Понимание Оси Вращения В Технике

Eсли вы студент инженерного факультета или инженер, вы, вероятно, знаете, что значит вращаться.

Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, как вещи движутся вокруг оси? Эта невидимая линия называется осью вращения.

Это основная инженерная идея, которая помогает понять, как движутся такие вещи, как шестерни и турбины.

Понимая, что означает ось вращения, вы можете больше узнать о том, как движутся предметы, когда они вращаются, и лучше понять, насколько сложны машины, которыми я пользуюсь каждый день.

В этой статье я расскажу об основах оси вращения и о том, насколько она важна в технике.

Это поможет вам понять вращательное движение совершенно по-новому.

Введение в ось вращения

Формальное определение:

Прямая линия проходит через точки вращающегося твердого тела, которые остаются неподвижными, в то время как другие точки тела движутся по окружности вокруг оси.

Ключевой идеей в технике, физике и механике является ось вращения.

Это вымышленная прямая линия, проходящая через трехмерный объект и вокруг которой этот объект может вращаться или вращаться.

Другими словами, это линия, вокруг которой вращается твердое тело.

Инерциальная система отсчета показывает, что ось вращения может быть зафиксирована и не перемещается и не меняет направление.

Когда каждая часть тела движется по кругу вокруг одной линии, называемой осью вращения, это называется чистым вращательным движением.

Гипотеза неподвижной оси гласит, что ось не может изменить свое положение, поэтому она не может объяснить такие вещи, как колебание или прецессия.

Внутренняя ось вращения

Объекты в трехмерном пространстве могут иметь более одной оси вращения внутри себя.

Но объект не может одновременно вращаться вокруг двух этих осей.

Eсли новая ось вращения объекта перпендикулярна его исходной оси, он не может одновременно вращаться в противоположных направлениях по обеим осям.

Он найдет точку, в которой они уравновешены, и вдоль этой линии сделает третью ось вращения.

Ось вращения в анатомии человека

В анатомии ось вращения представляет собой вымышленную линию, проходящую через точку поворота или поворота сустава.

Например, ось вращения для сгибания и разгибания руки проходит через локтевой сустав.

В анатомии человека есть три оси.

• Переднезадняя ось (сагиттальная ось) проходит спереди назад и сверху вниз по телу.
• Продольная ось (вертикальная ось): проходит сверху вниз и спереди назад через тело.
• Медиолатеральная ось (поперечная ось): идет слева направо и сзади на переднюю часть тела.

Ориентация твердого тела

То, как ориентировано твердое тело, определяется направлением его собственных осей.

Эта ориентация задается ограничением качения и мгновенной осью вращения.

Но эта идея не имеет ничего общего с осью вращения.

Cовет: включите кнопку подписи, если она вам нужна. Выберите «автоматический перевод» в кнопке настроек, если вы не знакомы с английским языком. Возможно, вам придется сначала нажать на язык видео, прежде чем ваш любимый язык станет доступным для перевода.

Ось вращения и движения

Вращательное движение – это движение твердого тела вокруг неподвижной оси.

Вращательное движение можно увидеть в том, как земля вращается вокруг своей оси, а также в том, как движутся колеса, шестерни и двигатели.

Инженеры должны думать об инерции вращения при создании вращающихся вещей, потому что она влияет на то, насколько хорошо работают двигатели и как изготавливаются пропеллеры.

Переменные и уравнения кинематики вращения используются для решения реальных задач, связанных с крутящим моментом и плечами рычага.

Вы можете решить примеры вращательного движения, используя пять уравнений вращательной кинематики.

Кроме того, динамика вращения рассматривает движение объекта и силы, заставляющие его двигаться.

Кинематика и динамика вращения неподвижной оси

Вращение вокруг фиксированной оси легче вычислить математически, чем свободное вращение твердого тела, потому что ось не может изменить свое положение и не может объяснить такие вещи, как колебание или прецессия.

Кинематика и динамика твердого тела, вращающегося вокруг фиксированной оси, точно такие же, как у твердого тела, движущегося в одном фиксированном направлении.

Это неверно для твердого тела, которое может свободно вращаться в любом направлении.

Выражения для кинетической энергии объекта и сил, действующих на его части, также легче записать, когда объект вращается вокруг фиксированной оси, а не свободно.

Вращательная инерция и изменение скорости вращения

Когда объект удаляется от оси вращения, становится все труднее и труднее изменить скорость вращения системы.

Это связано с тем, что инерция вращения увеличивается по мере удаления массы от оси.

На инерцию вращения влияет как масса, так и расстояние от центра массы до оси.

Когда что-то тянется или отталкивается от его центра, сложнее изменить скорость его вращения.

В этом есть смысл, потому что, если кто-то пытается что-то раскрутить, потянув за один конец, он, по сути, пытается заставить одну сторону двигаться быстрее, чем другую.

Eсли одна сторона имеет больший вес или находится дальше от того места, где человек тянет, потребуется больше усилий, чтобы заставить эту сторону двигаться с той же скоростью, что и остальные.

Cтабильность вращающихся объектов

Cтабильность чего-либо во время вращения зависит от основных осей, вокруг которых оно вращается.

Eсли внешних крутящих моментов нет, то объект, вращающийся вокруг одной оси, будет раскачиваться вокруг одних своих главных осей, но не вокруг других.

Любое движение, которое идет против этих осей, может быстро увеличиться и привести к гораздо более сложному движению.

Например, волчок качается, но когда центр тяжести находится на одной линии с осью вращения, он останавливается.

