اگر شما یک دانشجوی مهندسی یا یک مهندس هستید، احتمالاً می دانید که چرخش چیزی به چه معناست.
اما آیا تا به حال به نحوه حرکت اشیا حول یک محور فکر کرده اید؟ این خط نامرئی را محور چرخش می نامند.
این یک ایده اساسی در مهندسی است که به شما کمک می کند تا بفهمید چیزهایی مانند چرخ دنده ها و توربین ها چگونه حرکت می کنند.
با درک اینکه محور چرخش به چه معناست، می توانید اطلاعات بیشتری در مورد نحوه حرکت اشیا هنگام چرخش کسب کنید و درک بهتری از پیچیدگی ماشین هایی که من هر روز استفاده می کنم به دست آورید.
در این مقاله در مورد مبانی محور چرخش و اهمیت آن در مهندسی صحبت خواهم کرد.
این به شما کمک می کند تا حرکت چرخشی را به روشی کاملاً جدید درک کنید.
مقدمه ای بر محور چرخش
تعریف رسمی:
یک خط مستقیم از نقاط یک جسم دوار و صلب می گذرد که ثابت می مانند در حالی که سایر نقاط بدن به صورت دایره ای حول محور حرکت می کنند.
یک ایده کلیدی در مهندسی، فیزیک و مکانیک، محور چرخش است.
این یک خط مستقیم ساخته شده است که از یک جسم سه بعدی عبور می کند و جسم می تواند به دور آن بچرخد یا بچرخد.
به عبارت دیگر، این خطی است که یک جسم صلب به دور آن می چرخد.
یک چارچوب مرجع اینرسی نشان می دهد که محور چرخش می تواند ثابت باشد و حرکت یا تغییر جهت نمی دهد.
هنگامی که هر قسمت از بدن به صورت دایره ای حول یک خط به نام محور چرخش حرکت می کند، این حرکت چرخشی خالص نامیده می شود.
فرضیه محور ثابت می گوید که یک محور نمی تواند موقعیت خود را تغییر دهد، بنابراین نمی تواند مواردی مانند ارتعاش یا تقدیم را توضیح دهد.
محور چرخش داخلی
اجسام در فضای سه بعدی می توانند بیش از یک محور چرخش در داخل خود داشته باشند.
اما این امکان وجود ندارد که یک جسم همزمان به دور دو تا از این محورها بچرخد.
اگر محور چرخش جدید جسمی بر محور اصلی خود عمود باشد، نمی تواند همزمان روی هر دو محور در جهت مخالف بچرخد.
نقطه ای را پیدا می کند که این دو در آن متعادل هستند و در امتداد آن خط، محور سوم چرخش را ایجاد می کند.
محور چرخش در آناتومی انسان
در آناتومی، محور چرخش یک خط ساخته شده است که از نقطه ای می گذرد که مفصل می چرخد یا می چرخد.
به عنوان مثال، محور چرخش برای خم کردن و صاف کردن بازو از مفصل آرنج عبور می کند.
در آناتومی انسان سه محور وجود دارد.
- محور قدامی خلفی (محور ساجیتال) از جلو به عقب و از بالا به پایین بدن می رود.
- محور طولی (محور عمودی): از بالا به پایین و از جلو به عقب در بدن می رود.
- محور میانی جانبی (محور عرضی): از چپ به راست و از پشت به جلو بدن می رود.
جهت گیری یک بدن سفت و سخت
نحوه جهت گیری یک جسم صلب با توجه به محورهای خود تعیین می شود.
این جهت توسط محدودیت نورد و محور چرخش آنی تنظیم می شود.
اما این ایده ارتباط چندانی با محور چرخش ندارد.
نکته: در صورت نیاز دکمه زیرنویس را روشن کنید. اگر با زبان انگلیسی آشنایی ندارید، در دکمه تنظیمات، «ترجمه خودکار» را انتخاب کنید. قبل از اینکه زبان مورد علاقه شما برای ترجمه در دسترس قرار گیرد، ممکن است لازم باشد ابتدا روی زبان ویدیو کلیک کنید.
محور چرخش و حرکت
حرکت چرخشی زمانی است که یک جسم صلب حول محوری حرکت می کند که حرکت نمی کند.
حرکت چرخشی را می توان در نحوه چرخش زمین به دور محور خود و در نحوه حرکت چرخ ها، چرخ دنده ها و موتورها مشاهده کرد.
مهندسان هنگام ساخت چیزهایی که می چرخند باید به اینرسی دورانی فکر کنند، زیرا اینرسی بر عملکرد موتورها و نحوه ساخت پروانه ها تأثیر می گذارد.
متغیرها و معادلات سینماتیک چرخشی برای حل مسائل دنیای واقعی شامل گشتاور و بازوهای اهرمی استفاده می شود.
با استفاده از پنج معادله سینماتیک چرخشی می توانید مثال هایی از حرکت چرخشی را حل کنید.
همچنین، دینامیک چرخشی به حرکت یک جسم و نیروهایی که آن را وادار به حرکت میکنند، نگاه میکند.
