilus Redivivus. Technology and Culture. Spring 1964, 5 (2): 233.  Ahmad Y Hassan. Flywheel Effect for a Saqiya. History of Science and Technology in Islam. [2010-07-14]. （原始内容存档于2010-10-07）.  （页面存档备份，存于互联网档案馆） White, Jr., Lynn. Medieval Engineering and the Sociology of Knowledge. The Pacific Historical Review. Feb 1975, 44 (1): 6.  1/(60 * 24)*(366.26/365.26) 维基共享资源上的相关多媒体资源：飛輪 Interesting Thing of the Day article on the Flywheel （页面存档备份，存于互联网档案馆）。作者：Joe Kissell 飛輪能量計算器 (英文) （页面存档备份，存于互联网档案馆） Some Energy Buffer