Smagratis: kas tai, veikimo principas ir panaudojimas

Smagratis - tai sunkus diskas arba ratas, pritvirtintas prie besisukančio veleno. Smagračiai naudojami kinetinei energijai kaupti. Dėl smagračio pagreičio jis nelengvai keičia sukimosi greitį. Dėl šios priežasties smagračiai padeda išlaikyti tą patį veleno sukimosi greitį. Tai padeda, kai veleną veikiantis sukimo momentas dažnai kinta. Netolygus sukimo momentas gali pakeisti sukimosi greitį. Kadangi smagratis priešinasi greičio pokyčiams, jis sumažina netolygaus sukimo momento poveikį. Varikliuose, kuriuose galia užtikrinama naudojant stūmoklius, paprastai būna netolygus sukimo momentas ir šiai problemai išspręsti naudojami smagračiai.

Kad ratas (bet koks ratas) suktųsi, reikia energijos. Jei trintis nedidelė (geri guoliai), ratas sukasi ilgai. Kai energijos prireikia, ją vėl galima paimti iš rato. Taigi tai paprasta mechaninė energijos kaupimo priemonė. Sukauptos energijos kiekis priklauso nuo svorio ir sukimosi greičio - sunkesniam ratui suktis greičiau reikia daugiau energijos. Kitas veiksnys yra spindulys (dydis), nes kuo toliau nuo ašies yra rato dalis, tuo daugiau energijos reikia ratui suktis. Šiuos tris veiksnius galima išreikšti M (mase), ω {\displaystyle \omega } $\omega$ (kampinis greitis) ir R (spindulys). Sujungus dvi toliau pateiktas lygtis gaunama ω {\displaystyle \omega } $\omega$ ^2MR2/4. Skraidantis ratas - tai ne bet koks ratas, o specialiai sukurtas energijai kaupti. Taigi jis turėtų būti sunkus ir (arba) greitai suktis. Pavyzdžiui, kai kurie autobusai turi smagračio ratą, kuris naudojamas stabdymui ir paleidimui. Kai autobusas sustoja (pvz., prie šviesoforo), smagratis yra sujungtas su ratais, todėl sukimosi energija perduodama jam, todėl autobusas sulėtėja, o smagratis pagreitėja. Tada, kai autobusas vėl turi pradėti važiuoti, jis vėl prijungiamas ir energija perduodama atgal. Žinoma, nenorėtumėte autobuse nešiotis sunkaus rato, todėl jis pagamintas iš lengvesnės medžiagos, kuri gali atlaikyti itin greitą sukimąsi.

Kaip veikia smagratis

Smagratis kaupia energiją sukimosi pavidalu. Kai velenas arba variklis suteikia energiją, smagratis pagreitėja; kai reikia, sukimosi energija grąžinama atgal į mechanizmą. Pagrindinis principas – inercijos momentas (moment of inertia): didesnis inercijos momentas reiškia, kad užtenka daugiau energijos pakeisti rato sukimosi greitį, todėl sistema tampa stabilesnė prieš momentinio apkrovimo pokyčius.

Formulės ir fizikos paaiškinimas

Pagrindinė kinetinės sukimosi energijos formulė yra:

E = 1/2 I ω², kur E – sukaupta energija (džauliais), I – inercijos momentas, ω – kampinis greitis (rad/s).
Jei smagratis yra kietas, vienalytis diskas, jo inercijos momentas I = 1/2 M R² (M – masė, R – spindulys). Apjungus gaunama E = 1/4 M R² ω².

Taigi energiją didina ne tik masė, bet ir spindulys bei kvadratiškai priklauso nuo kampinio greičio: padidinus ω dukart, energija padidėja keturgubai. Dėl to daugeliu atvejų ekonomiškiau projektuoti lengvesnius, bet labai greitai besisukančius smagračius (ypač pažangiose energijos kaupimo sistemose).

Panaudojimas

Automobilių ir sunkvežimių varikliai – smagratis lygina netolygų stūmoklių sukimo momentą.
Transporto priemonės su energijos regeneracija (pvz., autobusai, tramvajai) – energija kaupiama stabdant ir grąžinama paleidžiant.
Industriinės mašinos – stabilizuoja greitį, tiekia trumpalaikes dideles galios bangas.
Energijos kaupimo sistemos (flywheel energy storage) – trumpalaikei elektros energijos kompensacijai, UPS, tinklo stabilizavimui.
Pulsuojančios galios įrenginiai, kosminės technologijos ir laboratoriniai bandymai, kur reikia greitai išleisti sukauptą energiją.

Dizainas, medžiagos ir technologijos

Pagal paskirtį smagračiai gali būti:

Sunkiųjų masių (žemesnių apsukų) – didelis svoris arti išorinio rato, naudojami, kai vietos yra pakankamai ir nereikia itin didelių apsukų.
Didelių apsukų, lengvos konstrukcijos (kompozitiniai arba plieniniai) – didesnė energijos tankis dėl didelio ω. Tokie smagračiai dažnai sukami vakuume ir ant magnetinių arba itin tikslių guolių, kad sumažinti trintį.

