دولاب الموازنة

دولاب الموازنة هو جهاز ميكانيكي يستخدم مبدأ حفظ الزخم الزاوي لتخزين الطاقة الدورانية ، وهي شكل من أشكال الطاقة الحركية يتناسب طرديًا مع حاصل ضرب عزم القصور الذاتي ومربع السرعة الدورانية . وبالتحديد، بافتراض ثبات عزم القصور الذاتي لدولاب الموازنة (أي دولاب موازنة ذو كتلة ثابتة وعزم مساحة ثانٍ يدور حول محور ثابت)، فإن الطاقة المخزنة (الدورانية) ترتبط ارتباطًا مباشرًا بمربع السرعة الدورانية.

بما أن دولاب الموازنة يُستخدم لتخزين الطاقة الميكانيكية لاستخدامها لاحقًا، فمن الطبيعي اعتباره نظيرًا للطاقة الحركية للمحث الكهربائي . وبمجرد تجريد هذا المبدأ المشترك لتخزين الطاقة، يُوصف في المفهوم العام للمُراكم . وكما هو الحال مع أنواع المُراكم الأخرى، يُخفف دولاب الموازنة بطبيعته الانحرافات الصغيرة في خرج الطاقة للنظام، وبالتالي يؤدي دور مُرشِّح الترددات المنخفضة فيما يتعلق بالسرعة الميكانيكية (الزاوية أو غيرها) للنظام. وبشكل أدق، تُساهم الطاقة المُخزَّنة في دولاب الموازنة في زيادة خرج الطاقة عند انخفاض مدخلات الطاقة، وفي المقابل، يمتص أي فائض في مدخلات الطاقة (الطاقة المُولَّدة من النظام) على شكل طاقة دورانية.

تشمل الاستخدامات الشائعة لعجلة الموازنة تنعيم خرج الطاقة في المحركات الترددية ، وتخزين الطاقة باستخدامها ، وتوفير الطاقة بمعدلات أعلى من المصدر، والتحكم في اتجاه النظام الميكانيكي باستخدام الجيروسكوب وعجلة رد الفعل . تُصنع عجلات الموازنة عادةً من الفولاذ وتدور على محامل تقليدية؛ وعادةً ما تكون سرعة دورانها القصوى محدودة ببضعة آلاف دورة في الدقيقة . ^{[ 1 ]} يمكن تصنيع عجلات الموازنة عالية الكثافة الطاقية من مركبات ألياف الكربون وتستخدم محامل مغناطيسية ، مما يُمكّنها من الدوران بسرعات تصل إلى 60,000  دورة في الدقيقة (1 كيلوهرتز ). ^{[ 2 ]} 

يُستدل على مبدأ دولاب الموازنة من المغزل وعجلة الخزاف في العصر الحجري الحديث ، وكذلك من أحجار الشحذ الدائرية في العصور القديمة. ^{[ 3 ]} في أوائل القرن الحادي عشر، كان ابن بسال رائدًا في استخدام دولاب الموازنة في النواريس والساقية . ^{[ 4 ]} ووفقًا للمؤرخة الأمريكية المتخصصة في العصور الوسطى ، لين وايت ، فإن استخدام دولاب الموازنة كجهاز ميكانيكي عام لمعادلة سرعة الدوران مُسجل في كتاب " في مختلف الفنون" ( De diversibus artibus ) للحرفي الألماني ثيوفيلوس بريسبيتر (حوالي 1070-1125)، الذي يُشير إلى استخدامه في العديد من آلاته. ^{[ 3 ] [ 5 ]}

في الثورة الصناعية ، ساهم جيمس وات في تطوير دولاب الموازنة في المحرك البخاري ، واستخدم معاصره جيمس بيكارد دولاب موازنة مقترنًا بذراع تدوير لتحويل الحركة الترددية إلى حركة دورانية. ^{[ 6 ]}

