Förstå Rotationsaxeln Inom Teknik

Om du är ingenjörsstudent eller ingenjör vet du förmodligen vad det innebär att något roterar.

Men har du någonsin tänkt på hur saker rör sig runt en axel? Denna osynliga linje kallas rotationsaxeln.

Det är en grundläggande idé inom teknik som hjälper dig att förstå hur saker som växlar och turbiner rör sig.

Genom att förstå vad rotationsaxeln betyder kan du lära dig mer om hur saker rör sig när de roterar och få en bättre förståelse för hur komplicerade maskinerna jag använder varje dag är.

I den här artikeln kommer jag att prata om grunderna för rotationsaxeln och hur viktigt det är inom teknik.

Detta kommer att hjälpa dig att förstå rotationsrörelser på ett helt nytt sätt.

Introduktion till rotationsaxel

Formell definition:

En rät linje passerar genom punkterna på en roterande, stel kropp som förblir stationära medan de andra punkterna på kroppen rör sig i cirklar runt axeln.

En nyckelidé inom teknik, fysik och mekanik är rotationsaxeln.

Det är en sammansatt rak linje som går genom ett tredimensionellt föremål och runt vilket föremålet kan vända eller snurra.

Det är med andra ord linjen som en stel kropp kretsar kring.

En tröghetsreferensram visar att rotationsaxeln kan fixeras och inte rör sig eller ändrar riktning.

När varje del av en kropp rör sig i en cirkel runt en enda linje, som kallas rotationsaxeln, kallas detta ren rotationsrörelse.

Hypotesen med fast axel säger att en axel inte kan ändra sin position, så den kan inte förklara saker som vingling eller precession.

Inre rotationsaxel

Objekt i 3D-rymden kan ha mer än en rotationsaxel inuti dem.

Men det är inte möjligt för ett föremål att vända runt två av dessa axlar samtidigt.

Om ett objekts nya rotationsaxel är vinkelrät mot dess ursprungliga axel, kan det inte snurra i motsatta riktningar på båda axlarna samtidigt.

Den kommer att hitta en punkt där de två är balanserade, och längs den linjen kommer den att göra en tredje rotationsaxel.

Rotationsaxel i mänsklig anatomi

Inom anatomi är rotationsaxeln en sammansatt linje som går genom punkten där en led vrids eller svänger.

Till exempel går rotationsaxeln för att böja och räta ut armen genom armbågsleden.

I mänsklig anatomi finns det tre axlar.

• Den anteroposteriora axeln (Sagittalaxeln) går från framsidan till baksidan och från toppen till botten av kroppen.
• Längdaxel (vertikal axel): Den går uppifrån och ner och framifrån och bak genom kroppen.
• Mediolateral axel (tväraxel): Den går från vänster till höger och från baksidan till framsidan av kroppen.

Orientering av en stel kropp

Hur en stel kropp är orienterad bestäms av hur dess egna axlar pekar.

Denna orientering ställs in av rullningsbegränsningen och den momentana rotationsaxeln.

Men denna idé har inte mycket att göra med rotationsaxeln.

Tips: Slå på bildtextknappen om du behöver den. Välj "automatisk översättning" i inställningsknappen om du inte är bekant med det engelska språket. Du kan behöva klicka på språket för videon först innan ditt favoritspråk blir tillgängligt för översättning.

Rotationsaxel och rörelse

Rotationsrörelse är när en stel kropp rör sig runt en axel som inte rör sig.

Rotationsrörelse kan ses i hur jorden snurrar runt sin egen axel och i hur hjul, växlar och motorer rör sig.

Ingenjörer måste tänka på rotationströghet när de gör saker som snurrar, eftersom det påverkar hur bra motorer fungerar och hur propellrar tillverkas.

Variablerna och ekvationerna för rotationskinematik används för att lösa verkliga problem som involverar vridmoment och hävarmar.

Du kan lösa exempel på rotationsrörelse genom att använda de fem kinematiska rotationsekvationerna.

Rotationsdynamik tittar också på ett föremåls rörelse och krafterna som får det att röra sig.

