Zotrvačník

Zotrvačník je ťažký disk alebo koleso, ktoré je pripojené k rotujúcemu hriadeľu. Zotrvačníky sa používajú na uskladnenie kinetickej energie. Hybnosť zotrvačníka spôsobuje, že sa jeho rýchlosť otáčania nemení ľahko. Z tohto dôvodu zotrvačníky pomáhajú udržiavať rovnakú rýchlosť otáčania hriadeľa. To pomáha, keď sa krútiaci moment pôsobiaci na hriadeľ často mení. Nerovnomerný krútiaci moment môže zmeniť rýchlosť otáčania. Keďže zotrvačník odoláva zmenám rýchlosti, znižuje účinky nerovnomerného krútiaceho momentu. Motory, ktoré na zabezpečenie výkonu používajú piesty, majú zvyčajne nerovnomerný krútiaci moment a na odstránenie tohto problému používajú zotrvačníky.

Na to, aby sa koleso (akékoľvek koleso) otáčalo, je potrebná energia. Ak je trenie malé (dobré ložiská), bude sa otáčať dlho. Keď je energia potrebná, môže sa z kolesa opäť odobrať. Je to teda jednoduchý mechanický prostriedok na uskladnenie energie. Množstvo uskladnenej energie závisí od hmotnosti a rýchlosti otáčania - na to, aby sa ťažšie koleso otáčalo rýchlejšie, je potrebné viac energie. Ďalším faktorom je polomer (veľkosť), pretože čím ďalej od osi sa časť kolesa nachádza, tým viac energie je potrebné na jeho otáčanie. Tieto tri faktory možno vyjadriť pomocou M (hmotnosť), ω {\displaystyle \omega } $\omega$ (uhlová rýchlosť) a R (polomer). Kombináciou týchto dvoch rovníc dostaneme ω {\displaystyle \omega } $\omega$ ^2MR2/4. Letiace koleso nie je obyčajné koleso, ale je špeciálne navrhnuté na uskladnenie energie. Preto by malo byť ťažké a/alebo sa rýchlo otáčať. Napríklad niektoré autobusy majú zotrvačníkové koleso, ktoré sa používa na zastavovanie a rozbiehanie. Keď autobus zastaví (napr. na semafore), zotrvačník je spojený s kolesami, takže sa naň prenesie rotačná energia, takže autobus spomalí, zatiaľ čo zotrvačník zrýchli. Potom, keď sa autobus musí opäť rozbehnúť, je opäť pripojený a energia sa prenesie späť. Samozrejme, nechceli by ste v autobuse ťahať ťažké koleso, preto je vyrobené z ľahšieho materiálu, ktorý vydrží extrémne rýchle otáčanie.

Zotrvačník s hrotmi

Jednoduchý zotrvačník v pohybe. Skonštruovaný podľa nákresov Leonarda da Vinciho

Matematika zotrvačníkov

Kinetická energia rotujúceho zotrvačníka je

E = 1 2 I ω 2 {\displaystyle E={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}} $E={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}$

Kde moment zotrvačnosti stredovej hmotnosti sa rovná

I = 1 2 M R 2 {\displaystyle I={\frac {1}{2}}MR^{2}} $I={\frac {1}{2}}MR^{2}$

kde I {\displaystyle I} je moment zotrvačnosti telesa okolo stredu otáčania a ω {\displaystyle \omega } $\omega$ (omega) je uhlová rýchlosť v jednotkách radiánov.

História

Zotrvačník sa používa už od staroveku, najčastejším tradičným príkladom je hrnčiarsky kruh. V priemyselnej revolúcii prispel James Watt k vývoju zotrvačníka v parnom stroji a jeho súčasník James Pickard používal zotrvačník.

Ďalšie významy

Vo svete rizikového kapitálu sa pojem "zotrvačník" používa na označenie opakujúceho sa srdca podniku, ktoré vytvára maržu.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to mucholapka?

A: Zotrvačník je ťažký disk alebo koleso, ktoré je pripevnené k rotujúcemu hriadeľu. Slúži na uskladnenie kinetickej energie a pomáha udržiavať rovnakú rýchlosť otáčania hriadeľa tým, že odoláva zmenám rýchlosti spôsobeným nerovnomerným krútiacim momentom.

Otázka: Ako zotrvačník uchováva energiu?

Odpoveď: Zotrvačník uchováva energiu tak, že ju odoberá z kolesa, keď sa otáča, a potom ju opäť uvoľňuje, keď je energia potrebná. Množstvo uloženej energie závisí od jeho hmotnosti, uhlovej rýchlosti a polomeru.

Otázka: Aké sú niektoré aplikácie zotrvačníkov?

Odpoveď: Zotrvačníky sa používajú v motoroch, ktoré používajú piesty na zabezpečenie výkonu, pretože pomáhajú riešiť problém nerovnomerného krútiaceho momentu, ktorý mení rýchlosť otáčania. Používajú sa aj v autobusoch na zastavovanie a rozbiehanie, kde sa rotačná energia z kolies prenáša na zotrvačník, aby mohol spomaliť a zároveň zrýchliť.

Otázka: Aké faktory ovplyvňujú, koľko energie dokáže zotrvačník uskladniť?

Odpoveď: Množstvo energie uloženej v zotrvačníku závisí od jeho hmotnosti, uhlovej rýchlosti a polomeru. Ťažšie závažia s väčšími rýchlosťami potrebujú na otáčanie viac energie ako ľahšie závažia s pomalšími rýchlosťami.

Otázka: Sú všetky kolesá považované za "zotrvačníky"?

Odpoveď: Nie, nie všetky kolesá sa považujú za "zotrvačníky". Zotrvačníky sú špeciálne navrhnuté na ukladanie kinetickej energie a mali by byť ťažké alebo by sa mali rýchlo otáčať, aby to robili efektívne.

Otázka: Ako autobus používa zotrvačník?

Odpoveď: Autobusy používajú zotrvačníky tak, že ich pri zastavení (napr. na semaforoch) pripájajú na kolesá. Tým sa prenáša rotačná energia z kolies na zotrvačník, aby mohol spomaliť a zároveň sa neskôr pri opätovnom rozjazde opäť zrýchliť.