يمكن حساب الطاقة الحركية (أو بشكل أكثر تحديدًا الطاقة الدورانية ) المخزنة في دوار دولاب الموازنة بواسطة${\textstyle {\frac {1}{2}}آي\أوميغا ^{2}}$ω هي السرعة الزاوية ، و${\displaystyle I}$عزم القصور الذاتي هو عزم القصور الذاتي لعجلة الموازنة حول محور تناظرها. يُعد عزم القصور الذاتي مقياسًا لمقاومة الجسم الدوار لعزم الدوران المطبق عليه (أي كلما زاد عزم القصور الذاتي، قلّ تسارعه عند تطبيق عزم دوران معين). يمكن حساب عزم القصور الذاتي للأشكال الأسطوانية باستخدام الكتلة (${\textstyle m}$) ونصف القطر (${\displaystyle r}$بالنسبة للأسطوانة الصلبة، يكون الأمر كذلك.${\textstyle {\frac {1}{2}}السيد^{2}}$بالنسبة لأسطوانة فارغة ذات جدران رقيقة، يكون ذلك تقريبًا${\textstyle mr^{2}}$وبالنسبة لأسطوانة فارغة ذات جدران سميكة وكثافة ثابتة، فإنها${\textstyle {\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})}$[ ^{7 ]​}

بالنسبة لتصميم معين لعجلة الموازنة، تتناسب الطاقة الحركية طرديًا مع نسبة الإجهاد المحيطي إلى كثافة المادة وكتلتها. ويمكن تعريف قوة الشد النوعية لعجلة الموازنة على النحو التالي:${\textstyle {\frac {\sigma _{t}}{\rho }}}$تُنتج مادة دولاب الموازنة ذات أعلى مقاومة شد نوعية أعلى قدرة على تخزين الطاقة لكل وحدة كتلة. وهذا أحد أسباب أهمية ألياف الكربون كمادة. بالنسبة لتصميم معين، تتناسب الطاقة المخزنة طرديًا مع الإجهاد المحيطي والحجم.

تُعدّ دولاب الموازنة الذي يعمل بمحرك كهربائي شائع الاستخدام في التطبيقات العملية. وتُساوي القدرة الناتجة عن المحرك الكهربائي تقريبًا القدرة الناتجة عن دولاب الموازنة. ويمكن حسابها بواسطة${\textstyle (V_{i})(V_{t})\left({\frac {\sin(\delta )}{X_{S}}}\right)}$، أين${\displaystyle V_{i}}$يمثل جهد ملفات الدوار ،${\displaystyle V_{t}}$هو جهد الجزء الثابت ، و${\displaystyle \delta }$هي الزاوية بين جهدين كهربائيين. يمكن تخزين كميات متزايدة من طاقة الدوران في دولاب الموازنة حتى يتحطم الدوار. يحدث هذا عندما يتجاوز الإجهاد المحيطي داخل الدوار قوة الشد القصوى لمادة الدوار. يمكن حساب إجهاد الشد بواسطة${\displaystyle \rho r^{2}\omega ^{2}}$، أين${\displaystyle \rho }$هي كثافة الأسطوانة،${\displaystyle r}$يمثل نصف قطر الأسطوانة، و${\displaystyle \omega }$هي السرعة الزاوية للأسطوانة.

تتكون دولاب الموازنة ذو الحافة من حافة ومحور وأضلاع . ^{[ 8 ]} يمكن تبسيط حساب عزم القصور الذاتي لدولاب الموازنة من خلال تطبيق عدة تبسيطات. إحدى هذه الطرق هي افتراض أن الأضلاع والمحور والمركز لها عزم قصور ذاتي صفري، وأن عزم القصور الذاتي لدولاب الموازنة ناتج عن الحافة فقط. طريقة أخرى هي تجميع عزوم القصور الذاتي للأضلاع والمحور والمركز في الحافة. ​​يمكن تقدير هذه العزوم كنسبة مئوية من عزم القصور الذاتي لدولاب الموازنة، مع كون الجزء الأكبر ناتجًا عن الحافة، بحيث${\displaystyle I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {دولاب الموازنة} }}$على سبيل المثال، إذا اعتُبرت عزمات القصور الذاتي للمحور والأسلاك والعمود ضئيلة، وكان سُمك الحافة صغيرًا جدًا مقارنةً بنصف قطرها المتوسط ​​(${\displaystyle R}$)، نصف قطر دوران الحافة يساوي نصف قطرها المتوسط، وبالتالي${\textstyle I_{\mathrm {rim} }=M_{\mathrm {rim} }R^{2}}$.

