להילחם נגד כוח צנטריפוגלי. ציור, תיאור

מעבדה מדעית לילדים
ספרייה חינם / מדריך / מעבדת מדע לילדים

לחימה בכוח צנטריפוגלי. מעבדה מדעית לילדים

מעבדת מדע לילדים

בואו נדבר על תופעה פיזיקלית שגורמת לכל הדוגמנים והטכנאים הרבה צרות. השם שלו הוא חוסר איזון. נציע גם כלי נשק שניתן להשתמש בהם כדי להביס אותו.

למי היא מטרידה?

גם מי שעדיין לא למד מכניקה יודע מהו כוח צנטריפוגלי. אחרי הכל, כולם היו צריכים לסובב צעצוע קשור בחוט על האצבע. הכוח שבו הצעצוע מושך את האצבע שלך הוא צנטריפוגלי. באופן קפדני יותר, כוח צנטריפוגלי הוא הכוח המופעל על ציר הסיבוב על ידי גוף מסתובב. כוחות דומים מלווים כל סיבוב. אבל מי היה צריך להילחם בהם ולמה? על השאלה הזו יכול קודם כל לענות מי שמכבס את הבגדים שלו במכונת כביסה.

בואו נזכור איך הבגדים נסלקים בעת כביסה במכונה. אם הכביסה בתוך התוף המסתובב - הצנטריפוגה - נערמת בצורה גרועה, המכונה מתחילה לרעוד ולרעום כאילו היא רוצה להפוך למכונית קטנה. מי דוחף אותה מבפנים? כמובן, הכוח הצנטריפוגלי הפועל מהבגדים החבורים. אנחנו צריכים לאלף את זה - לעצור את המכונה ולהניח את הכביסה בצורה אחידה יותר. הדבר הטוב הוא שהצנטריפוגה לא מסתובבת מהר מדי: 300-500 סל"ד, כך שניתן לעצור אותה בלחיצת כפתור אחת. אבל בטכנולוגיה אנחנו מתמודדים כל הזמן עם מהירויות סיבוב גבוהות משמעותית ומסות סיבוב עצומות. כוחות צנטריפוגליים לא מאוזנים עלולים לגרום לנזק חמור. הם גורמים לרטט, מגבירים חיכוך ובלאי של מיסבים. כתוצאה מכך, המכונה מתקלקלת במהירות. במקרים מסוימים, ייתכן שהכוח הצנטריפוגלי לא יאפשר לסלע להגיע למהירות הסיבוב הנדרשת כלל.

בואו נעשה ניסוי קטן: קחו מנוע מיקרו-חשמלי ונחבר את המגעים שלו לקטבי הסוללה. הקשיבו לרעש העדין של הרוטור המסתובב: המהירות הזוויתית שלו היא בערך 70 סל"ד. עכשיו בואו ננסה לצייד את המנוע בגלגל תנופה. כדי להתחיל, גזרו בגסות גלגל ממחק ביד, סמנו את מרכזו בעין בעיפרון, והצמידו אותו על הפיר במעט כוח. בואו נפעיל את המנוע. האם אתה מרגיש איך זה פועם ביד שלך, איך הסאונד השתנה בהשוואה לקודם? זה הפך נמוך בהרבה בגלל שמהירות סיבוב הרוטור ירדה פי 5-10. זה נובע מהכוח הצנטריפוגלי הלא מאוזן שנוצר על ידי גלגל התנופה הגומי.

עכשיו ברור למה אנחנו נלחמים בכוחות צנטריפוגליים. איך להיפטר מהם - או יותר נכון, מההשפעות הלא רצויות שלהם?

איזון הכוחות הצנטריפוגליים המופעלים על גוף מסתובב נקרא איזון בהנדסה. הדוגמה הפשוטה ביותר לאיזון היא ערימת כביסה בצנטריפוגה של מכונת כביסה.

רודף אחרי וקטור מסתובב

למרבה הצער, ברוב המוחלט של המקרים, האיזון קשה הרבה יותר. התיאוריה של איזון הרוטור פותחה לאחרונה יחסית - בשנת 1935 - על ידי המדען, המכונאי ובונה הספינות המדהים א.נ. קרילוב. בואו להכיר את היסודות של תיאוריה זו.

