Ha Ön mérnökhallgató vagy mérnök, valószínűleg tudja, mit jelent az, hogy valami forog.
De gondoltál már arra, hogyan mozognak a dolgok egy tengely körül? Ezt a láthatatlan vonalat forgástengelynek nevezzük.
Ez a mérnöki alapötlet, amely segít megérteni, hogyan mozognak például a fogaskerekek és a turbinák.
Ha megérti, mit jelent a forgástengely, többet megtudhat arról, hogyan mozognak a dolgok, amikor forognak, és jobban megértheti, milyen bonyolultak az általam mindennap használt gépek.
Ebben a cikkben a forgástengely alapjairól és annak fontosságáról fogok beszélni a mérnöki munkában.
Ez segít megérteni a forgó mozgást teljesen új módon.
Bevezetés a forgástengelybe
Formális meghatározás:
Egy egyenes vonal halad át egy forgó, merev test azon pontjain, amelyek mozdulatlanok maradnak, míg a test többi pontja körben mozog a tengely körül.
A mérnöki, a fizika és a mechanika egyik kulcsgondolata a forgástengely.
Ez egy összeállított egyenes vonal, amely átmegy egy háromdimenziós tárgyon, és amely körül a tárgy elfordulhat vagy foroghat.
Más szóval, ez az a vonal, amely körül egy merev test forog.
Az inerciális vonatkoztatási rendszer azt mutatja, hogy a forgástengely rögzíthető, és nem mozdul el és nem változtat irányt.
Ha egy test minden része körben mozog egyetlen vonal körül, amelyet forgástengelynek nevezünk, ezt tiszta forgó mozgásnak nevezzük.
A rögzített tengelyes hipotézis azt mondja, hogy egy tengely nem tudja megváltoztatni a helyzetét, így nem tud megmagyarázni olyan dolgokat, mint az ingadozás vagy a precesszió.
Belső forgástengely
A 3D-s térben lévő objektumok egynél több forgástengelyt tartalmazhatnak.
De nem lehetséges, hogy egy tárgy egyszerre két tengely körül forogjon.
Ha egy objektum új forgástengelye merőleges az eredeti tengelyére, akkor nem tud egyszerre mindkét tengelyen ellentétes irányba forogni.
Talál egy pontot, ahol a kettő egyensúlyban van, és ezen a vonalon egy harmadik forgástengelyt fog létrehozni.
A forgástengely az emberi anatómiában
Az anatómiában a forgástengely egy összeállított vonal, amely átmegy azon a ponton, ahol az ízület elfordul vagy elfordul.
Például a kar hajlításának és kiegyenesítésének forgástengelye átmegy a könyökcsuklón.
Az emberi anatómiában három tengely van.
- Az Anteroposterior Axis (Sagittalis Axis) a test elölről hátrafelé és felülről lefelé halad.
- Hosszanti tengely (függőleges tengely): felülről lefelé és elölről hátra halad a testen keresztül.
- Mediolaterális tengely (transzverzális tengely): balról jobbra és hátulról a test elé halad.
A merev test tájolása
A merev test tájolását a saját tengelyeinek iránya határozza meg.
Ezt a tájolást a gördülési kényszer és a pillanatnyi forgástengely határozza meg.
De ennek az elképzelésnek nincs sok köze a forgástengelyhez.
Tipp: Kapcsolja be a felirat gombot, ha szüksége van rá. Válassza az „automatikus fordítás” lehetőséget a beállítások gombban, ha nem ismeri az angol nyelvet. Előfordulhat, hogy először a videó nyelvére kell kattintania, mielőtt kedvenc nyelve elérhetővé válik a fordításhoz.
A forgás és a mozgás tengelye
A forgó mozgásról akkor beszélünk, amikor egy merev test olyan tengely körül mozog, amely nem mozog.
A forgó mozgás abban mutatkozik meg, ahogyan a Föld forog saját tengelye körül, és ahogyan a kerekek, fogaskerekek és motorok mozognak.
A mérnököknek gondolniuk kell a forgási tehetetlenségre, amikor forgó dolgokat készítenek, mert ez befolyásolja a motorok működését és a propellerek gyártását.
A forgási kinematika változóit és egyenleteit a nyomatékkal és a karokkal kapcsolatos valós problémák megoldására használják.
Az öt forgási kinematikai egyenlet segítségével példákat oldhat meg a forgó mozgásra.
Ezenkívül a forgási dinamika egy tárgy mozgását és az azt mozgató erőket vizsgálja.