تُزيل دولاب الموازنة عديم العمود الثقوب الحلقية والعمود والمحور. يتميز بكثافة طاقة أعلى من التصميم التقليدي ^{[ 9 ]} ، ولكنه يتطلب محملًا مغناطيسيًا متخصصًا ونظام تحكم ^{[ 10 ]} . تُحدد الطاقة النوعية لدولاب الموازنة بواسطة${\textstyle {\frac {E}{M}}=K{\frac {\sigma }{\rho }}}$، حيث${\displaystyle K}$هو عامل الشكل،${\displaystyle \sigma }$قوة شد المادة و${\displaystyle \rho }$الكثافة. في حين أن دولاب الموازنة النموذجي له عامل شكل يبلغ 0.3، فإن دولاب الموازنة بدون عمود له عامل شكل قريب من 0.6، من الحد النظري البالغ حوالي 1. ^{[ 11 ]}

تتكون العجلة الدوارة الفائقة من قلب صلب (محور) وعدة طبقات رقيقة من مواد مرنة عالية القوة (مثل أنواع خاصة من الفولاذ، أو مركبات ألياف الكربون، أو الألياف الزجاجية، أو الجرافين) ملفوفة حوله. ^{[ 12 ]} بالمقارنة مع العجلات الدوارة التقليدية، تتميز العجلات الدوارة الفائقة بقدرتها على تخزين طاقة أكبر، كما أنها أكثر أمانًا في التشغيل. ^{[ 13 ]} في حالة حدوث عطل، لا تنفجر العجلة الدوارة الفائقة أو تتفتت إلى شظايا كبيرة مثل العجلة الدوارة العادية، بل تنقسم إلى طبقات. تعمل هذه الطبقات المنفصلة على إبطاء دوران العجلة الدوارة الفائقة عن طريق الانزلاق على الجدران الداخلية للغلاف، مما يمنع أي تلف إضافي. على الرغم من أن القيمة الدقيقة لكثافة الطاقة في العجلة الدوارة الفائقة تعتمد على المادة المستخدمة، إلا أنها نظريًا قد تصل إلى 1200 واط/ساعة (4.4 ميغا جول) لكل كيلوغرام من الكتلة بالنسبة للعجلات الدوارة الفائقة المصنوعة من الجرافين. وقد حصل العالم السوفيتي الروسي نوربي جوليا على براءة اختراع أول عجلة دوارة فائقة في عام 1964 . ^{[ 14 ] [ 15 ]}

تُصنع عجلات الموازنة من مواد مختلفة، ويُحدد التطبيق نوع المادة المختارة. توجد عجلات موازنة صغيرة مصنوعة من الرصاص في ألعاب الأطفال. وتُستخدم عجلات الموازنة المصنوعة من الحديد الزهر في محركات البخار القديمة. أما عجلات الموازنة المستخدمة في محركات السيارات فتُصنع من الحديد الزهر أو الحديد الزهر العقدي أو الفولاذ أو الألومنيوم. ^{[ 16 ]} وقد اقتُرح استخدام عجلات موازنة مصنوعة من الفولاذ عالي المقاومة أو المواد المركبة في أنظمة تخزين الطاقة وأنظمة الكبح في المركبات.

تُحدد كفاءة دولاب الموازنة بأقصى كمية من الطاقة التي يمكنه تخزينها لكل وحدة وزن. مع زيادة سرعة دوران دولاب الموازنة أو سرعته الزاوية، تزداد الطاقة المخزنة، ولكن تزداد معها الإجهادات. إذا تجاوز الإجهاد المحيطي قوة الشد للمادة، فسيتحطم دولاب الموازنة. لذا، فإن قوة الشد تحد من كمية الطاقة التي يمكن لدولاب الموازنة تخزينها.