سینماتیک و دینامیک چرخش محور ثابت
محاسبه چرخش حول یک محور ثابت از نظر ریاضی راحتتر از چرخش آزاد یک جسم صلب است، زیرا یک محور نمیتواند موقعیت خود را تغییر دهد و نمیتواند مواردی مانند ارتعاش یا تقدیم را توضیح دهد.
سینماتیک و دینامیک یک جسم صلب که حول یک محور ثابت میچرخد دقیقاً شبیه به یک جسم صلب است که در یک جهت ثابت حرکت میکند.
این برای یک جسم صلب که آزادانه در هر جهتی بچرخد صادق نیست.
عبارات مربوط به انرژی جنبشی جسم و نیروهای وارد بر اجزای آن نیز هنگامی که جسم به جای آزادانه به دور یک محور ثابت بچرخد، راحت تر نوشته می شود.
اینرسی چرخشی و تغییر سرعت دورانی
وقتی جسمی از محور چرخش دورتر می شود، تغییر سرعت چرخش سیستم سخت تر و سخت تر می شود.
این به این دلیل است که با دور شدن جرم از محور، اینرسی چرخشی افزایش می یابد.
اینرسی چرخشی هم تحت تأثیر جرم و هم از فاصله مرکز جرم تا محور است.
وقتی چیزی از مرکزش کشیده یا دور میشود، تغییر سرعت چرخش آن سختتر است.
این منطقی است، زیرا اگر کسی بخواهد چیزی را با کشیدن یک طرف آن بچرخاند، اساساً سعی دارد یک طرف را سریعتر از طرف دیگر حرکت دهد.
اگر یک طرف وزن بیشتری داشته باشد یا از جایی که فرد می کشد دورتر باشد، برای حرکت دادن آن طرف با همان سرعت بقیه، نیروی بیشتری لازم است.
پایداری اجسام در حال چرخش
پایداری یا عدم ثبات چیزی هنگام چرخش بستگی به محورهای اصلی آن دارد.
اگر هیچ گشتاوری از بیرون وجود نداشته باشد، جسمی که حول یک محور میچرخد، حول برخی از محورهای اصلی خود میچرخد اما برخی دیگر را نه.
هر حرکتی که خلاف این محورها باشد می تواند به سرعت بزرگتر شود و به حرکت بسیار پیچیده تری منجر شود.
به عنوان مثال، یک فرفره چرخان می لرزد، اما زمانی که مرکز ثقل با محور چرخش در یک راستا قرار می گیرد، از حرکت می ایستد.
هنگام طراحی سیستم های دوار، پایداری جسم و محورهای اصلی آن باید در نظر گرفته شود تا از عملکرد خوب و ایمن آن اطمینان حاصل شود.
ممان اینرسی و محور چرخش
ممان اینرسی راهی برای اندازه گیری اینرسی چرخشی است که مقاومت در برابر تغییر سرعت زاویه ای حول یک محور ثابت است.
این نشان می دهد که چه مقدار جرم در نزدیکی محور چرخش و چه مقدار جرم از آن دورتر است.
ممان اینرسی کمتر تحت تأثیر جرمهایی است که به محور نزدیک هستند و بیشتر تحت تأثیر جرمهایی که دورتر هستند.
شکل انتگرال معادله انرژی جنبشی دورانی را می توان برای تعیین ممان اینرسی استفاده کرد.
این به این دلیل است که ممان اینرسی و مجذور سرعت زاویه ای با هم ارتباط مستقیم دارند.
محاسبه لحظه های اینرسی
شکل انتگرال معادله انرژی جنبشی دورانی را می توان برای تعیین ممان اینرسی استفاده کرد.
با این معادله می توانید ممان اینرسی اجسام صلب با اشکال منظم مانند استوانه ها و کره ها را دریابید.
برای یافتن ممان اینرسی اجسام با اشکال مختلف می توان از آزمایش ها استفاده کرد.
معنای فیزیکی لحظه اینرسی این است که نشان می دهد تغییر نحوه چرخش یک جسم حول یک محور چقدر سخت است.
اجسامی با جرم بیشتر دورتر از محورشان گشتاور اینرسی بالاتری دارند و چرخش آنها سخت تر از اجسامی با جرم کمتر دورتر از محورشان است.
کاربرد لحظه اینرسی
در مهندسی و فیزیک، ممان اینرسی یک مفهوم بسیار مهم است.
برای مثال در طراحی موتورها، توربینها و سایر ماشینها و ابزار با قطعات متحرک استفاده میشود.
مهندسان همچنین از ممان اینرسی استفاده می کنند تا بفهمند که اشیا در هنگام چرخش به دور یک محور چقدر پایدار هستند.
همچنین از ممان اینرسی برای تعیین مقدار گشتاور مورد نیاز برای حرکت یک جسم به روشی خاص استفاده می شود.
گشتاور و تکانه زاویه ای
گشتاور راهی برای اندازه گیری نیرویی است که می تواند چیزی را به دور یک محور بچرخاند.
هرچه شتاب زاویه ای یک جسم سخت تر باشد، اینرسی چرخشی آن بزرگتر است.
