Jos olet insinööriopiskelija tai insinööri, tiedät todennäköisesti, mitä tarkoittaa, että jokin pyörii.
Mutta oletko koskaan ajatellut, kuinka asiat liikkuvat akselin ympäri? Tätä näkymätöntä linjaa kutsutaan pyörimisakseliksi.
Se on tekniikan perusidea, joka auttaa ymmärtämään, kuinka vaihteet ja turbiinit liikkuvat.
Kun ymmärrät pyörimisakselin merkityksen, voit oppia lisää siitä, miten asiat liikkuvat pyöriessään, ja saada paremman käsityksen siitä, kuinka monimutkaisia päivittäin käyttämäni koneet ovat.
Tässä artikkelissa puhun pyörimisakselin perusteista ja sen tärkeydestä tekniikassa.
Tämä auttaa sinua ymmärtämään pyörivää liikettä aivan uudella tavalla.
Johdatus pyörimisakseliin
Muodollinen määritelmä:
Suora viiva kulkee pyörivän, jäykän kappaleen paikoillaan pysyvien pisteiden läpi, kun taas kappaleen muut pisteet liikkuvat ympyröinä akselin ympäri.
Keskeinen ajatus tekniikassa, fysiikassa ja mekaniikassa on pyörimisakseli.
Se on muodostettu suora viiva, joka kulkee kolmiulotteisen kohteen läpi ja jonka ympäri esine voi kääntyä tai pyöriä.
Toisin sanoen se on linja, jonka ympäri jäykkä runko pyörii.
Inertiaalinen vertailukehys osoittaa, että pyörimisakseli voi olla kiinteä, eikä se liiku tai muuta suuntaa.
Kun jokainen kehon osa liikkuu ympyrässä yhden linjan ympäri, jota kutsutaan pyörimisakseliksi, sitä kutsutaan puhtaaksi pyöriväksi liikkeeksi.
Kiinteän akselin hypoteesi sanoo, että akseli ei voi muuttaa sijaintiaan, joten se ei voi selittää asioita, kuten huojuntaa tai precessiota.
Sisäinen pyörimisakseli
3D-avaruudessa olevilla esineillä voi olla sisällään useampi kuin yksi pyörimisakseli.
Mutta esine ei voi kääntyä kahden näistä akselista samanaikaisesti.
Jos objektin uusi pyörimisakseli on kohtisuorassa alkuperäiseen akseliinsa nähden, se ei voi pyöriä vastakkaisiin suuntiin molemmilla akseleilla samanaikaisesti.
Se löytää pisteen, jossa nämä kaksi ovat tasapainossa, ja tätä linjaa pitkin se tekee kolmannen pyörimisakselin.
Kiertoakseli ihmisen anatomiassa
Anatomiassa kiertoakseli on muodostettu viiva, joka kulkee pisteen läpi, jossa nivel kääntyy tai kääntyy.
Esimerkiksi käden taivutuksen ja oikaisun pyörimisakseli kulkee kyynärnivelen läpi.
Ihmisen anatomiassa on kolme akselia.
- Anteroposterior Axis (Sagittal Axis) kulkee kehon edestä taakse ja ylhäältä alas.
- Pituusakseli (pystyakseli): Se kulkee ylhäältä alas ja edestä taaksepäin kehon läpi.
- Mediolateraalinen akseli (poikittainen akseli): Se kulkee vasemmalta oikealle ja takaa kehon eteen.
Jäykän rungon suuntaus
Jäykän kappaleen suuntaus riippuu siitä, miten sen omat akselit osoittavat.
Tämä suuntaus määräytyy vierintärajoituksen ja hetkellisen pyörimisakselin avulla.
Mutta tällä idealla ei ole paljon tekemistä pyörimisakselin kanssa.
Vinkki: Ota tekstityspainike käyttöön, jos tarvitset sitä. Valitse asetuspainikkeesta "automaattinen käännös", jos et tunne englannin kieltä. Sinun on ehkä napsautettava ensin videon kieltä, ennen kuin suosikkikielesi on saatavilla käännettäväksi.
Pyörimis- ja liikeakseli
Pyörimisliike tarkoittaa, kun jäykkä kappale liikkuu akselin ympäri, joka ei liiku.
Pyörimisliike voidaan nähdä tavassa, jolla maa pyörii oman akselinsa ympäri ja kuinka pyörät, vaihteet ja moottorit liikkuvat.
Insinöörien on otettava huomioon pyörimishitaus tehdessään pyöriviä asioita, koska se vaikuttaa moottoreiden toimintaan ja potkureiden valmistukseen.
Pyörimiskinematiikan muuttujia ja yhtälöitä käytetään ratkaisemaan todellisia vääntömomentin ja vipuvarsien ongelmia.
Voit ratkaista esimerkkejä pyörivästä liikkeestä käyttämällä viittä rotaatiokinemaattista yhtälöä.
Myös pyörimisdynamiikka tarkastelee kohteen liikettä ja voimia, jotka saavat sen liikkumaan.