A rögzített tengelyű forgás kinematikája és dinamikája
A rögzített tengely körüli forgás matematikailag könnyebben kitalálható, mint egy merev test szabad forgása, mivel egy tengely nem tudja megváltoztatni a helyzetét, és nem magyarázza meg az olyan dolgokat, mint az ingadozás vagy a precesszió.
Egy rögzített tengely körül forgó merev test kinematikája és dinamikája pontosan ugyanaz, mint az egyetlen rögzített irányban mozgó merev testé.
Ez nem igaz egy merev testre, amely bármely irányba szabadon foroghat.
A tárgy kinetikus energiájára és a részeire ható erőkre vonatkozó kifejezéseket is könnyebb leírni, ha az objektum nem szabadon, hanem egy rögzített tengely körül forog.
A forgási tehetetlenség és a változó forgási sebesség
Amikor egy tárgy távolabb kerül a forgástengelytől, egyre nehezebbé válik a rendszer forgási sebességének megváltoztatása.
Ennek az az oka, hogy a forgási tehetetlenség növekszik, ha a tömeg eltávolodik a tengelytől.
A forgási tehetetlenséget a tömeg és a tömegközéppont és a tengely közötti távolság egyaránt befolyásolja.
Amikor valamit húznak vagy eltolnak a középpontjától, nehezebb megváltoztatni a forgás sebességét.
Ez logikus, mert ha valaki az egyik végét húzva próbál megpörgetni valamit, akkor alapvetően arra törekszik, hogy az egyik oldal gyorsabban mozogjon, mint a másik.
Ha az egyik oldalnak nagyobb a súlya, vagy távolabb van attól, ahol a személy húz, nagyobb erőre lesz szükség ahhoz, hogy az oldalt ugyanolyan sebességgel mozgassa, mint a többit.
Forgó tárgyak stabilitása
Az, hogy valami stabil-e, amikor forog, attól függ, hogy milyen fő tengelyek körül forog.
Ha nincs kívülről forgató nyomaték, akkor az egyik tengely körül forgó tárgy néhány fő tengelye körül billeg, míg mások nem.
Bármilyen mozgás, amely ezekkel a tengelyekkel szembemegy, gyorsan megnőhet, és sokkal bonyolultabb mozgáshoz vezethet.
Például egy forgó csúcs inog, de amikor a súlypont egy vonalban van a forgástengellyel, akkor megáll.
A forgó rendszerek tervezésénél figyelembe kell venni az objektum és főtengelyeinek stabilitását, hogy azok jól és biztonságosan működjenek.
Tehetetlenségi nyomaték és forgástengely
A tehetetlenségi nyomaték a forgási tehetetlenség mérésének módja, amely a szögsebesség változásával szembeni ellenállás egy rögzített tengely körül.
Megmutatja, hogy mekkora tömeg van a forgástengely közelében, és mennyi tömeg van távolabb.
A tehetetlenségi nyomatékot kevésbé befolyásolják a tengelyhez közeli tömegek, és inkább a távolabbi tömegek.
A forgási kinetikus energia egyenletének integrált alakja felhasználható a tehetetlenségi nyomaték kiszámítására.
Ennek az az oka, hogy a tehetetlenségi nyomaték és a szögsebesség négyzete közvetlenül összefügg.
Tehetetlenségi nyomatékok számítása
A forgási kinetikus energia egyenletének integrált alakja felhasználható a tehetetlenségi nyomaték kiszámítására.
Ezzel az egyenlettel meghatározhatja a szabályos alakú merev testek, például hengerek és gömbök tehetetlenségi nyomatékát.
Különböző alakú testek tehetetlenségi nyomatékának meghatározására kísérletekkel lehet megkeresni.
A tehetetlenségi nyomaték fizikai jelentése az, hogy megmutatja, milyen nehéz megváltoztatni egy tárgy tengely körüli forgását.
A tengelyüktől távolabbi tömegű tárgyak nagyobb tehetetlenségi nyomatékkal rendelkeznek, és nehezebben forgathatók, mint a tengelyüktől távolabbi kisebb tömegű tárgyak.
A tehetetlenségi nyomaték alkalmazásai
A mérnöki tudományban és a fizikában a tehetetlenségi nyomaték nagyon fontos fogalom.
Használják például motorok, turbinák és más mozgó alkatrészeket tartalmazó gépek és szerszámok tervezésénél.
A mérnökök a tehetetlenségi nyomatékot is felhasználják, hogy kitalálják, mennyire stabilak a dolgok, amikor egy tengely körül forognak.
A tehetetlenségi nyomatékot arra is használják, hogy kitaláljuk, mekkora nyomaték szükséges egy tárgy bizonyos módon történő mozgásához.
Nyomaték és szögnyomaték
A nyomaték egy módja annak, hogy mérjük azt az erőt, amely elfordít valamit egy tengely körül.
