Forstå Rotasjonsakse I Ingeniørfag

Hvis du er ingeniørstudent eller ingeniør, vet du sannsynligvis hva det betyr at noe roterer.

Men har du noen gang tenkt på hvordan ting beveger seg rundt en akse? Denne usynlige linjen kalles rotasjonsaksen.

Det er en grunnleggende idé innen ingeniørfag som hjelper deg å forstå hvordan ting som gir og turbiner beveger seg.

Ved å forstå hva rotasjonsaksen betyr, kan du lære mer om hvordan ting beveger seg når de roterer og få en bedre forståelse av hvor kompliserte maskinene jeg bruker hver dag er.

I denne artikkelen vil jeg snakke om det grunnleggende om rotasjonsaksen og hvor viktig det er i engineering.

Dette vil hjelpe deg å forstå rotasjonsbevegelse på en helt ny måte.

Introduksjon til rotasjonsakse

Formell definisjon:

En rett linje går gjennom punktene til et roterende, stivt legeme som forblir stasjonære mens de andre punktene på kroppen beveger seg i sirkler rundt aksen.

En nøkkelide innen ingeniørfag, fysikk og mekanikk er rotasjonsaksen.

Det er en sammensatt rett linje som går gjennom et tredimensjonalt objekt og som objektet kan snu eller snurre rundt.

Det er med andre ord linjen som en stiv kropp kretser rundt.

En treghetsreferanseramme viser at rotasjonsaksen kan være fast og ikke beveger seg eller endrer retning.

Når hver del av en kropp beveger seg i en sirkel rundt en enkelt linje, kalt rotasjonsaksen, kalles dette ren rotasjonsbevegelse.

Hypotesen med fast akse sier at en akse ikke kan endre sin posisjon, så den kan ikke forklare ting som vingling eller presesjon.

Intern rotasjonsakse

Objekter i 3D-rom kan ha mer enn én rotasjonsakse inni seg.

Men det er ikke mulig for et objekt å snu rundt to av disse aksene samtidig.

Hvis et objekts nye rotasjonsakse er vinkelrett på dens opprinnelige akse, kan det ikke spinne i motsatte retninger på begge aksene samtidig.

Den vil finne et punkt der de to er balansert, og langs den linjen vil den lage en tredje rotasjonsakse.

Rotasjonsakse i menneskelig anatomi

I anatomi er rotasjonsaksen en sammensatt linje som går gjennom punktet der et ledd dreier eller svinger.

For eksempel går rotasjonsaksen for å bøye og rette armen gjennom albueleddet.

I menneskelig anatomi er det tre akser.

• Den anteroposteriore aksen (Sagittalaksen) går fra front til bak og fra topp til bunn av kroppen.
• Lengdeakse (vertikal akse): Den går fra topp til bunn og fra front til bak gjennom kroppen.
• Mediolateral akse (tverrakse): Den går fra venstre til høyre og fra baksiden til forsiden av kroppen.

Orientering av en stiv kropp

Måten en stiv kropp er orientert på, bestemmes av måten dens egne akser peker på.

Denne orienteringen er satt av rullebegrensningen og den øyeblikkelige rotasjonsaksen.

Men denne ideen har ikke mye med rotasjonsaksen å gjøre.

Tips: Slå på bildetekstknappen hvis du trenger det. Velg "automatisk oversettelse" i innstillingsknappen hvis du ikke er kjent med det engelske språket. Du må kanskje klikke på språket til videoen først før favorittspråket ditt blir tilgjengelig for oversettelse.

Rotasjons- og bevegelsesakse

Rotasjonsbevegelse er når en stiv kropp beveger seg rundt en akse som ikke beveger seg.

Rotasjonsbevegelse kan sees i måten jorden snurrer rundt sin egen akse og i måten hjul, tannhjul og motorer beveger seg på.

Ingeniører må tenke på rotasjonstreghet når de lager ting som spinner, fordi det påvirker hvor godt motorer fungerer og hvordan propeller lages.

Variablene og ligningene til rotasjonskinematikk brukes til å løse virkelige problemer som involverer dreiemoment og spakarmer.

Du kan løse eksempler på rotasjonsbevegelse ved å bruke de fem rotasjonskinematiske ligningene.