Kiinteän akselin pyörimisen kinematiikka ja dynamiikka
Pyöriminen kiinteän akselin ympäri on helpompi laskea matemaattisesti kuin jäykän kappaleen vapaa pyöriminen, koska akseli ei voi muuttaa asemaansa eikä se voi selittää asioita, kuten huojuntaa tai precessiota.
Kiinteän akselin ympäri pyörivän jäykän kappaleen kinematiikka ja dynamiikka ovat täsmälleen samat kuin yhteen kiinteään suuntaan liikkuvan jäykän kappaleen.
Tämä ei päde jäykkään runkoon, joka voi pyöriä vapaasti mihin tahansa suuntaan.
Esineen kineettisen energian ja sen osiin kohdistuvien voimien lausekkeet on myös helpompi kirjoittaa, kun esine pyörii kiinteän akselin ympäri vapaan sijasta.
Pyörimishitaus ja muuttuva pyörimisnopeus
Kun esine siirtyy kauemmas pyörimisakselista, järjestelmän pyörimisnopeutta on yhä vaikeampi muuttaa.
Tämä johtuu siitä, että pyörimishitaus kasvaa massan liikkuessa poispäin akselista.
Pyörimisinertiaan vaikuttavat sekä massa että etäisyys massan keskipisteestä akseliin.
Kun jotain vedetään tai työnnetään pois keskustastaan, sen pyörimisnopeutta on vaikeampi muuttaa.
Tämä on järkevää, koska jos joku yrittää pyörittää jotain vetämällä toisesta päästä, hän periaatteessa yrittää saada toisen puolen liikkumaan nopeammin kuin toisella puolella.
Jos toisella puolella on enemmän painoa tai se on kauempana paikasta, jossa henkilö vetää, tarvitaan enemmän voimaa, jotta tämä puoli liikkuu samalla nopeudella kuin muut.
Pyörivien esineiden vakaus
Se, onko jokin vakaa pyöriessään vai ei, riippuu pääakseleista, joita se pyörii.
Jos vääntömomentteja ei ole ulkopuolelta, yhden akselin ympäri pyörivä esine huojuu joidenkin pääakseleidensa ympäri, mutta ei muiden.
Kaikki näitä akseleita vastaan menevät liikkeet voivat nopeasti kasvaa ja johtaa paljon monimutkaisempiin liikkeisiin.
Esimerkiksi pyörivä kärki huojuu, mutta kun painopiste on linjassa pyörimisakselin kanssa, se pysähtyy.
Pyöriviä järjestelmiä suunniteltaessa tulee ottaa huomioon kohteen ja sen pääakselien vakaus, jotta ne toimivat hyvin ja turvallisesti.
Hitausmomentti ja pyörimisakseli
Hitausmomentti on tapa mitata pyörimishitautta, joka on vastus kulmanopeuden muutoksille kiinteän akselin ympäri.
Se näyttää kuinka paljon massaa on lähellä pyörimisakselia ja kuinka paljon massaa on kauempana.
Hitausmomenttiin vaikuttavat vähemmän massat, jotka ovat lähellä akselia, ja enemmän massat, jotka ovat kauempana.
Pyörimiskineettisen energian yhtälön integraalimuotoa voidaan käyttää hitausmomentin selvittämiseen.
Tämä johtuu siitä, että hitausmomentti ja kulmanopeuden neliö liittyvät suoraan toisiinsa.
Hitausmomenttien laskeminen
Pyörimiskineettisen energian yhtälön integraalimuotoa voidaan käyttää hitausmomentin selvittämiseen.
Tämän yhtälön avulla voit selvittää säännöllisen muotoisten jäykkien kappaleiden, kuten sylinterien ja pallojen, hitausmomentin.
Kokeiden avulla voidaan löytää erimuotoisten kappaleiden hitausmomentti.
Hitausmomentin fyysinen merkitys on, että se osoittaa, kuinka vaikeaa on muuttaa tapaa, jolla esine pyörii akselin ympäri.
Esineillä, joilla on enemmän massaa kauempana akselistaan, on suurempi hitausmomentti ja niitä on vaikeampi kääntää kuin esineillä, joiden massa on kauempana akselistaan.
Hitausmomentin sovellukset
Inertiassa ja fysiikassa hitausmomentti on erittäin tärkeä käsite.
Sitä käytetään esimerkiksi moottoreiden, turbiinien ja muiden koneiden ja työkalujen suunnittelussa, joissa on liikkuvia osia.
Insinöörit käyttävät myös hitausmomenttia selvittääkseen, kuinka vakaita asiat ovat, kun ne pyörivät akselin ympäri.
Hitausmomenttia käytetään myös sen selvittämiseen, kuinka paljon vääntömomenttia tarvitaan, jotta esine liikkuisi tietyllä tavalla.
Vääntömomentti ja kulmamomentti
Vääntömomentti on tapa mitata voima, joka voi kääntää jotain akselin ympäri.
Mitä vaikeampaa esineen on saada kulmakiihtyvyyttä, sitä suurempi on sen pyörimishitaus.