תנו לגוף קטן במסה m (נקודת חומר) להסתובב במעגל, תוך ביצוע n סיבובים לדקה. במכניקה, מהירות הסיבוב נמדדת בדרך כלל לפי זווית הסיבוב לשנייה; כמות זו נקראת מהירות זוויתית והיא מסומנת באות היוונית ω (אוֹמֶגָה). יש 60 שניות בדקה אחת, 2Pi רדיאנים במהפכה אחת, אז ω = 2Pi*n/60=0,1 n.

הבה נסמן ב-R את הווקטור המכוון מהציר לגוף המסתובב. אורכו שווה לרדיוס מעגל הסיבוב, לכן R נקרא וקטור הרדיוס (איור 1).

לחימה בכוח צנטריפוגלי

מסתבר שווקטור הכוח הצנטריפוגלי F מתקבל על ידי הכפלת וקטור הרדיוס במסת הגוף ובריבוע המהירות הזוויתית: F=m*ω²*R (ברור שהווקטורים F ו-R מכוונים באותו אופן). על פי חוק ניוטון III, הכוח הצנטריפטלי המופעל על גוף מסתובב ומחזיק אותו על מעגל הוא באותו גודל, אך בכיוון ההפוך. אם לא ניתן לייצג את הגוף כנקודה חומרית (זהו רוב הגופים), הכוח הצנטריפוגלי מחושב בדיוק באותו אופן, אבל במקום R נלקח r - וקטור הרדיוס של מרכז המסה של הגוף (איור 1).

מרכז המסה הוא הנקודה בה מתרכזת כל מסת הגוף. עבור גופים סימטריים (לדוגמה, גליל או כדור), מרכז המסה חופף למרכז הסימטריה. עם זאת, אי אפשר לייצר גוף סימטרי לחלוטין, ולכן המיקום של מרכז המסה לעולם אינו ידוע במדויק. בשל כך מתעורר הצורך באיזון גופים מסתובבים.

המכפלה של שני גורמים - וקטור הרדיוס של מרכז המסה ומסת הגוף - מכונה בדרך כלל וקטור חוסר האיזון או פשוט חוסר האיזון: d=m*r. חוסר האיזון נמדד בק"ג*מ'. הוא נעלם רק כאשר ציר הסיבוב עובר דרך מרכז המסה. כאשר גוף מסתובב, וקטור חוסר האיזון מסתובב איתו. כך שהכיוון שלו עולה בקנה אחד עם הכוח הצנטריפוגלי.

נחזור לניסיון שלנו עם גלגל התנופה וננסה לחשב את חוסר האיזון והכוח הצנטריפוגלי. תנו למסת גלגל התנופה m=30g, והמרחק מהציר למרכז המסה r=2 מ"מ. גודל חוסר האיזון במקרה זה הוא 0,002*0,03=6*10^-5 ק"ג. זה ייראה מעט מאוד. אבל עכשיו נניח שהרוטור מסתובב במהירות של 4500 סל"ד (זו מהירות הסיבוב של מנוע מיקרו-אלקטרי רגיל). לאחר מכן ω=450 ראד/שנייה, וכוח צנטריפוגלי F=d*ω²=12N. עומס כזה גדול באופן בלתי אפשרי עבור מיקרו-מנוע: כוח החיכוך במיסבים לא יאפשר לרוטור להסתובב כלל. גם עם גלגל תנופה קטן שכזה, אם הוא לא מאוזן, המיקרו-מוטור לא יוכל להגיע למהירות הנקובת שלו!

איזה ערך חוסר איזון מקובל ואיזה לא תלוי בעיקר בתכנון ובמהירות הסיבוב של הרוטור. טורבינה הידראולית במהירות נמוכה במשקל עשרות טונות יכולה להיות בעלת חוסר איזון של 10 ק"ג*מ' ללא הנזק הקטן ביותר, אבל טורבינת גז, ש-30 אלף סל"ד היא לא הגבול עבורה, אפילו 10^-6ק"ג*מ' זה קצת הרבה.

לחימה בכוח צנטריפוגלי

תסתכל על איור 2. זה מציג גלגל ברדיוס R עם חוסר איזון d. נניח שאנו יכולים למקם משקולות מתקנות נוספות על חישוק הגלגל, למשל, להדביק כדורי פלסטלינה. אז זה מאוד פשוט לפצות על חוסר האיזון: פשוט הניחו חתיכת פלסטלינה במסה mk=d/R בנקודה A. למעשה, כעת חוסר האיזון בגלגל יהיה אפס: d=d+R_A*d/R=dd. שימו לב שניתן לבחור את הרדיוס R בכל דרך, אך גם המסה של המשקל המתקן תשתנה. ולהפך, אם ניתנת המסה m'_k>=d/R, אז העומס הנוסף חייב להיות ממוקם במרחק d/m'_k מהמרכז.

