1. Skip to Menu
  2. Skip to Content
  3. Skip to Footer>
История развития маховиков
Физика маховичных двигателей
27.01.2014 14:10
Детство, отрочество, юность, итоги пройденного пути. Как уже было сказано выше, в 1922 г. Леонардом Вулли были предприняты раскопки в центральном районе Урского могильника. И здесь в 1929 г. он обнаружил изделие, которое теперь признается первым в истории человечества маховиком — двигателем, работающим на аккумулированной механической энергии.

Изделие это было обнаружено в гончарной мастерской, проработавшей несколько веков. Массивный диск диаметром более 30 дюймов (около 75 см) с центральным круглым отверстием насаживался на вертикальную стойку с подпятником, где свободно вращался с небольшим трением (рис. 1). Служил диск гончарным кругом, тем самым кругом, на котором древние гончары лепили свою продукцию и который, правда, не из глины, а из дерева встречался во дворцах фараонов Египта за 1000 лет до этого.

Гончарный круг из раскопок Урского могильника
Рис. 1. Гончарный круг из раскопок Урского могильника:
1—маховик; 2—стойка

Так чем же примечателен диск древнего шумерского гончара? Настораживают здесь два факта: первый — зачем было выполнять диск таким тяжелым, когда по примеру египтян сделать его деревянным во много раз легче? Второй — близ периферии диска было проделано второе отверстие, куда вставлялась рукоятка. Для чего служила эта рукоятка?

Ответом могло быть только одно. Не будучи достаточно состоятельным, чтобы держать рабов, шумерский гончар, руководствуясь правилом «голь на выдумки хитра», сделал гениальное изобретение, открывшее новый этап в технике. Гончар периодически дергал за рукоятку, торчащую в диске снизу, разгонял диск-маховик, запасая в нем кинетическую энергию, а затем спокойно работал, пользуясь самостоятельно вращающимся «механизированным» кругом. И этот первый маховичный двигатель применялся еще в библейские времена, до изобретения транспортного колеса! 

Более усовершенствованное, приводимое в движение ногами гончарное маховое колесо появилось лишь 1200 годами позднее на территории Желтой реки в Китае в гончарной мастерской Ланг Шан. Колесо это было уже каменное и имело существенно большую скорость вращения, чем маховик гончара: ноги-то в несколько раз сильнее рук и раскручивать маховик ногами было легче.

Следующий этап использования маховиков — водоподъемные устройства в Китае примерно 3000 лет назад. Долина реки Jlo Хо, протекающей с севера на юг как приток Желтой реки, подвержена воздействию сильных ветров. Эти ветры сдували слой земли, образуя овраги глубиной до 70 м. Водоносные слои находились на 10—12 м ниже поверхности земли, и для орошения плодородных земель приходилось извлекать воду оттуда.

Для этого китайцы соорудили колеса, сидящие на горизонтальном валу, служащем кабестаном, на который , навивалась веревка, несущая кожаные
ковши для воды. По периферии колеса располагались паруса; ветер, надувая их, вращал колесо, поднимая воду ковшами из источника. Было замечено, что если скорость колеса падает, то оно еще некоторое время вращается, поднимая ковши, пока они, перевесив, не начнут крутить колесо в обратном направлении. Для предотвращения этого два раба, скованные друг с другом, повисали на противоположной стороне колеса, ожидая нового порыва ветра.
 


Но случилось так, что рабов не стало (опять по бедности), и мастер, обслуживавший колесо, связав пару тяжелых камней, привесил их вместо рабов. Результат превзошел ожидания — налетевший порыв ветра раскрутил колесо вместе с камнями, и оно еще долго вертелось, поднимая сообразительному мастеру все новые и новые ковши с водой.

Стало быть, все дело в утяжелении обода колеса, превращении его в подобие маховика.

