from 01.01.2018 until now
Vladimir, Vladimir, Russian Federation
The study objective is to find a mechanical analogue of cyclotron motion and to determine the structure of the corresponding device, which is appropriately called a stabilized rotator. The topic of speed stabilization is relevant. With cyclotron motion, the Lagrangian of an electron is twice as large as its kinetic energy. In terms of macromechanics, this corresponds to the equality of kinetic and potential energies. This condition is key to the possibility of generalizing cyclotron motion to mechanics. It follows from this that the composition of a stabilized rotator should include elements that are able to store both of these energy types. Such elements are the load and the spring. The natural rotation frequency of the stabilized rotator is strictly fixed (it does not depend on either the moment of inertia or the angular momentum) and remarkably coincides with the natural frequency of the pendulum with identical parameters. When the angular momentum changes, the radius and tangential velocity change (the rotation frequency does not change and is equal to its own). At zero torque moment in stationary mode, the rotation frequency of the stabilized rotator cannot be arbitrary and takes a single value. Just as when the pendulum is forced to swing, the frequency does not coincide with its own frequency, the rotation frequency of the stabilized rotator does not coincide with its own rotation frequency when loaded. A stabilized rotor can be used to control the natural oscillation frequency of a radial oscillator, although in this case it may have strong competition with mechatronic systems. On the contrary, as a rotation stabilizer, its competitive capabilities are undeniable and determined by the extremely simple design.
rotator, pendulum, frequency, stabilization, running-out, energy, angular momentum, cyclotron motion
Введение
Механические и электромагнитные явления и процессы во многих случаях математически изоморфны [1, 2]. Это дает возможность обобщать достижения одной научной специальности на другую. В этом смысле представляет интерес циклотронное движение электрического заряда [3, 4], которое характеризуется фиксированной частотой вращения. Это следует из баланса сил.
Здесь q – величина электрического заряда, v – тангенциальная скорость заряда, B – магнитная индукция, m – масса заряженной частицы, r – радиус циклотронного движения, ω – частота вращения.
Частота действительно не зависит ни от скорости, ни от радиуса.
Ключевым обстоятельством для возможности обобщения циклотронного движения на механику является то, что лагранжиан электрона, движущегося поперек постоянного магнитного поля, вдвое больше его кинетической энергии.
Здесь v – тангенциальная скорость заряда в векторной форме записи.
Векторный потенциал магнитного поля равен
При этом
Второе слагаемое равно
Целью работы является нахождение механического аналога циклотронного движения и определение схемы соответствующего устройства, которое уместно назвать cтабилизированным ротатором.
Тема стабилизации вращения является актуальной [5–7].
Материалы, модели, эксперименты и методы
Неизменность частоты циклотронного движения обусловлена равенством кинетической и потенциальной (в терминах «макромеханики») энергий электрона.
Это обстоятельство является основанием для предположения о том, что обеспечение такого же равенства в механической системе также может привести к неизменности ее частоты вращения.
Перечень необходимых материалов также вытекает из указанного обстоятельства. Для запасания кинетической энергии требуется груз с возможностью движения, а для потенциальной – пружина.
Для решения задач настоящего исследования кроме этого используются методы синтеза и анализа механических систем, включая исследование их кинематики и динамики с применением традиционного математического аппарата.
Результаты
Синтез стабилизированного ротатора. В соответствии с характером циклотронного движения и, соответственно, ротатора, необходимо имеет место радиус вращения (r) и циклическая частота (ω).
Из равенства энергий следует
Здесь
Неизменность циклической частоты обеспечивается очевидным ключевым условием
Установленные необходимые обстоятельства определяют принципиальную схему cтабилизированного ротатора, которая представлена на рисунке.
Собственная частота вращения cтабилизированного ротатора
строго фиксирована (не зависит ни от момента инерции, ни от момента импульса) и замечательным образом совпадает с собственной частотой колебаний маятника с идентичными параметрами [8].
Рисунок. Стабилизированный ротатор
Fig. Stabilized rotator
Кинематика стабилизированного ротатора. Момент импульса стабилизированного ротатора равен
Здесь J – момент инерции,
– волновой реактанс [9].
При изменении момента импульса изменяется радиус и тангенциальная скорость (частота вращения при этом не меняется и равна собственной).
Положению груза, при котором его центр масс совпадает с осью вращения, соответствует состояние неопределенного равновесия. При вращении груз равновероятно может отклониться в любую из двух сторон и, соответственно, может развиваться как сжатие, так и растяжение пружины.
Состояние неопределенного равновесия можно исключить, обеспечив начальное (статическое) смещение груза r0 и равную ему начальную деформацию пружины.
Динамика стабилизированного ротатора. При раскручивании преднапряженного ротатора до частоты ω0 центробежная сила
За время t0 при постоянном вращающем моменте М ротатор достигнет частоты вращения ω0.
При дальнейшем нагружении стабилизированного ротатора вращающим моментом его динамика (нелинейный участок) описывается системой двух дифференциальных уравнений – вращательного и поступательного (радиального)
Трение здесь не учитывается.