Rotasjonsdynamikk ser også på bevegelsen til et objekt og kreftene som får det til å bevege seg.

Kinematikken og dynamikken til rotasjon med fast akse

Rotasjon rundt en fast akse er lettere å finne ut matematisk enn fri rotasjon av et stivt legeme fordi en akse ikke kan endre sin posisjon og den ikke kan forklare ting som vingling eller presesjon.

Kinematikk og dynamikk til et stivt legeme som roterer rundt en fast akse er nøyaktig det samme som for et stivt legeme som beveger seg i en enkelt fast retning.

Dette er ikke sant for en stiv kropp som er fri til å rotere i alle retninger.

Uttrykkene for objektets kinetiske energi og kreftene på delene er også lettere å skrive når objektet roterer rundt en fast akse i stedet for fritt.

Rotasjonstreghet og endring av rotasjonshastighet

Når et objekt beveger seg lenger bort fra rotasjonsaksen, blir det vanskeligere og vanskeligere å endre systemets rotasjonshastighet.

Dette er fordi rotasjonstregheten øker når massen beveger seg bort fra aksen.

Rotasjonstreghet påvirkes av både masse og avstanden fra massens sentrum til aksen.

Når noe trekkes eller skyves vekk fra midten, er det vanskeligere å endre hvor raskt det snurrer.

Dette er fornuftig, fordi hvis noen prøver å snurre noe ved å trekke i den ene enden, prøver de i bunn og grunn å få den ene siden til å bevege seg raskere enn en annen side.

Hvis den ene siden har mer vekt eller er lenger unna der personen trekker, vil det kreve mer kraft for å få den siden til å bevege seg i samme hastighet som resten.

Stabilitet av roterende objekter

Hvorvidt noe er stabilt når det snurrer, avhenger av hovedaksene det snurrer rundt.

Hvis det ikke er dreiemoment fra utsiden, vil en gjenstand som spinner rundt en akse vingle rundt noen av hovedaksene, men ikke andre.

Enhver bevegelse som går mot disse aksene kan raskt bli større og føre til mye mer komplisert bevegelse.

For eksempel vingler en snurre, men når tyngdepunktet er på linje med rotasjonsaksen, slutter den å bevege seg.

Ved utforming av roterende systemer må stabiliteten til objektet og dets hovedakser tas i betraktning for å sikre at de fungerer godt og sikkert.

Treghetsmoment og rotasjonsakse

Treghetsmomentet er en måte å måle rotasjonstreghet på, som er motstanden mot endring i vinkelhastighet rundt en fast akse.

Den viser hvor mye masse som er nær rotasjonsaksen og hvor mye masse som er lenger unna.

Treghetsmomentet påvirkes mindre av masser som er nær aksen og mer av masser som er lenger unna.

Den integrerte formen av ligningen for rotasjonskinetisk energi kan brukes til å finne ut treghetsmomentet.

Dette er fordi treghetsmomentet og kvadratet på vinkelhastigheten er direkte relatert.

Beregning av treghetsmomenter

Den integrerte formen av ligningen for rotasjonskinetisk energi kan brukes til å finne ut treghetsmomentet.

Med denne ligningen kan du finne ut treghetsmomentet til stive kropper med vanlige former, som sylindre og kuler.

Eksperimenter kan brukes til å finne treghetsmomentet til kropper med forskjellige former.

Den fysiske betydningen av treghetsmomentet er at det viser hvor vanskelig det er å endre måten et objekt roterer rundt en akse.

Objekter med mer masse lenger fra sin akse vil ha et høyere treghetsmoment og være vanskeligere å snu enn objekter med mindre masse lenger fra sin akse.

Anvendelser av treghetsmoment

I ingeniørfag og fysikk er treghetsmomentet et veldig viktig konsept.

Den brukes for eksempel i design av motorer, turbiner og andre maskiner og verktøy med bevegelige deler.

Ingeniører bruker også treghetsmomentet til å finne ut hvor stabile ting er når de snurrer rundt en akse.

Treghetsmomentet brukes også til å finne ut hvor mye dreiemoment som trengs for å få et objekt til å bevege seg på en bestemt måte.

Dreiemoment og vinkelmoment

Dreiemoment er en måte å måle kraften som kan snu noe rundt en akse.