תסתכל מקרוב על גלגלי המכוניות. על שפתיהם של כמה מהם תראו משקולות אובליות קטנות. עכשיו אתה צריך להבין את המטרה שלהם. עם זאת, לעתים קרובות יותר, מסות מתקנות לא מתווספות, אלא מוסרות. אחרי הכל, הוספת עומס של מסה מ_k לנקודה עם רדיוס וקטור R_A שווה ערך להסרת עומס מאותה מסה בנקודה הפוכה בקוטר (-R_A) (איור 2). בטכנולוגיה, זה נעשה לעתים קרובות: חור רדוד הוא קדח בנקודה הרצויה, אשר אינו מפר את כוחו של החלק המאוזן, ובכך להסיר את המסה הנדרשת. לעתים קרובות ניתן לראות חורים כאלה על גלגלי תנופה ורוטורים של מנועים חשמליים.

מכונת איזון על השולחן שלך

לא רק במפעלי בניית מכונות ובבתי תיקון רכב יש לבצע איזון בין חלקים מסתובבים שונים. כל טכנאי או דוגמן צעיר עלול בהחלט להיתקל במשימה כזו בעבודתו. לדגמים רבים יש גלגל תנופה. זהו פרט שימושי מאוד: גלגל התנופה מסוגל להחליק פעולת מנוע לא אחידה. גלגל תנופה לא מאוזן, להיפך, יגרום לרטט חזק ולא יאפשר למנוע לצבור מהירות. ניתן ליהנות מכל היתרונות של גלגל התנופה רק על ידי איזון קפדני שלו.

המכונה הפשוטה שאנו מביאים לידיעתכם תעזור לכם בכך. זהו קפיץ שטוח קבוע בקצה אחד, עליו מותקן מיקרו-מנוע עם גלגל תנופה מאוזן (איור 3). אתה יכול להשתמש בצלחת מגע מממסר ישן כקפיץ. יש לחבר בקצהו רסיס או קש ארוך וקל עם קצה מחודד.

הפעל את המנוע: רטט יתחיל מיד, שגודלו יצוין על ידי טווח התנודות של קצה הקש. כדי למדוד אותו, הנח סרגל שקוף עם סקאלת מילימטר ליד הקצה. ככל שהמנוע מסתובב למעלה, התנופה הזו תגדל או תקטן שוב. יתכן שבמהירות המרבית החוד יהיה כמעט ללא תנועה. לא בגלל, כמובן, הכוח הצנטריפוגלי נעלם: רק שהרגישות של הקפיץ לרטט בתדר גבוה קטנה יחסית. מסיבה זו, הנדנדה הגדולה ביותר של תנודות הקצה נמדדת "על החוף" - במהלך בלימת מנוע לאחר כיבוי הכוח. יש לבחור את אורך הקש, עובי הקפיץ והמיקום בו מותקן המנוע כך שהנדנדה תהיה גדולה ככל האפשר, ובכך תגביר את רגישות המכשיר שלך.

אז, גודל חוסר האיזון נמדד על ידי התנופה של קצה הקש. כמובן, איננו יודעים איזו כמות חוסר איזון מתאימה בדיוק לטווח של 7 מ"מ, למשל (למכשיר שלנו אין קנה מידה מדורג), אך אנו יכולים לומר בביטחון שככל שהטווח גדול יותר, כך חוסר האיזון גדול יותר.

עכשיו אתה צריך להצטייד בפלסטלינה ולהתחיל לאזן. עם זאת, תחילה אנו מתווים תוכנית ל"רדיפה" אחרי וקטור חוסר האיזון. בואו נדמיין את זה כסכום של תחזיות על שני צירים מאונכים: d=d_x+d_y (האיור 3).