Большое колесо Мандарина — гигантский маховик из древнего Китая
Рис. 2. Большое колесо Мандарина — гигантский маховик из древнего Китая (роль маховых масс играют привязанные к колесу тяжелые камни):
1—камни; 2—паруса; 3—трос; 4—траншея

На этом принципе и было основано самое большое колесо, известное как гигантское колесо Пан По, существовавшее на закате цивилизации, носившей то же имя. Это большое колесо (рис. 2) «в четыре человеческих роста над землей и два — под землей», с бесконечной ковшовой цепью, качающей воду. Радиальные «спицы», на концах которых были помещены паруса, и тяжелые камни, укрепленные под ними, соединялись между собой хордальными распорками. Вал колеса, лежащий на деревянных втулках твердых пород, обильно смачивался водой, чтобы «свал плавал на воде» (так китайцы говорили о смазке подшипников водой). Изобретение подшипников с жидкой смазкой, связанное с осуществлением идеи маховика, было также чертой, значительно опережавшей техническую мысль той эры. 

Смычковая дрель с маховиком
Рис. 3. Смычковая дрель с маховиком:
1—маховик; 2—ось; 3—рукоять; 4—смычок

Принцип маховика использовался также в старинных смычковых дрелях (рис. 3).
Здесь роль маховика играл тяжелый диск, насаженный на  через которое, обвивали  вокруг него, проходит тетива смычка. Двигая смычок взад-вперед, мастер, разгоняя маховик то в одну, то в другую сторону, мог, надавив на верхний конец сверла специальным большое усилие сверления.  Энергия, накопившаяся в маховике при разгоне, расходовалась на сверление при нажатии.


Рис. 4. Ковшовый водоподъемник, с ручным приводом и маховиком (XVI век)

В последующие 3000 лет немногое было сделано для развития идеи маховичного двигателя. Однако начавшееся в средневековье использование механизмов, имеющих неравномерное вращение, особенно кривошипно-шатунных механизмов, возродило применение маховиков. Накапливая кинетическую энергию во время снижения рабочих нагрузок (или, например, удобном для человека положении рукоятки), маховик затем выделял ее для выполнения полезной работы. Кроме того, маховик уже тогда начинал служить для уменьшения неравномерности вращения.

Интересна конструкция водоподъемника с ручным приводом, выполненная почти целиком из металла. Этот механизм XV века был одним из первых, содержащих маховик в трансмиссии. На рис. 4 показан не только общий вид в сборе, деталировка, но и технология сборки и правила эксплуатации механизма (так раньше исполняли чертежи машин). Маховик виден на заднем плане как лежащий на земле, так и уже насаженным на вал рукоятки, которую крутит работник. Этот механизм описан средневековым ученым Г. Агрикола в его книге «De re metallica», изданной в Базеле в 1556 г.

Применялся маховик и в приводе поршневого насоса XV— XVI века; здесь он также приводится в движение мускульной силой человека (рис. 5). 

Маховик в приводе насосов
Рис. 5. Маховик в приводе насосов

Сравнительно крупный маховик применен и в вододействующей установке XVI века для распиливания бревен (рис. 6). Этот маховик устанавливался на коленчатом валу и служил для выравнивания хода машины.

Вододействующая пильная установка с маховиком (XVI век)
Рис. 6. Вододействующая пильная установка с маховиком (XVI век)

С появлением паровых машин, а затем и двигателей внутреннего сгорания маховик стал неизменной их частью, где служил также для выравнивания хода машины. Таково же назначение маховика в разнообразных дробильных и ковочных машинах, прессах, механических ножницах и пр.

Однако такой режим работы не характерен для маховиков как двигателей, хотя именно для этих целей в мире выпускаются сотни миллионов самых различных маховиков. Нас интересуют такие режимы работы, когда за цикл работы (например, разгон и последующее выделение энергии для совершения работы) маховик сделает не менее 10 оборотов. Тогда его еще можно назвать двигателем. Так предложил поступать исследователь и конструктор маховичных устройств Роберт Кларк, речь о котором пойдет ниже. Однако он предложил ограничивать и время свободного вращения маховика семью сутками, чтобы маховик, не дай бог, не превратился в «вечный двигатель». Нам это опасение кажется излишним. Пусть превращается, если сможет. К тому же сейчас созданы подшипники с практически нулевым трением и, будучи помещен на таких опорах в вакууме, маховик будет вращаться очень долго, гораздо дольше недели, так и оставаясь маховичным, а не «вечным» двигателем.
 
гироскутер с ручкой купить во выгодной цене Electrotown