Volante

Un volante ( flywheel ) es una rueda giratoria masiva que se usa como dispositivo de almacenamiento ( acumulador de inercia ) de energía cinética o para crear un momento de inercia, como se usa en las naves espaciales .

Uso

Se utiliza en máquinas que tienen una entrada o uso de energía desigual, almacenando energía cuando la entrada de energía es mayor que el consumo de energía y liberándola cuando el consumo de energía excede la entrada de energía. También se utiliza en propulsión híbrida como almacenamiento de energía y para frenado regenerativo , girobuses .

A menudo, la función del volante se realiza mediante un elemento giratorio masivo del mecanismo .

Además de la energía, un volante giratorio (como cualquier cuerpo giratorio) también tiene un momento angular , razón por la cual se observa el efecto giroscópico , que consiste en la precesión del eje de rotación alrededor de su dirección original cuando aparece una fuerza externa. que no coincide con la dirección del eje de rotación.

El primer ejemplo del uso del efecto giroscópico puede considerarse la invención del juguete de la peonza (yo-yo).

Una de las primeras aplicaciones del efecto giroscópico fue la transición en el siglo XIX de disparar balas de cañón redondas a proyectiles alargados , cuya rotación permitía mantener su orientación en el espacio, y la forma alargada para aumentar significativamente su masa (en blanco) o carga explosiva con igual resistencia aerodinámica.

El volante es también el rotor del giroscopio , utilizado en girocompases y, en general, en dispositivos de orientación giroscópica en el espacio, en particular torpedos (dispositivo Aubrey), cohetes y naves espaciales. Los ejemplos más comunes de un volante son una rueda de bicicleta o el plato giratorio de un tocadiscos eléctrico .

La propiedad del volante de inercia para mantener la dirección del eje de rotación se aprovecha en los estabilizadores de los barcos .

En la vida cotidiana, el volante de inercia se usa con mayor frecuencia en los automóviles : cualquier motor de pistón está equipado con un volante de inercia, que a menudo combina funciones como parte del embrague y el sistema de arranque (los volantes están equipados con una corona dentada para transmitir el par desde el motor de arranque ). Además de sacar el mecanismo del cigüeñal del punto muerto, el volante de inercia en el motor reduce las irregularidades de rotación a un nivel aceptable, lo que aumenta el recurso de transmisión (el resto de irregularidades son amortiguadas por los resortes amortiguadores de vibraciones torsionales o la transmisión automática). embrague, luego caucho toroide y acoplamientos viscosos).

Física

La energía cinética de rotación acumulada en un cuerpo giratorio (volante) se puede calcular mediante la fórmula:

E={\frac{1}{2}}I\omega^{2}

dónde:

$yo$ - el momento de inercia de la masa con respecto al eje de rotación del volante
$\omega$ ( omega ) es la velocidad angular en radianes por segundo

Para formas simples de volantes, se conocen expresiones finitas para el momento de inercia.

Para cilindro hueco $yo={\frac{1}{2}}m(r^{2}+r_{o}^{2})$ donde es la masa del cilindro hueco; - su radio; es el radio interior del cilindro $metro$ $r$ ${\ Displaystyle r_ {o}}$
Para cilindro de pared delgada $Yo=señor^{2}$
Para cilindro macizo $yo={\frac {1}{2}}señor^{2}$

Reemplazando la velocidad angular en la fórmula para un cilindro hueco con la frecuencia de rotación según la fórmula $\omega$ $F$

\omega =2\pi f

obtenemos

E=m(\pif)^{2}(r^{2}+r_{o}^{2})

Historia

El efecto volante se ha utilizado desde la antigüedad. Por ejemplo en un torno de alfarero , molinos de viento . Probablemente uno de los ejemplos más antiguos del uso de un volante fue un hallazgo arqueológico de Mesopotamia (cerca de la ciudad de Ur ): una máquina de alfarería con un disco de arcilla quemada, de aproximadamente un metro de diámetro y un peso de al menos un centavo . Invenciones similares han aparecido repetidamente en China . [una]

Según la medievalista estadounidense Lynn White , el monje alemán Theophilus menciona en su tratado "Sobre las diversas artes" varias máquinas que utilizan un volante [2] .