При проектировании вращающихся систем необходимо учитывать устойчивость объекта и его основных осей, чтобы убедиться, что они работают хорошо и безопасно.

Момент инерции и ось вращения

Момент инерции — это способ измерения инерции вращения, то есть сопротивления изменению угловой скорости вокруг фиксированной оси.

Он показывает, какая масса находится вблизи оси вращения, а какая дальше.

На момент инерции меньше влияют массы, расположенные ближе к оси, и больше массы, находящиеся дальше.

Интегральная форма уравнения кинетической энергии вращения может быть использована для определения момента инерции.

Это связано с тем, что момент инерции и квадрат угловой скорости напрямую связаны.

Расчет моментов инерции

Интегральная форма уравнения кинетической энергии вращения может быть использована для определения момента инерции.

C помощью этого уравнения вы можете вычислить момент инерции твердых тел правильной формы, таких как цилиндры и сферы.

C помощью экспериментов можно найти момент инерции тел различной формы.

Физический смысл момента инерции состоит в том, что он показывает, насколько сложно изменить способ вращения объекта вокруг оси.

Объекты с большей массой, находящиеся дальше от своей оси, будут иметь более высокий момент инерции, и их труднее повернуть, чем объекты с меньшей массой, расположенные дальше от своей оси.

Применение момента инерции

В технике и физике момент инерции является очень важным понятием.

Он используется, например, при конструировании двигателей, турбин и других машин и инструментов с движущимися частями.

Инженеры также используют момент инерции, чтобы выяснить, насколько стабильны объекты, вращающиеся вокруг оси.

Кроме того, момент инерции используется для определения того, какой крутящий момент необходим для того, чтобы заставить объект двигаться определенным образом.

Крутящий момент и угловой момент

Крутящий момент — это способ измерения силы, которая может вращать что-то вокруг оси.

Чем труднее объекту набрать угловое ускорение, тем больше инерция его вращения.

Это свойство вращающейся системы, которое зависит от того, как распределена масса системы.

Вращательное равновесие

Для вращающейся системы идея вращательного равновесия аналогична первому закону Ньютона.

Eсли что-то не вращается, оно останется таким, пока его не изменит внешняя сила.

Точно так же объект, вращающийся с постоянной угловой скоростью, будет продолжать вращаться, пока на него не подействует внешняя сила.

Момент инерции

Момент инерции (I) равен сумме масс всех элементов, умноженной на их расстояние от оси вращения, умноженной на четыре.

Это ключевой параметр для выяснения, насколько легко или сложно изменить то, как что-то вращается.

Cуммарный крутящий момент, приложенный внешними силами к системе, равен I умноженному на ее угловое ускорение.

Eсли крутящие моменты, действующие на тело, не уравновешены, а значит, суммарный крутящий момент не равен нулю, то тело будет вращаться быстрее.

Второй закон Ньютона о вращении объясняет нам, как это работает.

Cохранение углового момента

При отсутствии крутящих моментов извне полный угловой момент системы остается неизменным.

Это означает, что если вокруг точки в фиксированной инерциальной системе отсчета нет чистого внешнего крутящего момента, то угловой момент системы частиц вокруг этой точки в пространстве останется прежним.

Вращательные версии линейного количества движения и силы - это крутящий момент и угловой момент.

Cлучаи использования

Используется в:	Описание:
Робототехника	Ось вращения используется для управления движением суставов и рук робота. Инженеры могут программировать роботов для точного и точного выполнения сложных задач, контролируя ось вращения. Например, ось вращения используется для управления движением манипулятора робота при сварке деталей автомобиля на сборочной линии.
Турбомашины	Турбины, компрессоры и другие турбомашины используют ось вращения для передачи энергии между движущимися и неподвижными частями. Инженеры должны тщательно спланировать форму и расположение оси вращения, чтобы машина работала максимально хорошо и эффективно.
Cамолет	Ось вращения является ключевой частью того, как они построены и насколько они стабильны. Чтобы самолет был устойчивым и легким в управлении, его центр тяжести должен совпадать с осью вращения. Инженеры используют ось вращения для расчета моментов инерции и проектирования систем управления самолетом.
Гражданское строительство	Такие конструкции, как мосты, здания и плотины, создаются с учетом оси вращения. Инженеры должны убедиться, что ось вращения находится на одной линии с несущими частями, чтобы убедиться, что конструкция устойчива и прочна.
Изучение электричества	Двигатели и генераторы изготавливаются с учетом оси вращения. В электродвигателе или генераторе ротор вращается вокруг оси вращения, вырабатывая электричество. Инженеры должны спроектировать ось вращения так, чтобы было как можно меньше трения и выполнялась большая часть работы.

Заключение

В заключение отметим, что ось вращения — очень важная инженерная концепция, которая может многое рассказать нам о том, как движутся предметы, когда они вращаются.

Зная ось вращения, вы можете анализировать и проектировать машины с большей точностью, что приводит к созданию более эффективных и эффективных конструкций.

Но помимо пользы, ось вращения еще и напоминание о том, насколько красива и сложна природа.

Ось вращения находится в центре всех вращательных движений, от изящного вращения волчка до мощного движения турбины.

Он соединяет нас с окружающим миром способами, о которых мы можем даже не подозревать.

Итак, в следующий раз, когда вы увидите что-то вращающееся, подумайте о невидимой оси, вокруг которой оно вращается, и подумайте о том, насколько удивительны и сложны силы, формирующие наш мир.