Tasapainotusrakeet

[Vilijami]

Nyt kaivataan selitystä. Miten tuo voi toimia?
Jos laitan muovikassiin hiekkaa ja pyöritän sitä suoralla kädellä vauhdilla ympäri olkanivelen, niin sehän on selkeä epätasapaino. Tuon rakeen logiikalla hiekan pitäisi tulla kassin kahvojen päästä ulos vauhdin kiihtyessä. Ei taida tulla?

https://www.vannetukku.fi/tasapainotusr ... 68660.html

[Härski]

Kohdasta jonne kuulat hakeutuvat, lähtötilanteessa pyörivän systeemin massakeskipiste on kauimpana ja pyörimisen keskipiste tässä välissä. Näin ollen radiaaninen pyörimisnopeus ja siten keskipakoisvoima on suurimmillaan kyseisessä pisteessä. Termit voivat olla mulla vähän sinnepäin, mutta aikayksikköä kohden kuljettu osuus kehästä on siis hakeutumiskohdassa suurempi kuin vastapuolella ja täten ulkokehää kohden painautuva voima suurempi.

Kun painopiste ja pyörimispiste kohtaavat lakkaa kuulien näkemä kiihtyyden vaihtelu pyörähdyksen aikana ja täten kuulien liikekin loppuu.

[Vilijami]

Vauhdin kasvaessa jo ennestään painavampi kohta renkaasta venyy pussille, jolloin rakeet hakeutuvat pussiin? Eikö tämä pahenna vain tilannetta? Mikä ihme kääntää keskipakovoiman vastakkaiseksi?

[jori]

Vilijamin ihmetys on tavallinen. Koska asian selittävä ilmiö tapahtuu kappaleen pyöriessä nopeasti ja siitä on vaikea saada visuaalista havaintoa. Kaiken lisäksi yleensä selitykset näistä asioista on epähavainnollisia ja jopa virheellisiä. Tuo kuvasarja edellä ei ainakaan helpota ymmärtämistä.

Jos akseli on jäykkä keskipakovoima pyrkii vetämään epätasapainoa kauemmas keskipisteestä, kuten Vilijamin hiekka pussissa. Kun pyörimisnopeus ja keskipakovoima kasvaa alkaa tapahtua.

Jos taas laakerointi on ripustettu pehmeästi (ripustuksen jousivakion ja liikkuvan massan suhteiden määräämä ominaistaajuus on alle pyörimisnopeuden) alkaa systeemi pyöriä painopisteensä ympäri. Mekaaninen akseli siis piirtää pientä ympyrää painopisteen toisella puolella ja epätasapaino toisella puolella. Tällaista ripustuksensa ominaistaajuutta suuremmalla nopeudella pyörivää systeemiä sanotaan ylikriittiseksi ripustukseksi. Sama tilanne kuin moukarinheittäjällä. Ukko toisella puolen ja moukari toisella.

Nuo tasapainotusrakeet toimivat ylikriittisen ripustuksen ja pyörimistaajuuden tilanteessa. Tuota pyörimisnopeutta pienemmillä nopeuksilla kaikesta irtonaisesta, tai löysästi kiinnitetystä tavarasta pyörivän systeemin sisällä on vain haittaa.

Resonanssikohdan ylittyessä systeemin painopiste pyörähtää nopeasti 180 astetta pyörimiskeskipisteen toiselle puolelle ja alkaa tasapainottaa itseään kaikella systeemin sisälle löysästi ripustetulla massalla, tässä tapauksessa noilla tasapainotusrakeilla.

Samaa rakennetta käytetään pyykinpesukoneen lingotessa ja vaikkapa auton moottorin ripustuksessa. Resonanssikohdan ohi pitää mennä nopeasti, ettei systeemin amplitudi ehdi kasvaa ja rikkoa rakennetta. Siksi ripustuksesta tehdään pehmeä, jotta resonanssitaajuus jää matalaksi ja resonanssitaajuudesta päästään nopeasti ohi. (Sama nopeuden muutos hitaassa vauhdissa vaatii vähemmän energiaa.)

Juuri tuosta syystä auton moottori tärähtelee, kun käynnistyy ja sammuu, kun sen pyörimisnopeus ylittää moottoriripustuksen määrittelemän ominaistaajuuden kohdan, tai pyykinpesukone tärisee ensin rajusti, kunnes ylittää ominaistaajuuden ja alkaa pyöriä pehmeästi.

Mekaaninen akseli on siis pehmeästi ripustetussa systeemin nopeasti pyöriessä aina painopisteen, eli todellisen pyörimisakselin suhteen vastakkaisella puolella. Kun nyt piirrät tuossa tilanteessa painopisteen ympärille säteitä kuvaamaan keskipakovoiman suuntaa, huomaat että renkaan pinta viettää suuntaan, joka tasapainottaa systeemiä.
Piirrän, kunhan saan ohjelman lisenssin...

[Vilijami]

Tällainenko? Pitäs tehdä animaatio tai piirtää kuvat joka tilanteesta. Tässä kuvan tilanteessa tasapainokuulat ovat juuri vetämässä todellista akselia kohti mekaanista akselia. Ei perhana tämä vetää aivot solmuun.

[Vilijami]

No nyt alkaa helpottaa.

[jori]

Hyvähyvä! Minä olisin piirtänyt tuohon vielä keskipakovoimavektorin, eli viivan pyörimiskeskipisteestä mielivaltaiseen kohtaan ulkokehällä, tähän kohtisuoran sädettä vastaan ja samasta pisteestä kehän tangentin, jolla siis on jokaisessa kohdassa viettävä kulma säteen kohtisuoraan verrattuna = alamäki tuolle pikkupallolle. Hyvä että selviää.

Tuota kriittistä ripustusta voi kokeilla laittamalla akkuporakoneeseen kiinni pätkän rautatankoa (harjateräksen pätkä) niin, että istukasta lähtee suora tanko, vaikkapa 600 mm suoraan eteen päin ja siihen 090 asteen mutka ja vaikkapa 300 mm tanko niin, että langasta tulee L-mallinen.

Nyt sitten pyörittelemään tuota L-tankoa ensin hitaasti ja sitten nopeasti ja kokeillen käsissä pitäen, miten kiinnipitojäykkyydestä riippuen tanko pyörii amplitudia kasvattaen, tai nopeammin pyöriessään varsin pienellä amplitudilla. Ja miten amplitudi pysyy pienenä, kun kriittinen nopeus ohitetaan nopeasti.

ED. Tuohan oli hyvä video. Hyvin kuvasi myös sen, miten tavallisesti intuitio harhauttaa luulemaan tilanteen olevan juuri päinvastoin, kuten tietysti onkin, kun pyörimisnopeus on alle ripustuksen kriittisen nopeuden. Hieno homma. Kehitys kehittyy.