في هذا السياق، لا يُعدّ استخدام الرصاص في دولاب الموازنة في ألعاب الأطفال فعالاً؛ ومع ذلك، لا تقترب سرعة دولاب الموازنة أبدًا من سرعة الانفجار لأن الحدّ الأقصى في هذه الحالة هو قوة سحب الطفل. في تطبيقات أخرى، مثل السيارات، يعمل دولاب الموازنة بسرعة زاوية محددة ويتقيد بالمساحة التي يجب أن يشغلها، لذا فإن الهدف هو زيادة الطاقة المخزنة لكل وحدة حجم إلى أقصى حد. وبالتالي، يعتمد اختيار المادة على التطبيق. ^{[ 17 ]}

تُستخدم دولاب الموازنة غالبًا لتوفير طاقة مستمرة في الأنظمة التي لا يكون فيها مصدر الطاقة مستمرًا. على سبيل المثال، يُستخدم دولاب الموازنة لتخفيف تقلبات السرعة الزاوية السريعة لعمود المرفق في المحرك الترددي. في هذه الحالة، يخزن دولاب الموازنة الطاقة عند تطبيق عزم الدوران عليه بواسطة مكبس الاحتراق ، ثم يعيد تلك الطاقة إلى المكبس لضغط شحنة جديدة من الهواء والوقود. مثال آخر هو محرك الاحتكاك الذي يُشغل أجهزة مثل سيارات الألعاب . في الحالات البسيطة وغير المكلفة، ولتوفير التكاليف، يتركز الجزء الأكبر من كتلة دولاب الموازنة باتجاه حافته. إن إبعاد الكتلة عن محور الدوران يزيد من القصور الذاتي الدوراني لكتلة إجمالية معينة.

يمكن استخدام دولاب الموازنة لتوفير نبضات متقطعة من الطاقة بمستويات طاقة تتجاوز قدرة مصدرها. ويتحقق ذلك بتجميع الطاقة في دولاب الموازنة على مدى فترة زمنية، بمعدل يتوافق مع مصدر الطاقة، ثم إطلاق الطاقة بمعدل أعلى بكثير خلال فترة زمنية قصيرة نسبيًا عند الحاجة. على سبيل المثال، تُستخدم دواليب الموازنة في مطارق الطاقة وآلات التثبيت .

يمكن استخدام العجلات الدوارة للتحكم في الاتجاه ومقاومة الحركات غير المرغوب فيها. وللعجلات الدوارة في هذا السياق مجموعة واسعة من التطبيقات: الجيروسكوبات لأجهزة القياس، واستقرار السفن ، وتثبيت الأقمار الصناعية ( عجلة رد الفعل )، والحفاظ على دوران لعبة ( محرك الاحتكاك )، وتثبيت الأجسام المعلقة مغناطيسيًا ( الرفع المغناطيسي المستقر بالدوران ).

يمكن استخدام دولاب الموازنة كمعوض كهربائي، مثل المعوض التزامني ، حيث يمكنه توليد أو امتصاص القدرة التفاعلية دون التأثير على القدرة الفعالة. يهدف هذا التطبيق إلى تحسين معامل القدرة للنظام أو ضبط جهد الشبكة. عادةً ما تكون دولاب الموازنة المستخدمة في هذا المجال مشابهة في بنيتها وتركيبها للمحرك التزامني (ولكن يُطلق عليها في هذا السياق اسم المعوض التزامني أو المكثف التزامني). توجد أيضًا أنواع أخرى من المعوضات التي تستخدم دولاب الموازنة، مثل آلة الحث أحادية الطور. لكن الفكرة الأساسية واحدة، حيث يتم التحكم في دولاب الموازنة ليدور بدقة عند التردد المطلوب تعويضه. بالنسبة للمعوض التزامني، يجب أيضًا الحفاظ على جهد الدوار والثابت متوافقين في الطور، وهو ما يُعادل الحفاظ على المجال المغناطيسي للدوار والمجال المغناطيسي الكلي متوافقين في الطور (في الإطار المرجعي الدوار ).

• المُراكم (الطاقة)
• القابض
• وحدة تزويد الطاقة غير المنقطعة الدوارة التي تعمل بالديزل
• دولاب موازنة ثنائي الكتلة
• لعبة فيدجيت سبينر
• التدريب باستخدام دولاب الموازنة
• قائمة عزم القصور الذاتي

• بطاريات دولاب الموازنة ضمن فقرة "شيء مثير للاهتمام لهذا اليوم".
• "نظام تخزين طاقة من صنع داروين، تم اختباره في المناطق النائية لاستخدامه في أفريقيا النائية" ، رينيو إيكونومي - تقنية تثبيت الشبكات الصغيرة القائمة على دولاب الموازنة