(לחץ להגדלה)

יש לצייר את הצירים הללו (OX ו-OU) על גלגל התנופה באופן אקראי לחלוטין לפני תחילת האיזון. נפצה על מרכיבי חוסר האיזון בזה אחר זה: ראשית ד_x, ואז ד_y. על ידי הצבת משקל תיקון בכל נקודה A על ציר OX, איננו משנים את הרכיב d_y - אחרי הכל, OA מאונך ל-OA; רק d ישתנה_x. הזזת חתיכת פלסטלינה לאורך ציר ה-OX, מצא את המיקום שבו תוחלת הקצה (ועמו חוסר האיזון) היא הקטן ביותר. אם נקודה זו קרובה לשפת גלגל התנופה, קח חתיכה גדולה יותר; אם קרוב למרכז - פחות. רק זכור שאתה צריך להזיז את משקל הפלסטלינה מבלי להסיר את גלגל התנופה מהציר. באופן כללי, אם לאחר התחלת האיזון תשנה מסיבה כלשהי את מיקום גלגל התנופה על הציר, תצטרך להתחיל שוב באיזון.

לאחר שהשגת טווח מינימלי של תנועות של הקשית, קח עוד חתיכת פלסטלינה וחזור על אותו הליך, רק עכשיו עם ציר ה-OU (המשקל הראשון, כמובן, חייב להישאר במקומו). כך, מבלי לשנות את רכיב חוסר האיזון ד_x, צמצמו ככל האפשר את הרכיב ד_y. מכיוון שחוסר האיזון הכולל d=(d_x²+d_y²)^0.5, כתוצאה מכך ניתן לבטל אותו לחלוטין.

אולם למעשה, גם לא_x, וגם לא ד_y אינם מתוגמלים בדיוק מוחלט, כך שלא ניתן לצפות שרטט ייעלם לחלוטין. כדי לצמצם אותו למינימום, מרכיבי חוסר האיזון מתוקנים מספר פעמים ברציפות. בנוסף, המדידה עצמה יכולה להתבצע אחרת: תחילה קבע את כיוון חוסר האיזון, ולאחר מכן פיצוי על כך

מחבר: מ.מרקיש

אנו ממליצים על מאמרים מעניינים סעיף מעבדת מדע לילדים:

▪ כוחה של חלודה

▪ מטען סטטי על עצם נע

▪ תחנת מזג אוויר ביתית

ראה מאמרים אחרים סעיף מעבדת מדע לילדים.

תקרא ותכתוב שימושי הערות על מאמר זה.

<< חזרה

חדשות אחרונות של מדע וטכנולוגיה, אלקטרוניקה חדשה:

דרך חדשה לשלוט ולתפעל אותות אופטיים 05.05.2024

עולם המדע והטכנולוגיה המודרני מתפתח במהירות, ובכל יום מופיעות שיטות וטכנולוגיות חדשות שפותחות בפנינו אפשרויות חדשות בתחומים שונים. חידוש אחד כזה הוא פיתוח של מדענים גרמנים של דרך חדשה לשלוט באותות אופטיים, שעלולה להוביל להתקדמות משמעותית בתחום הפוטוניקה. מחקרים אחרונים אפשרו למדענים גרמנים ליצור לוח גלים שניתן לכוונן בתוך מוליך גל סיליקה מאוחה. שיטה זו, המבוססת על שימוש בשכבת גביש נוזלי, מאפשרת לשנות ביעילות את הקיטוב של האור העובר דרך מוליך גל. פריצת דרך טכנולוגית זו פותחת אפשרויות חדשות לפיתוח התקנים פוטוניים קומפקטיים ויעילים המסוגלים לעבד כמויות גדולות של נתונים. הבקרה האלקטרו-אופטית של הקיטוב שמספקת השיטה החדשה יכולה לספק את הבסיס לסוג חדש של התקנים פוטוניים משולבים. זה פותח הזדמנויות גדולות עבור ... >>

מקלדת Primium Seneca 05.05.2024

מקלדות הן חלק בלתי נפרד מעבודת המחשב היומיומית שלנו. עם זאת, אחת הבעיות העיקריות שעמן מתמודדים המשתמשים היא רעש, במיוחד במקרה של דגמי פרימיום. אבל עם מקלדת Seneca החדשה של Norbauer & Co, זה עשוי להשתנות. Seneca היא לא רק מקלדת, היא תוצאה של חמש שנים של עבודת פיתוח ליצירת המכשיר האידיאלי. כל היבט של מקלדת זו, ממאפיינים אקוסטיים ועד מאפיינים מכניים, נשקל ומאוזן בקפידה. אחד המאפיינים המרכזיים של Seneca הוא המייצבים השקטים שלה, הפותרים את בעיית הרעש המשותפת למקלדות רבות. בנוסף, המקלדת תומכת ברוחב מקשים שונים, מה שהופך אותה לנוחה לכל משתמש. למרות ש-Seneca עדיין לא זמין לרכישה, הוא מתוכנן לצאת בסוף הקיץ. Seneca של Norbauer & Co מייצגת סטנדרטים חדשים בעיצוב מקלדת. שֶׁלָה ... >>