Durante la Revolución Industrial , James Watt usó un volante en una máquina de vapor para igualar el movimiento y superar las posiciones muertas del pistón [3] , y su contemporáneo James Pickard usó un volante en combinación con un mecanismo de manivela para convertir el movimiento alternativo en movimiento giratorio [4] .

En los años 20-30 del siglo XX, el inventor soviético A. G. Ufimtsev utilizó por primera vez en el mundo [5] una batería de inercia en la primera planta de energía eólica en Rusia , construida por él en Kursk .

El uso del volante como acumulador de energía está limitado por el hecho de que cuando se supera la velocidad circunferencial permitida, el volante se rompe, lo que provoca una gran destrucción. Esto obliga a crear volantes con un margen de seguridad muy grande, lo que conlleva una disminución de su eficiencia.

La consecuencia de esto es un consumo de energía específico pequeño (en comparación con otros tipos de baterías ).

Ejemplo

El valor límite de la velocidad angular del volante está determinado por la resistencia a la tracción del material del volante . Es fácil demostrar que para un volante en forma de disco giratorio , donde es la resistencia a la tracción del material del volante (fuerza de rotura por unidad de área), es el volumen del disco. Para cuarzo fundido N/m2. La intensidad energética de un volante de inercia de cuarzo fundido con un volumen de m3 y un peso de kg será igual a la intensidad energética de l gasolina [6] . $\omega$ ${\frac {1}{2}}I\omega ^{2}={\frac {V}{4}}S_{máx}$ ${\ Displaystyle S_ {máx})$ $V$ ${\displaystyle S_{máx}=3\veces 10^{9))$ ${\ estilo de visualización 0.1}$ $200$ $13$

Supervolante

En mayo de 1964, N.V. Gulia solicitó la invención de un súper volante, un volante de gran consumo de energía y a prueba de explosiones. A diferencia del volante monolítico clásico, el súper volante está enrollado a partir de una cinta delgada, alambre o fibras sintéticas , que tienen una resistencia específica significativamente mayor que una pieza monolítica (fundición o forja), por lo que el consumo de energía de dicho volante es mucho mayor ( según el inventor, hasta 1,8 MJ/kg). Además, en caso de rotura del súper volante, no se forman fragmentos grandes: los extremos de la cinta o las fibras rotas comienzan a ralentizarse contra la carcasa y el volante se detiene gradualmente.

Véase también

Notas

↑ Rodionov V. G. Optimización de la estructura de capacidades generadoras. Baterías - almacenamiento de energía // Energía: problemas del presente y oportunidades para el futuro. - M. : ENAS, 2010. - S. 65. - 352 p. - ISBN 978-5-4248-0002-3 .
↑ Lynn White, Jr., "Theophilus Redivivus", Tecnología y cultura, vol. 5, núm. 2. (primavera de 1964), Review, págs. 224-233 (233)
↑ Ella Tsygankova En los orígenes del diseño . Consultado el 11 de junio de 2008. Archivado desde el original el 23 de octubre de 2007. (indefinido)
↑ Encyclopedia of the Industrial Revolution, 1750-2007: Steam Engine Archivado el 6 de octubre de 2008 en Wayback Machine .
↑ Estación de energía eólica - artículo de la Gran Enciclopedia Soviética .
↑ Orir J Física. Tomo 1. - M., Mir, 1981. - p. 167

Enlaces

Gulia N. V. En busca de una "cápsula de energía" . - M. : Literatura infantil, 1984. - 144 p.
Alejandro Nikonov. "La vida y asombrosas aventuras de Nurbey Gulia - Profesor de Mecánica"
Las consecuencias de la destrucción de volantes en las fábricas.