Эта статья представляет собой вводную теорию к уроку робототехники «Кривошипно-шатунный механизм Lego EV3″
Первые КШМ
Первые упоминания об использовании кривошипно-шатунного механизма можно отнести ко временам Древнего Рима (примерно 3 век н.э.). Пила для каменных блоков передавала вращение водяного колеса через зубчатую передачу на кривошипно-шатунный механизм, который преобразовывал вращательное движение в возвратно-поступательное движение пильного диска. Также такие устройства можно было использовать на старых лесопильных заводах.
Схема древнеримской водяной пилы с КШМ
Такие машины не получили широкого распространения: деревянные детали из-за большого количества трущихся деталей быстро изнашивались и требовали частого ремонта, а рабский труд был значительно дешевле и не требовал высокой квалификации рабочих.
В 16 веке на деревянных прялках появился кривошипно-шатунный механизм. Прялка — ручная машина для прядения шерсти, состоящая из двух катушек. В самовращающемся колесе для скручивания нити использовался принцип ременной передачи. Раньше большую катушку приходилось откручивать руками. К прялке добавили педаль. Нажимая ногой на педаль, рабочий мог крутить катушку без помощи рук. Этот механизм упростил работу и позволил производить больше пряжи за то же время. В этом устройстве возвратно-поступательное движение педали через деревянный шатун передавалось кривошипу и преобразовывалось во вращательное движение большой катушки (шкива).
Автоматический ножной поворотный ролик и КШМ позволили освободить руки и сделать работу более продуктивной
КШМ в паровых машинах
С начала 18 века паровые машины стали получать широкую популярность среди изобретателей и ученых. Первая паровая машина для водяного насоса была построена в 1705 году английским изобретателем Томасом Ньюкоменом для откачки воды из глубоких шахт.
Позднее паровая машина была усовершенствована шотландским инженером и механиком Джеймсом Уаттом (1736-1819). Кстати, именно Джеймс Уатт ввел термин «лошадиная сила», и в его честь была названа силовая установка Уатта. Паровая машина Уатта получила сложную систему соединенных шатунов и планетарную передачу, преобразующую возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение маховика (большого, тяжелого колеса). Эта паровая машина стала универсальной, так как, в отличие от машины Ньюкомена, поршень имел рабочий ход в обе стороны. Двигатель Уатта широко применялся на ткацких фабриках, в металлургии, при строительстве первых паровозов для железных дорог в 18 веке.
Паровая машина Джеймса Уатта. Вместо кривошипа сложная планетарная передача Шотландский изобретатель Джеймс Уатт
Надо сказать, что паровыми машинами в те времена занимались многие изобретатели. Так, в Российской империи инженер Иван Иванович Ползунов (1728-1766) изобрел свою двухцилиндровую паровую машину).
В 19 веке паровую машину Уатта упростили, заменив сложный планетарный механизм кривошипно-шатунным механизмом.
Паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом
Схема паровой машины с кривошипно-шатунным механизмом
Паровая машина с КШМ нашла широкое применение при строительстве первых паровых машин и паровозов, перевозивших грузы по железной дороге.
Локомотив
КШМ в двигателях внутреннего сгорания
До сих пор мы рассматривали использование кривошипно-шатунного механизма в паровых машинах. В паровой машине топливо сжигается в топке (вне цилиндра) и нагревает водяной котел, а пар в цилиндре толкает поршень.
В двигателе внутреннего сгорания горючая смесь (воздух+газ, или воздух+бензин и т.д.) воспламеняется внутри цилиндра и продукты сгорания толкают поршень. Короче говоря, эти двигатели называются двигателями внутреннего сгорания.
Первый одноцилиндровый газовый двигатель внутреннего сгорания был построен в 1860 году в Париже французским изобретателем Жаном Ленуаром.
Двигатель внутреннего сгорания Жана Ленуара (внешне очень похож на паровой двигатель)
Однако двигатели внутреннего сгорания получили широкое распространение в конце 19 века после производства керосина и бензина из нефти. Появление жидкого топлива позволило создать недорогие маломассивные двигатели, которые можно было использовать для приведения в движение транспортных средств.
В 1881-1885 гг. Русский изобретатель Огнеслав Костович спроектировал и построил в России восьмицилиндровый двигатель мощностью 59 кВт.