Šiuolaikinėse aukštos klasės sistemose naudojami anglies pluošto kompozitai, leidžiantys padidinti leistiną apsukų greitį ir taip padidinti sukauptą energiją be didelio masės didinimo.

Saugumas ir priežiūra

Smagratis, ypač greitai besisukantis, kaupia daug energijos – reikia mechaninio apsauginio gaubto arba apsauginės talpos, kad esant gedimui fragmentai nesužalotų aplinkinių.
Vakuuminės kamerų ir magnetinių guolių naudojimas sumažina trintį ir susidėvėjimą.
Reguliarus balansavimas, guolių patikra ir izoliacijos sistemos tikrinimas yra būtini ilgalaikiam saugiam darbui.

Privalumai ir trūkumai

Privalumai: ilgas eksploatacijos laikas, greitas energijos įkrovimas ir iškrovimas, didelis efektyvumas trumpalaikėse panaudojimo sritinėse.
Trūkumai: didelis tūris arba masė, jei nereikia aukštų apsukų; saugumo reikalavimai dėl galimų gedimų; ilgos trukmės energijos saugojimui mažiau tinkami (dėl galimo lėto energijos praradimo per trintį).

Praktiniai pavyzdžiai

Autobusų regeneracinės stabdymo sistemos: smagratis kaupia stabdymo metu energiją ir grąžina ją pajudinant.
Pramonėje – leidžia ritmingai tiekti dideles galios bangas, pvz., įsijungiant sunkiosioms apkrovoms.
Skraidančiųjų ratų (flywheel) energijos kaupimo stotys – mažesnės infrastruktūros alternatyva baterijoms trumpalaikiam tinklo stabilizavimui.

Apibendrinant: smagratis – paprastas, bet efektyvus mechaninis energijos kaupimo elementas. Jo veikimas remiasi inercijos momentu ir kampiniu greičiu, o konkreti konstrukcija parenkama pagal reikalavimus: ar svarbesnė masė, ar aukštas sukimasis, ar saugumas ir ilgaamžiškumas.

Spyruoklinis smagratis

Paprastas judantis smagratis. Sukonstruotas pagal Leonardo da Vinčio brėžinius

Svyruoklių matematika

Besisukančio smagračio kinetinė energija yra

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

Kai masės centro inercijos momentas yra lygus

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

kur I {\displaystyle I} yra masės inercijos momentas sukimosi centro atžvilgiu, o ω {\displaystyle \omega } $\omega$ (omega) - kampinis greitis radianų vienetais.

Istorija

Smagratis naudojamas nuo seniausių laikų, labiausiai paplitęs tradicinis pavyzdys - puodžiaus ratas. Pramonės revoliucijos metu Džeimsas Vatas (James Watt) prisidėjo prie smagračio kūrimo garo mašinoje, o jo amžininkas Džeimsas Pikardas (James Pickard) naudojo smagratį.

Kitos reikšmės

Rizikos kapitalo pasaulyje sąvoka "smagratis" vartojama apibūdinti nuolat besikartojančiam, maržą generuojančiam verslo centrui.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra skraidyklė?

A: Sraigtasparnis - tai sunkus diskas arba ratas, pritvirtintas prie besisukančio veleno. Jis naudojamas kinetinei energijai kaupti ir padeda išlaikyti tą patį veleno sukimosi greitį, atsispiria greičio pokyčiams dėl netolygaus sukimo momento.

K: Kaip smagratis kaupia energiją?

A: Smagratis kaupia energiją, paimdamas ją iš rato, kai šis sukasi, ir vėl ją atiduodamas, kai reikia energijos. Sukauptos energijos kiekis priklauso nuo jo masės, kampinio greičio ir spindulio.

K: Kokios yra kai kurios smagračio panaudojimo sritys?

A: Sraigtasparniai naudojami varikliuose, kuriuose galios tiekimui naudojami stūmokliai, nes jie padeda išspręsti netolygaus sukimo momento, keičiančio sukimosi greitį, problemą. Jie taip pat naudojami autobusuose stabdymui ir paleidimui, kai ratų sukimosi energija perduodama smagračiui, kad jis galėtų sulėtinti greitį ir kartu pagreitėti.

K: Kokie veiksniai turi įtakos tam, kiek energijos gali sukaupti smagratis?

A.: Energijos kiekis, sukauptas smagratyje, priklauso nuo jo masės, kampinio greičio ir spindulio. Sunkesniems svoriams, kurių greičiai didesni, sukti reikia daugiau energijos nei lengvesniems svoriams, kurių greičiai mažesni.

K: Ar visi ratai laikomi smagračiais?

A: Ne, ne visi ratai laikomi smagračiais. Smagračiai yra specialiai sukurti kinetinei energijai kaupti, todėl, kad tai būtų daroma efektyviai, jie turi būti sunkūs arba suktis greitai.

K.: Kaip autobusas naudoja smagratį?

A: Autobusai naudoja smagračius, prijungdami juos prie ratų, kai sustoja (pvz., prie šviesoforų). Taip sukimosi energija iš ratų perduodama smagračiui, kad jis galėtų sulėtinti greitį, o vėliau, vėl pradėdamas važiuoti, vėl pagreitėtų.