Jo vanskeligere det er for et objekt å få vinkelakselerasjon, jo større er rotasjonstregheten.

Dette er en egenskap ved et roterende system som avhenger av hvordan systemets masse er fordelt.

Rotasjonslikevekt

For et system som roterer, er ideen om rotasjonslikevekt den samme som Newtons første lov.

Hvis noe ikke roterer, vil det forbli slik med mindre en ekstern kraft endrer det.

På samme måte vil en gjenstand som roterer med konstant vinkelhastighet fortsette å rotere med mindre en ytre kraft virker på den.

Treghetsmoment

Treghetsmomentet (I) er lik summen av massene til alle elementene ganger deres avstander fra rotasjonsaksen ganger fire.

Det er en nøkkelparameter for å finne ut hvor enkelt eller vanskelig det er å endre hvordan noe roterer.

Det totale dreiemomentet som ytre krefter setter på et system er lik I ganger dets vinkelakselerasjon.

Hvis dreiemomentene som virker på en kropp ikke er balansert, noe som betyr at det totale dreiemomentet ikke er null, vil kroppen rotere raskere.

Newtons andre lov om rotasjoner forteller oss hvordan dette fungerer.

Bevaring av vinkelmomentum

Når det ikke er dreiemoment fra utsiden, forblir systemets totale vinkelmoment det samme.

Dette betyr at hvis det ikke er netto eksternt dreiemoment rundt et punkt i en fast treghetsreferanseramme, vil vinkelmomentet til et system av partikler rundt det punktet i rommet forbli den samme.

Rotasjonsversjonene av lineært momentum og kraft er dreiemoment og vinkelmoment.

Brukssaker

Brukt i:	Beskrivelse:
Robotikk	Rotasjonsaksen brukes til å kontrollere hvordan robotledd og armer beveger seg. Ingeniører kan programmere roboter til å utføre kompliserte oppgaver presist og nøyaktig ved å kontrollere rotasjonsaksen. Rotasjonsaksen brukes for eksempel til å kontrollere hvordan en robotarm beveger seg mens den sveiser bildeler på et samlebånd.
Turbomaskineri	Turbiner, kompressorer og andre turbomaskiner bruker rotasjonsaksen til å overføre energi mellom deler som beveger seg og deler som ikke er det. Ingeniører må nøye planlegge formen og plasseringen av rotasjonsaksen for å sikre at maskinen fungerer så godt og så effektivt som mulig.
Fly	Rotasjonsaksen er en sentral del av hvordan de er bygget og hvor stabile de er. For at et fly skal være stabilt og enkelt å kontrollere, må dets tyngdepunkt være på linje med rotasjonsaksen. Ingeniører bruker rotasjonsaksen til å finne ut treghetsmomentene og designe flyets kontrollsystemer.
Sivilingeniør	Strukturer som broer, bygninger og demninger er laget med rotasjonsaksen i tankene. Ingeniører må sørge for at rotasjonsaksen er på linje med de bærende delene for å sikre at strukturen er stabil og sterk.
Studiet av elektrisitet	Motorer og generatorer er laget med tanke på rotasjonsaksen. I en elektrisk motor eller generator snurrer rotoren rundt rotasjonsaksen for å lage elektrisitet. Ingeniører må utforme rotasjonsaksen slik at det er minst mulig friksjon og mest mulig arbeid.

Konklusjon

Avslutningsvis er rotasjonsaksen et veldig viktig ingeniørkonsept som kan fortelle oss mye om hvordan ting beveger seg når de snurrer.

Ved å kjenne rotasjonsaksen kan du analysere og designe maskiner med mer presisjon og nøyaktighet, noe som fører til design som fungerer bedre og er mer effektive.

Men foruten å være nyttig, er rotasjonsaksen også en påminnelse om hvor vakker og komplisert naturen er.

Rotasjonsaksen er i sentrum av all rotasjonsbevegelse, fra det grasiøse spinnet av en topp til den kraftige bevegelsen til en turbin.

Den kobler oss til verden rundt oss på måter vi kanskje ikke engang er klar over.

Så neste gang du ser noe snurre, tenk på den usynlige aksen som det spinner rundt og tenk på hvor fantastiske og kompliserte kreftene som former vår verden er.