Kinematiken och dynamiken för rotation med fast axel

Rotation runt en fast axel är lättare att räkna ut matematiskt än fri rotation av en stel kropp eftersom en axel inte kan ändra sin position och den inte kan förklara saker som vingling eller precession.

Kinematik och dynamik hos en stel kropp som roterar runt en fast axel är exakt densamma som hos en stel kropp som rör sig i en enda fixerad riktning.

Detta gäller inte för en stel kropp som är fri att rotera i vilken riktning som helst.

Uttrycken för objektets kinetiska energi och krafterna på dess delar är också lättare att skriva när objektet roterar runt en fast axel istället för fritt.

Rotationströghet och ändrad rotationshastighet

När ett föremål rör sig längre bort från rotationsaxeln blir det svårare och svårare att ändra systemets rotationshastighet.

Detta beror på att rotationströgheten ökar när massan rör sig bort från axeln.

Rotationströgheten påverkas av både massan och avståndet från massans centrum till axeln.

När något dras eller trycks bort från dess centrum är det svårare att ändra hur snabbt det snurrar.

Detta är vettigt, för om någon försöker snurra något genom att dra i ena änden, försöker de i princip få en sida att röra sig snabbare än en annan sida.

Om en sida har mer vikt eller är längre bort från där personen drar, kommer det att krävas mer kraft för att få den sidan att röra sig i samma hastighet som resten.

Stabilitet hos roterande föremål

Huruvida något är stabilt när det snurrar beror på huvudaxlarna det snurrar runt.

Om det inte finns några vridmoment från utsidan kommer ett föremål som snurrar runt en axel att vingla runt några av dess huvudaxlar men inte andra.

Varje rörelse som går emot dessa axlar kan snabbt bli större och leda till mycket mer komplicerade rörelser.

Till exempel vinklar en snurra, men när tyngdpunkten är i linje med rotationsaxeln slutar den att röra sig.

Vid design av roterande system måste stabiliteten hos föremålet och dess huvudaxlar beaktas för att säkerställa att de fungerar bra och säkert.

Tröghetsmoment och rotationsaxel

Tröghetsmomentet är ett sätt att mäta rotationströghet, vilket är motståndet mot förändring i vinkelhastighet runt en fast axel.

Den visar hur mycket massa som är nära rotationsaxeln och hur mycket massa som är längre bort.

Tröghetsmomentet påverkas mindre av massor som ligger nära axeln och mer av massor som är längre bort.

Den integrerade formen av ekvationen för rotationskinetisk energi kan användas för att räkna ut tröghetsmomentet.

Detta beror på att tröghetsmomentet och kvadraten på vinkelhastigheten är direkt relaterade.

Beräkna tröghetsmoment

Den integrerade formen av ekvationen för rotationskinetisk energi kan användas för att räkna ut tröghetsmomentet.

Med denna ekvation kan du räkna ut tröghetsmomentet för stela kroppar med regelbundna former, som cylindrar och sfärer.

Experiment kan användas för att hitta tröghetsmomentet för kroppar med olika former.

Den fysiska innebörden av tröghetsmomentet är att det visar hur svårt det är att ändra hur ett föremål roterar runt en axel.

Objekt med mer massa längre från sin axel kommer att ha ett högre tröghetsmoment och vara svårare att vända än objekt med mindre massa längre från sin axel.

Tillämpningar av tröghetsmoment

Inom teknik och fysik är tröghetsmomentet ett mycket viktigt begrepp.

Det används till exempel vid konstruktion av motorer, turbiner och andra maskiner och verktyg med rörliga delar.

Ingenjörer använder också tröghetsmomentet för att ta reda på hur stabila saker och ting är när de snurrar runt en axel.

Tröghetsmomentet används också för att räkna ut hur mycket vridmoment som behövs för att få ett föremål att röra sig på ett visst sätt.

Vridmoment och vinkelmoment

Vridmoment är ett sätt att mäta kraften som kan vrida något runt en axel.