Начальные условия:
Из системы уравнений и начальных условий следует
Таким образом, частота вращения cтабилизированного ротатора и радиус представимы в виде:
Вопрос о сходимости рядов здесь не рассматривается.
Смысл последних двух уравнений состоит в иллюстрации нелинейности динамики cтабилизированного ротатора при нагружении его постоянным вращающим (тормозящим) моментом.
Подобно тому как при вынужденных колебаниях маятника частота не совпадает с собственной частотой, частота вращения cтабилизированного ротатора при нагружении не совпадает с собственной частотой вращения.
Из (27) следует, что чем меньше момент М и больше m и r0, тем меньше отклонение частоты вращения ω от собственной ω0.
Второе замечательное свойство стабилизированного ротатора. (Первым является фиксированная собственная частота вращения (9) и ее совпадение с собственной частотой колебаний маятника).
При вынужденном вращении cтабилизированного ротатора с постоянной частотой
(a – безразмерный коэффициент) его радиальная динамика определяется уравнением
В зависимости от значения а возможны три варианта.
1. При
Таким образом, стабилизированный ротатор доставляет возможность управлять собственной частотой колебаний радиального осциллятора.
2. При
Колебания не происходят.
3. При
Колебания не происходят.
Затухание колебаний в стабилизированном ротаторе принципиально не отличается от затухания в обычном маятнике [10].
Выбег ротатора в стабилизированном режиме. Минимальная полная энергия стабилизированного ротатора в стабилизированном режиме соответствует статическому смещению груза r0.
Максимальная полная энергия теоретически не ограничена, а практически определяется конструктивно установленным максимальным радиусом rm.
Пусть средняя за выбег мощность диссипативных потерь равна Р.
Тогда время выбега составит
Очевидно, что чем меньше Р, тем меньше отклонение частоты вращения ω от собственной ω0.
Обсуждение/Заключение
Заявленная цель работы достигнута. Механический аналог циклотронного движения определен. Им является cтабилизированный ротатор, обладающий фиксированной частотой вращения, не зависящей от момента импульса и момента инерции.
Аналогия между циклотронным движением и вращением cтабилизированного ротатора заключается в том, что в стационарных режимах они оба характеризуются фиксированной частотой вращения.
Другими особенностями cтабилизированного ротатора являются идентичность формулы частоты вращения формуле частоты пружинного маятника, равенство кинетической и потенциальной энергий и вытекающее из этого равенство радиуса вращения груза величине деформации пружины.
Стабилизированный ротатор может использоваться для управления собственной частотой колебаний радиального осциллятора, хотя в этом качестве он может иметь сильную конкуренцию со стороны мехатронных систем.
Напротив, в качестве стабилизатора вращений его конкурентные возможности неоспоримы и определяются предельной простотой конструкции.
1. Pavlov VD. Charge emission theorems. Engineering Physics. 2021;6:37-40. doi:https://doi.org/10.25791/infizik.6.2021.1213.
2. Pavlov V.D. The energy of electric charge radiation and its consequences. Izvestiya Ufimskogo Nauchnogo Tsentra RAN. 2021;4:5-8. doi:https://doi.org/10.31040/2222-8349-2021-0-4-5-8.
3. Pavlov VD. Mathematical models of resonant and antiresonance processes. Herald of the Ural State University of Railway Transport. 2021;1(49):17-27. doi:https://doi.org/10.20291/2079-0392-2021-1-17-27.
4. Pavlov VD. On the ambiguity of mechanical power. Advanced Engineering Research. 2022;1:24-29. Available from: https://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-1-24-29
5. Pavlov VD. Energy storage of a transport and technological machine with the possibility of automatic control. Automated Technologies and Production. 2021;2(24):7-10.
6. Pavlov VD. Mechanical power under harmonic influences. Modern Technologies. System Analysis. Modeling. 2022;1(73):30-38. doi:https://doi.org/10.26731/1813-9108.2022.1(73).30-38.
7. Evseev DG, Sarychev YuN, Bespalko SV. Mathematical model of a car vibration damper based on viscous friction. Transport Engineering. 2022;1-2(1-2):89-95. doi:https://doi.org/10.30987/2782-5957-2022-01-02-89-95.
8. Shchetinin VS, Sablin PA. Interaction of spatial oscillation with roughness of surface worked by example of turning. Bulletin of Bryansk State Technical University. 2021;1(98):4-9. doi:https://doi.org/10.30987/1999-8775-2021-1-4-9.
9. Kirichek AA. System for active monitoring of rotor bearing state in turbine generator of micro-turbine installation. Bulletin of Bryansk State Technical University. 2021;5(102):48-54. doi:https://doi.org/10.30987/1999-8775-2021-5-48-54.
10. Tikhomirov VP, Gorlenko AO, Volokhov SG, Izmerov MA. Magnetic field impact iupon tribotechnical characteristics of permanent connections in relation to friction vibration shock absorbers. Bulletin of Bryansk State Technical University. 2020;10(95):4-11. doi:https://doi.org/10.30987/1999-8775-2020-10-4-11.
