2.1.1. Центробежная сила

Входы: угловая скорость, вращательное движение.

Выходы: давление, сила.

Рис. 2.1. Графическая иллюстрация центробежной силы

Сущность:

Центробежная сила - сила, с которой движущаяся материальная точка действует на тело (связь), стесняющее свободу движения точки и вынуждающее её двигаться криволинейно. Центробежная сила и центростремительная сила численно равны друг другу и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны, но приложены к разным телам — как силы действия и противодействия. Например, при вращении в горизонтальной плоскости привязанного к верёвке груза центростремительная сила действует со стороны верёвки на груз, вынуждая его двигаться по окружности, а центробежная сила действует со стороны груза на верёвку, натягивает её и при достаточно большой скорости движения может оборвать (рис.2.1). Центробежная сила направлена по главной нормали к траектории от центра кривизны (от центра окружности при движении точки по окружности).

Математическое описание:

Численно центробежная сила равна

, где

m— масса точки;

_v — ее скорость;

R — радиус кривизны траектории.

Применение.

1.А.С.№ 5I750I: Способ отбортовки труб и термопластичного материала, включающий операции нагревания ее конца до размягчения и последующей его деформации, отличается тем, что, с целью упрощения изготовления изделия и повышения его качества, деформацию размягченного конца трубы осуществляют ее вращением.

2. Подвергая нагретую жидкость действию центробежного поля, можно значительно увеличить производительность парогенераторов, так как, если нагретую жидкость под давлением подавать по касательной к вращающемуся цилиндру, то жидкость закрутится. При этом жидкость будет закручиваться с большего на меньший радиус, а это, в силу закона сохранения момента количества движения, вызовет рост линейной скорости. Согласно закону Бернулли, увеличение скорости приведет к падению давления в движущейся жидкости. Поэтому жидкость, подогретая до кипения, попав в зону пониженного давления, закипит, и сухой пар будет скапливаться в центре цилиндра.

2.1.2. Гироскопический эффект

Входы: сила, направление.

Выходы: перемещение, скорость.

Графическая иллюстрация:

Рис. 2.2. Устройство гироскопа

Сущность:

Гироскоп (Рис.2.2) - (от гиро... и ...скоп), быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого может изменять своё направление в пространстве. Гироскоп обладает рядом интересных свойств, наблюдаемых у вращающихся небесных тел, у артиллеристских снарядов, у детского волчка, у роторов турбин, установленных на судах. На свойствах гироскопа основаны разнообразные устройства или приборы, широко применяемые в современной технике для автоматического управления движением самолётов, морских судов, ракет, торпед и других объектов, для определения горизонта или географического меридиана, для измерения поступательных или угловых скоростей движущихся объектов (например, ракет) и много другого. Свойства гироскопа проявляются при выполнении двух условий: 1) ось вращения гироскопа должна иметь возможность изменять своё направление в пространстве; 2) угловая скорость вращения гироскопа вокруг своей оси должна быть очень велика по сравнению с той угловой скоростью, которую будет иметь сама ось при изменении своего направления.

Если на гироскоп подействовать силой, то его ось начнет поворачиваться в плоскости, перпендикулярной плоскости действия силы (прецессия).

Еще одна особенность гироскопа: вращающееся тело обладает гироскопическим эффектом - способностью сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения. При силовом воздействии с целью изменить направление оси вращения возникает прецессия гироскопических систем. Гироскопы широко применяются в технике: они являются одним из основных элементов современных систем управления судами, самолетами, планетоходами, космическими кораблями.

Математическое описание:

где векторы и являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса, скалярI —его моментом инерции, векторы и- угловой скоростью и угловым ускорением.

Применение.

1. А.С. № 474 444 Локомотив с электропередачей, содержащий аккумулятор энергии в виде вращающегося маховика, связанный с преобразователем энергии, представляющим собой обратимую электрическую машину, отличается тем, что, с целью устранения сил гироскопического эффекта маховика на устойчивость локомотива, маховик с преобразователем энергии смонтированы в оболочке и помещены в гироскопический механизм с двумя степенями свободы.

2. Измеряя процессию гироскопа, можно определить величину внешних сил, воздействующих на гироскоп.

A.C. № 467 336: Устройство для определения силы трения, содержащее корпус, карданный подвес, ротор с приводом, установленные в карданном подвесе, держатели образца и контробразца, нагружающий механизм, взаимодействующий с держателем контробразца, датчик угловой скорости прецессии, связанный с рамкой карданного подвеса, отличается тем, что, с целью определения силы трения при высоких, порядка сотен м/с скоростях вращения, держатель образца установлен на роторе, нагружающий механизм с держателем контробразца, а датчик угловой скорости прецессии связан с внешней рамкой подвеса.

3. Поскольку при вращательном движении само тело остается на одном месте, а только участки тела совершают круговые движения, то во вращающемся теле можно аккумулировать кинетическую энергию, которую затем можно преобразовать в кинетическую энергию поступательного движения. На этом принципе работают инерционные аккумуляторы, используемые, например, в гиробусах.

A.С. № 518 302: Машина для инерционной сварки трением, содержащая привод вращения и шпиндель с массой для накопления энергии, отличается тем, что, с целью уменьшения энергоемкости процесса, масса для накопления энергии выполнена в виде инерционного пульсатора.

А.с.№ 518 381: Привод кузнечнопрессовой машины, содержащий электродвигатель и насос, соединенный трубопроводом через распределительную систему с аккумулятором и рабочим цилиндром машины, отличается тем, что, с целью повышения КПД, он снабжен дополнительными аккумулятором энергии, маховиком, установленным в кинематической цепи, связывающей электродвигатель с насосом.