Ju svårare det är för ett objekt att få vinkelacceleration, desto större är dess rotationströghet.

Detta är en egenskap hos ett roterande system som beror på hur systemets massa är fördelad.

Rotationsjämvikt

För ett system som roterar är idén om rotationsjämvikt densamma som Newtons första lag.

Om något inte roterar kommer det att förbli så om inte en yttre kraft ändrar det.

På samma sätt kommer ett föremål som roterar med konstant vinkelhastighet att fortsätta att rotera om inte en yttre kraft verkar på det.

Tröghetsmoment

Tröghetsmomentet (I) är lika med summan av alla elementens massor gånger deras avstånd från rotationsaxeln gånger fyra.

Det är en nyckelparameter för att ta reda på hur lätt eller svårt det är att ändra hur något roterar.

Det totala vridmomentet som yttre krafter sätter på ett system är lika med I gånger dess vinkelacceleration.

Om vridmomenten som verkar på en kropp inte är balanserade, vilket innebär att det totala vridmomentet inte är noll, kommer kroppen att rotera snabbare.

Newtons andra lag om rotationer berättar hur detta fungerar.

Bevarande av vinkelmomentum

När det inte finns några vridmoment från utsidan förblir ett systems totala vinkelmoment detsamma.

Detta betyder att om det inte finns något externt vridmoment runt en punkt i en fast tröghetsreferensram, kommer vinkelmomentet för ett system av partiklar runt den punkten i rymden att förbli oförändrat.

De roterande versionerna av linjär rörelsemängd och kraft är vridmoment och rörelsemängd.

Användningsfall

Använd i:	Beskrivning:
Robotik	Rotationsaxeln används för att styra hur robotleder och armar rör sig. Ingenjörer kan programmera robotar att utföra komplicerade uppgifter exakt och exakt genom att kontrollera rotationsaxeln. Till exempel används rotationsaxeln för att styra hur en robotarm rör sig när den svetsar bildelar på ett löpande band.
Turbomaskineri	Turbiner, kompressorer och andra turbomaskiner använder rotationsaxeln för att överföra energi mellan delar som rör sig och delar som inte är det. Ingenjörer måste noggrant planera formen och placeringen av rotationsaxeln för att säkerställa att maskinen fungerar så bra och så effektivt som möjligt.
Flygplan	Rotationsaxeln är en viktig del av hur de är byggda och hur stabila de är. För att ett plan ska vara stabilt och lätt att kontrollera måste dess tyngdpunkt ligga i linje med dess rotationsaxel. Ingenjörer använder rotationsaxeln för att räkna ut tröghetsmomenten och designa flygplanets styrsystem.
Civilingenjör	Strukturer som broar, byggnader och dammar är gjorda med rotationsaxeln i åtanke. Ingenjörer måste se till att rotationsaxeln är i linje med de bärande delarna för att säkerställa att strukturen är stabil och stark.
Studiet av elektricitet	Motorer och generatorer är gjorda med rotationsaxeln i åtanke. I en elmotor eller generator snurrar rotorn runt rotationsaxeln för att göra elektricitet. Ingenjörer måste utforma rotationsaxeln så att det blir så lite friktion som möjligt och det mesta arbetet utförs.

Slutsats

Sammanfattningsvis är rotationsaxeln ett mycket viktigt ingenjörskoncept som kan berätta mycket om hur saker rör sig när de snurrar.

Genom att känna till rotationsaxeln kan du analysera och designa maskiner med mer precision och noggrannhet, vilket leder till konstruktioner som fungerar bättre och är mer effektiva.

Men förutom att vara användbar är rotationsaxeln också en påminnelse om hur vacker och komplicerad naturen är.

Rotationsaxeln är i centrum för all rotationsrörelse, från en topps graciösa spinn till en turbins kraftfulla rörelse.

Den förbinder oss med världen omkring oss på sätt som vi kanske inte ens är medvetna om.

Så, nästa gång du ser något snurra, tänk på den osynliga axeln som det snurrar runt och tänk på hur fantastiska och komplicerade krafterna som formar vår värld är.