Двигатель внутреннего сгорания Огнеслав Костович
В 1897 году немецкий инженер Рудольф Дизель спроектировал и построил первый двигатель с воспламенением от сжатия. Это был компрессорный двигатель, работавший на керосине, впрыскиваемом в цилиндр сжатым воздухом.
Рудольф Дизель и его двигатель внутреннего сгорания
Все эти двигатели внутреннего сгорания имели схожие характеристики и использовали кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Давайте посмотрим на конструкцию современного двигателя внутреннего сгорания.
Схема кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания
Общие определения:
Поршень совершает возвратно-поступательные движения вдоль цилиндра, движется вверх и вниз.
Шатун — это деталь, которая соединяет кривошип и поршень.
Кривошип – условная деталь, соединяющая шатун с коленчатым валом.
Противовес снижает вибрацию при вращении коленчатого вала.
Блок цилиндров – это корпус, в котором расположены цилиндры двигателя.
Поршневой палец представляет собой цилиндрическую деталь, ось вращения шатуна по отношению к поршню.
Коленчатый вал (коленвал) — ось вращения ступенчатой формы.
Верхняя мертвая точка — крайнее верхнее положение поршня, при котором изменяется направление его движения.
Нижняя мертвая точка — самое нижнее положение поршня, при котором меняется направление его движения.
Ход поршня: расстояние между крайними положениями поршня. Равен удвоенному радиусу кривошипа.
Блок цилиндров, поршень с шатуном и коленвалом
Маятник Капицы
Обычный маятник, если его перевернуть вверх дном, неустойчив. Ему крайне сложно найти верхнюю точку равновесия. Но если совершать быстрые вертикальные знакопеременные колебания, то положение такого маятника стабилизируется.
Петр Леонидович Капица
Советский академик, лауреат Нобелевской премии по физике Петр Леонидович Капица (1894 — 1984) использовал модель маятника с вибрирующим подвесом для построения новой теории, описывающей эффекты стабилизации тел или частиц. Работа Капицы по стабилизации маятника была опубликована в 1951 году, а сама модель получила название «маятник Капицы». Кроме того, было открыто новое направление в физике — вибрационная механика. Эта модель позволила наглядно продемонстрировать возможности высокочастотной электромагнитной стабилизации пучков заряженных частиц в ускорителях.
Владимир Игоревич Арнольд
Другой советский математик и академик Владимир Игоревич Арнольд (1937-2010), который был заместителем Капицы, вспоминал его слова:
«Он (Капица — прим.) сказал: «Посмотрите, когда изобретается какая-то физическая теория, прежде всего надо сделать небольшой прибор, на котором ее можно было бы наглядно продемонстрировать любому. Например, Будкер и Векслер хотят построить ускорители в очень сложной системе. Но я видел, что уравнения, которые говорят об устойчивости этой балки, означают, что если маятник перевернуть вверх дном, то он обычно неустойчив, он падает. Но если точка подвеса совершает быстрые вертикальные колебания, то она становится устойчивой. Хотя ускоритель стоит много миллионов, этот маятник можно сделать очень легко. Я сделал его на основе электрической швейной машинки, он здесь». Он провел нас в соседнюю комнату и показал нам этот вертикальный маятник на основе швейной машинки».
Демонстрация динамической стабилизации перевернутого маятника с помощью электробритвы
У математика Арнольда не было своей швейной машинки, и он был расстроен. Зато у него была электробритва Нева, из которой был собран перевернутый маятник. К сожалению, в первой конструкции маятник упал. Тогда Арнольд вывел формулу и увидел, что длина маятника не должна быть больше 12 сантиметров. Известный математик укоротил подвеску до 11 сантиметров и все получилось.
Посмотрим, какие силы действуют на «маятник Капицы». После прохождения верхней мертвой точки маятниковая подвеска начинает тянуть вес вниз. После прохождения нижней мертвой точки подвеска толкает вес вверх. Поскольку углы между векторами силы в верхней и нижней точках различны, сумма их векторов дает силу, направленную к оси вертикальных колебаний маятника. Если эта сила больше силы тяжести, то верхнее положение маятника стабилизируется.
А эта формула описывает зависимость между частотой колебаний подвеса, амплитудой колебаний и длиной жесткого подвеса.