Tämä on pyörivän järjestelmän ominaisuus, joka riippuu siitä, kuinka järjestelmän massa jakautuu.
Pyörimistasapaino
Pyörivälle järjestelmälle ajatus pyörimistasapainosta on sama kuin Newtonin ensimmäinen laki.
Jos jokin ei pyöri, se pysyy sellaisena, ellei ulkopuolinen voima muuta sitä.
Samalla tavalla kappale, joka pyörii vakiokulmanopeudella, jatkaa pyörimistä, ellei siihen vaikuta ulkopuolinen voima.
Hitausmomentti
Hitausmomentti (I) on yhtä suuri kuin kaikkien elementtien massojen summa kertaa niiden etäisyydet pyörimisakselista kertaa neljä.
Se on keskeinen parametri sen selvittämisessä, kuinka helppoa tai vaikeaa on muuttaa pyörimistapaa.
Ulkopuolisten voimien järjestelmään kohdistama kokonaisvääntömomentti on I kertaa sen kulmakiihtyvyys.
Jos runkoon vaikuttavat vääntömomentit eivät ole tasapainossa, mikä tarkoittaa, että kokonaisvääntömomentti ei ole nolla, runko pyörii nopeammin.
Newtonin toinen pyörimistä koskeva laki kertoo, kuinka tämä toimii.
Kulmamomentumin säilyminen
Kun vääntömomentteja ei ole ulkopuolelta, järjestelmän kokonaiskulmamomentti pysyy samana.
Tämä tarkoittaa, että jos kiinteän inertiavertailukehyksen pisteen ympärillä ei ole nettoulkoista vääntömomenttia, hiukkasjärjestelmän kulmamomentti tämän pisteen ympärillä pysyy samana.
Lineaarisen liikemäärän ja voiman rotaatioversiot ovat vääntömomentti ja kulmamomentti.
Käytä koteloita
| Käytetty: | Kuvaus: |
|---|---|
| Robotiikka | Pyörimisakselilla ohjataan robotin nivelten ja käsivarsien liikkumista. Insinöörit voivat ohjelmoida robotit suorittamaan monimutkaisia tehtäviä tarkasti ja tarkasti ohjaamalla pyörimisakselia. Pyörimisakselilla ohjataan esimerkiksi sitä, miten robottivarsi liikkuu, kun se hitsaa auton osia kokoonpanolinjalla. |
| Turbokoneet | Turbiinit, kompressorit ja muut turbokoneet käyttävät pyörimisakselia siirtääkseen energiaa liikkuvien ja liikkumattomien osien välillä. Insinöörien on suunniteltava huolellisesti pyörimisakselin muoto ja sijainti varmistaakseen, että kone toimii mahdollisimman hyvin ja tehokkaasti. |
| Ilma-alus | Pyörimisakseli on keskeinen osa niiden rakennetta ja vakautta. Jotta taso olisi vakaa ja helppo hallita, sen painopisteen on oltava linjassa sen pyörimisakselin kanssa. Insinöörit selvittävät pyörimisakselin avulla hitausmomentteja ja suunnittelevat lentokoneen ohjausjärjestelmiä. |
| Maa- ja vesirakentaminen | Rakenteet, kuten sillat, rakennukset ja padot, on tehty pyörimisakselia ajatellen. Insinöörien on varmistettava, että pyörimisakseli on linjassa kantavien osien kanssa, jotta rakenne on vakaa ja vahva. |
| Sähkön tutkimus | Moottorit ja generaattorit on valmistettu pyörimisakselia ajatellen. Sähkömoottorissa tai generaattorissa roottori pyörii pyörimisakselin ympäri tuottaakseen sähköä. Insinöörien tulee suunnitella pyörimisakseli siten, että kitkaa on mahdollisimman vähän ja työ tehdään mahdollisimman paljon. |
Johtopäätös
Lopuksi totean, että pyörimisakseli on erittäin tärkeä suunnittelukonsepti, joka voi kertoa meille paljon siitä, kuinka asiat liikkuvat pyöriessään.
Pyörimisakselin tuntemalla voit analysoida ja suunnitella koneita tarkemmin ja tarkkuudella, mikä johtaa paremmin toimiviin ja tehokkaampiin suunnitelmiin.
Mutta sen lisäksi, että pyörimisakseli on hyödyllinen, se on myös muistutus siitä, kuinka kaunis ja monimutkainen luonto on.
Pyörimisakseli on kaiken pyörimisliikkeen keskipiste, huipullin sulavasta pyörimisestä turbiinin voimakkaaseen liikkeeseen.
Se yhdistää meidät ympäröivään maailmaan tavoilla, joista emme ehkä edes ole tietoisia.
Joten kun seuraavan kerran näet jotain pyörivän, ajattele näkymätöntä akselia, jonka ympäri se pyörii, ja ajattele kuinka ihmeellisiä ja monimutkaisia maailmaamme muokkaavat voimat ovat.
Jaa…