این ویژگی یک سیستم دوار است که به نحوه توزیع جرم سیستم بستگی دارد.
تعادل چرخشی
برای سیستمی که می چرخد، ایده تعادل چرخشی مانند قانون اول نیوتن است.
اگر چیزی در حال چرخش نباشد، به همین شکل باقی می ماند مگر اینکه نیروی خارجی آن را تغییر دهد.
به همین ترتیب، جسمی که با سرعت زاویهای ثابت میچرخد، به چرخش خود ادامه میدهد مگر اینکه نیروی خارجی روی آن وارد شود.
ممان اینرسی
ممان اینرسی (I) برابر است با مجموع جرم همه عناصر ضربدر فاصله آنها از محور چرخش ضربدر چهار.
این یک پارامتر کلیدی برای فهمیدن اینکه چقدر آسان یا سخت است تغییر نحوه چرخش چیزی است.
کل گشتاوری که نیروهای خارجی به یک سیستم وارد می کنند برابر با I برابر شتاب زاویه ای آن است.
اگر گشتاورهای اعمال شده بر روی یک جسم متعادل نباشند، به این معنی که گشتاور کل صفر نباشد، بدنه سریعتر می چرخد.
قانون دوم نیوتن در مورد چرخش به ما می گوید که چگونه این کار می کند.
حفظ تکانه زاویه ای
هنگامی که هیچ گشتاوری از بیرون وجود نداشته باشد، تکانه زاویه ای کل یک سیستم ثابت می ماند.
این بدان معنی است که اگر گشتاور خارجی خالص در اطراف یک نقطه در یک قاب مرجع اینرسی ثابت وجود نداشته باشد، تکانه زاویه ای یک سیستم از ذرات در اطراف آن نقطه در فضا ثابت می ماند.
نسخه های چرخشی تکانه و نیرو خطی گشتاور و تکانه زاویه ای هستند.
موارد استفاده کنید
| مورد استفاده در: | شرح: |
|---|---|
| رباتیک | از محور چرخش برای کنترل نحوه حرکت مفاصل و بازوهای ربات استفاده می شود. مهندسان می توانند با کنترل محور چرخش، ربات ها را برنامه ریزی کنند تا وظایف پیچیده را به طور دقیق و دقیق انجام دهند. به عنوان مثال، از محور چرخش برای کنترل نحوه حرکت بازوی ربات در حین جوش دادن قطعات خودرو در خط مونتاژ استفاده می شود. |
| توربوماشین | توربین ها، کمپرسورها و سایر ماشین آلات توربو از محور چرخش برای انتقال انرژی بین قطعاتی که در حال حرکت هستند و قطعاتی که نیستند استفاده می کنند. مهندسان باید شکل و محل محور چرخش را به دقت برنامه ریزی کنند تا مطمئن شوند که ماشین تا حد امکان خوب و کارآمد عمل می کند. |
| هواپیما | محور چرخش بخش مهمی از نحوه ساخت و پایداری آنها است. برای اینکه هواپیما پایدار باشد و کنترل آن آسان باشد، مرکز ثقل آن باید در راستای محور چرخش آن باشد. مهندسان از محور چرخش برای تشخیص ممان اینرسی و طراحی سیستم های کنترل هواپیما استفاده می کنند. |
| مهندسی عمران | سازه هایی مانند پل ها، ساختمان ها و سدها با در نظر گرفتن محور چرخش ساخته می شوند. مهندسان باید مطمئن شوند که محور چرخش در راستای قطعات باربر باشد تا از پایداری و استحکام سازه مطمئن شوند. |
| مطالعه برق | موتورها و ژنراتورها با در نظر گرفتن محور چرخش ساخته می شوند. در یک موتور الکتریکی یا ژنراتور، روتور حول محور چرخش می چرخد تا الکتریسیته تولید کند. مهندسان باید محور چرخش را طوری طراحی کنند که اصطکاک کمتری داشته باشد و بیشترین کار انجام شود. |
نتیجه
در خاتمه، محور چرخش یک مفهوم مهندسی بسیار مهم است که می تواند چیزهای زیادی در مورد نحوه حرکت اشیا در هنگام چرخش به ما بگوید.
با دانستن محور چرخش، میتوانید ماشینها را با دقت و دقت بیشتری تحلیل و طراحی کنید که منجر به طراحیهایی با عملکرد بهتر و کارآمدتر میشود.
اما محور چرخش علاوه بر مفید بودن، یادآور زیبایی و پیچیده بودن طبیعت است.
محور چرخش در مرکز تمام حرکات دورانی قرار دارد، از چرخش برازنده یک بالا تا حرکت قدرتمند یک توربین.
ما را به طریقی به دنیای اطرافمان متصل می کند که حتی ممکن است از آن آگاه نباشیم.
بنابراین، دفعه بعد که چیزی در حال چرخش دیدید، به محور نامرئی که به دور آن می چرخد فکر کنید و به این فکر کنید که نیروهایی که جهان ما را شکل می دهند چقدر شگفت انگیز و پیچیده هستند.
اشتراک گذاری در…
