1. Skip to Menu
  2. Skip to Content
  3. Skip to Footer>
Маховик — понятие растяжимое
Физика маховичных двигателей
01.02.2014 10:30
Растяжимое в самом буквальном смысле слова. И если удлинения при вращении монолитных маховиков микроскопичны, то ободы, навитые из высокопрочных волокон, растягиваются при вращении почти как резиновые. Это объясняется тем, что у многих высокопрочных волокнистых материалов наряду с высокой прочностью довольно низок модуль упругости.

Из сопротивления материалов известно, что относительное удлинение е материала под нагрузкой равно отношению напряжений G к модулю упругости Е:

 
Чем больше прочность и меньше модуль упругости материала, тем больше удлинение. Так, например, для композитного материала на основе ориентировочного стеклопластика (один из лучших материалов для изготовления супермаховиков) с модулем упругости E = 50 000 Н/мм2 и прочностью G=2500 Н/мм2 упругое удлинение может достигать 5%. Это очень много. Чтобы такое же упругое удлинение могла выдержать сталь при модуле упругости E = 220 000 Н/мм2, ей нужно развить прочность G = eЕ = 0,05*2,2*10^5= 11 000 Н/мм2. Это фантастическая прочность, недоступная даже для лучшей проволоки. Алюминий, имея модуль упругости втрое меньший, мог бы иметь и прочность втрое меньшую, но и такая недоступна для алюминия.

Что же делать? Ведь обод из «растягивающегося» материала надо на что-то одеть, его должен поддерживать какой-то Центр, чтобы можно было фиксировать обод и снимать с него вращение. А ни один из металлов не выдерживает такого удлинения. Попробовали делать центр из пластмассы, выдерживающей большие удлинения. Получилось, но очень уж ненадежный Центр из пластмассы, того и гляди потеряет устойчивость, и обод с его огромным запасом энергии может оказаться без «опоры». Центр должен быть, помимо прочего, и таким, чтобы выдерживать рабочую угловую скорость супермаховика самостоятельно не разрушаясь без поддерживающего действия обода.

На рис. 26 показан супермаховик, где «растягивающийся» обод из стеклопластика поддерживается центром, имеющим гибкий элемент на периферии в виде «лепестков», охватывающих обод При растяжении обода лепестки под действием центробежной силы стремятся быть постоянно прижатыми к нему. Попытки применения «раздвижного» центра не привели к цели, так как при столь высокой угловой скорости и нагрузках подвижные механические соединения работают очень ненадежно.

Супермаховик с «растяжимыми ободом и упругим центром
Рис. 26. Супермаховик с «растяжимыми ободом и упругим центром:
1—растяжимый обод; 2—упругая периферия диска; 3—диск (центр)


Есть еще один путь преодоления вредного эффекта «высвобождения» обода — это применение высокопрочных материалов, имеющих к тому же и высокий модуль упругости. Таковы, например, нити из графита — отличный и очень перспективный материал для супермаховиков. При весьма малой плотности — в 2 раза меньшей, чем у алюминия, и почти в 5 раз меньшей, чем у стали, нити из графита выдерживают напряжение свыше 3000 Н/мм2, превосходят в этом лучшие стальные поковки и даже холоднокатаную ленту. Таким образом, супермаховик из графитовых нитей будет иметь плотность энергии почти в 10 раз (как говорят «на порядок») большую, чем ленточный супермаховик, в свою очередь, почти на порядок превышающий по этому показателю монолитные маховики. А модуль упругости графитовых нитей очень велик, он почти в 3 раза превышает модуль упругости стали. 

Значит, упругие деформации обода из графитовых нитей соизмеримы с деформациями центра из стали, титана или: дюралюминия, что значительно упрощает крепление обода супермаховика к центру. До сего времени существенной помехой к широкому использованию графитовых нитей в технике была их высокая стоимость; например, в США свыше 700 долларов за килограмм. Теперь же их стоимость уже снижена примерно в 7 раз, а в ближайшие годы ожидается еще четырехкратное снижение стоимости графитовых нитей, что сделает их вполне приемлемым материалом для супермаховиков. В США эти прочные и легкие нити уже применяются даже для нужд спорта.

Но всегда ли плохо, когда обод растяжим? Нет ли в этом явлении и положительной стороны? Оказывается, есть и немалая. Дело в том, что обод, растягиваясь, накапливает помимо кинетической еще и потенциальную механическую энергию, как растянутая пружина. И доля ее существенна. Так, например, обод из кварцевой нити при напряжении 6000 Н/мм2 дополнительно накапливает в виде потенциальной энергии почти треть общего запаса. Прибавка немалая! И эта доля потенциальной энергии растет с повышением прочности и снижением модуля упругости.

А что, если применить для изготовления маховиков материал, выдерживающий напряжения большие, чем даже его модуль упругости? К таким материалам относится, например, резина. Тогда маховик накопит преимущественную часть своей энергии в виде потенциальной. И эта энергия будет накапливаться без применения каких-либо вспомогательных устройств и выделяться непосредственно при вращении вала. Такой маховик выделяет значительную часть накопленной энергии при небольшом перепаде угловых скоростей, что иногда очень удобно. Угловые скорости вращения резинового маховика невелики, и потери энергии на трение о воздух и в подшипниках незначительны. При этом запасенная в таком маховике энергия соизмерима по плотности с энергией стальных монолитных маховиков. Нужно, конечно, учитывать то, что резиновый маховик при вращении увеличивает свой диаметр в 2 и более раза.

Однако, несмотря на схожесть «растяжимых» маховиков с пружинами, вообще аккумуляторами потенциальной «упругой» энергии, у последних есть одно важное преимущество — удобная характеристика выделения энергии. Заводная пружина, например, может «мягко» подталкивать стрелки часов, ножи электробритвы или любой другой исполнительный механизм. И если этот исполнительный механизм принудительно остановить, ничего ужасного не произойдет — просто пружина прекратит выделять энергию. Маховик же при этом сломал бы привод, но не прекратил вращаться. Скорость движения исполнительного механизма может меняться произвольно, а пружина будет все так же «мягко» подталкивать его. Маховик же при выделении энергии обязательно замедляется. Правда, несмотря на неудобную «жесткую» характеристику, энергия, запасенная в маховике, в десятки тысяч раз превышает по плотности энергию, накопленную в пружинах при одинаковой прочности материала, из которого изготовлены пружина и маховик. Заманчиво, конечно было бы иметь аккумулятор механической энергии, по плотности энергии равный маховику, а по удобству рабочей характеристики— похожий на пружину. И, оказывается, это обеспечивают маховичные аккумуляторы «упругой» энергии.