המצפה האסטרונומי הגבוה בעולם נפתח 04.05.2024

חקר החלל והמסתורין שלו היא משימה שמושכת את תשומת לבם של אסטרונומים מכל העולם. באוויר הצח של ההרים הגבוהים, הרחק מזיהום האור בעיר, הכוכבים וכוכבי הלכת חושפים את סודותיהם בבהירות רבה יותר. עמוד חדש נפתח בהיסטוריה של האסטרונומיה עם פתיחתו של המצפה האסטרונומי הגבוה בעולם - מצפה הכוכבים אטקמה של אוניברסיטת טוקיו. מצפה הכוכבים אטקמה, הממוקם בגובה של 5640 מטר מעל פני הים, פותח הזדמנויות חדשות עבור אסטרונומים בחקר החלל. אתר זה הפך למיקום הגבוה ביותר עבור טלסקופ קרקעי, ומספק לחוקרים כלי ייחודי לחקר גלי אינפרא אדום ביקום. למרות שהמיקום בגובה רב מספק שמיים בהירים יותר ופחות הפרעות מהאטמוספירה, בניית מצפה כוכבים על הר גבוה מציבה קשיים ואתגרים עצומים. עם זאת, למרות הקשיים, המצפה החדש פותח בפני אסטרונומים אפשרויות מחקר רחבות. ... >>

חדשות אקראיות מהארכיון

מייבש כביסה TCL Twin Cabin Q10 25.09.2022

TCL הציגה את מכונת הכביסה Twin Cabin Q10 עם תוף עליון במשקל 6 ק"ג וטכנולוגיית יבש רך מיוננת.

מכונת הכביסה החדשה TCL מסוגלת לייבש בגדים ברציפות. הוא מצויד במנועי Nidec עם הנעה ישירה כפולה, המספקים הפחתת רעש מעולה ותפעול חלק.

ה-TCL החדש מציע עיצוב דופלקס עליון ותחתון תוף כפול. שני הצילינדרים בקוטר 510 מ"מ, מכונת הכביסה פועלת בצורה חלקה עם רמת רעש מקסימלית של 45 dB. תוף מחולל היונים התחתון יכול ליצור ריכוז עצום של רוח יונים, מה שהופך את הבגדים רכים ומסודרים.

מכונת הכביסה מצוידת בפנל מגע בדלת, המאפשר לבחור מבין יותר מ-20 תוכניות כביסה מקצועיות לסוגי בדים שונים. ניתן לשלוט במכשיר באמצעות האפליקציה.

מחיר ה-TCL Twin Cabin Q10 הוא 6999 יואן (993 דולר) בהזמנה מראש. אין מידע על זמינות גלובלית.

עוד חדשות מעניינות:

▪ מטענים 1600W עם גרסת מתלה 19 אינץ'

▪ ארנבות מאיימות על המורשת

▪ שבבי DDR8 של סמסונג בנפח 4 גיגה-בייט ומודולי DDR32 בנפח 4 גיגה-בייט

▪ גוגל תספק 27 מכשירי Chromebook לבתי ספר בארה"ב

▪ קבע את קצב ההתפשטות המדויק של היקום

עדכון חדשות של מדע וטכנולוגיה, אלקטרוניקה חדשה

חומרים מעניינים של הספרייה הטכנית החופשית:

▪ קטע אתר מילים מכונפות, יחידות ביטוי. בחירת מאמרים

▪ מאמר חיבור חלקים. היסטוריה של המצאות וייצור

▪ מאמר מהי השקיה? תשובה מפורטת

▪ מאמר נסיעה על קרח דק. עצות לטיול

▪ מאמר DC מנוע חשמלי. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל

▪ מאמר מתגים ותחנות משנה עם מתחים מעל 1 קילו וולט. תחנות שנאי מלאות, מוטות, תורן ונקודות חתך רשת. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל

השאר את תגובתך למאמר זה:

כל השפות של דף זה

בית | הספרייה | מאמרים | <font><font>מפת אתר</font></font> | ביקורות על האתר