Minél nehezebb egy tárgynak szöggyorsulást elérni, annál nagyobb a forgási tehetetlensége.
Ez a forgó rendszer olyan tulajdonsága, amely a rendszer tömegének eloszlásától függ.
Forgási egyensúly
Egy forgó rendszer esetében a forgási egyensúly fogalma megegyezik Newton első törvényével.
Ha valami nem forog, az így is marad, hacsak egy külső erő nem változtat rajta.
Ugyanígy egy állandó szögsebességgel forgó tárgy tovább forog, hacsak nem hat rá külső erő.
Tehetetlenségi nyomaték
A tehetetlenségi nyomaték (I) egyenlő az összes elem tömegének és a forgástengelytől való távolságuk összegének szorzatával 4-szer.
Ez egy kulcsfontosságú paraméter annak meghatározásához, hogy mennyire könnyű vagy nehéz megváltoztatni valami forgási módját.
A külső erők által egy rendszerre gyakorolt teljes nyomaték egyenlő a szöggyorsulás I-szerese.
Ha a testre ható nyomatékok nem kiegyenlítettek, ami azt jelenti, hogy a teljes nyomaték nem nulla, akkor a test gyorsabban fog forogni.
Newton második forgatási törvénye megmondja, hogyan működik ez.
A szögimpulzus megőrzése
Ha nincs kívülről érkező nyomaték, a rendszer teljes szögimpulzusa változatlan marad.
Ez azt jelenti, hogy ha nincs nettó külső nyomaték egy pont körül egy rögzített tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben, akkor a részecskerendszer szögimpulzusa az adott térpont körül változatlan marad.
A lineáris impulzus és erő forgási változatai a nyomaték és a szögimpulzus.
Használati esetek
| Használt: | Leírás: |
|---|---|
| Robotika | A forgástengely a robot ízületeinek és karjainak mozgását szabályozza. A mérnökök a forgástengely vezérlésével programozhatják a robotokat bonyolult feladatok precíz és pontos elvégzésére. Például a forgástengelyt arra használják, hogy szabályozzák, hogyan mozogjon egy robotkar, amikor autóalkatrészeket hegeszt egy összeszerelősoron. |
| Turbógépek | A turbinák, kompresszorok és egyéb turbógépek a forgástengelyt használják az energia átvitelére a mozgó és nem mozgó alkatrészek között. A mérnököknek gondosan meg kell tervezniük a forgástengely alakját és helyét, hogy a gép a lehető legjobban és a lehető leghatékonyabban működjön. |
| Repülőgép | A forgástengely kulcsfontosságú része annak, hogyan épülnek fel és mennyire stabilak. Ahhoz, hogy egy sík stabil és könnyen irányítható legyen, súlypontjának egy vonalban kell lennie a forgástengelyével. A mérnökök a forgástengely segítségével kitalálják a tehetetlenségi nyomatékokat és megtervezik a repülőgép vezérlőrendszereit. |
| Mélyépítés | Az olyan szerkezetek, mint a hidak, épületek és gátak, a forgástengelyt szem előtt tartva készülnek. A mérnököknek gondoskodniuk kell arról, hogy a forgástengely egy vonalban legyen a teherhordó részekkel, hogy megbizonyosodjon arról, hogy a szerkezet stabil és erős. |
| Az elektromosság tanulmányozása | A motorok és generátorok a forgástengely figyelembevételével készülnek. Elektromos motorban vagy generátorban a forgórész a forgástengely körül forog, hogy elektromosságot termeljen. A mérnököknek úgy kell megtervezniük a forgástengelyt, hogy a lehető legkevesebb súrlódás legyen, és a legtöbb munkát végezzék el. |
Következtetés
Összefoglalva, a forgástengely egy nagyon fontos mérnöki fogalom, amely sokat elárulhat arról, hogyan mozognak a dolgok, amikor forognak.
A forgástengely ismeretében pontosabban és pontosabban elemezheti és tervezheti a gépeket, ami jobban működő és hatékonyabb tervekhez vezet.
De amellett, hogy hasznos, a forgástengely egyben emlékeztet arra is, hogy a természet milyen szép és bonyolult.
A forgástengely minden forgási mozgás középpontjában áll, a csúcs kecses forgásától a turbina erőteljes mozgásáig.
Olyan módon köt össze minket a körülöttünk lévő világgal, amiről talán nem is vagyunk tudatában.
Tehát, ha legközelebb lát valamit forogni, gondoljon arra a láthatatlan tengelyre, amely körül forog, és gondolja át, milyen csodálatos és bonyolult erők alkotják a világunkat.
Oszd meg…
