什么是飞轮

漠虚静 2023-09-07 15:39:11

飞轮是一种储存和获取能量的方式,所用材料不过是一个老旧的大轮子。

如果没有飞轮

没有飞轮就没办法储存转动产生的能量,发动机的功率输出就无法稳定,轮子的工作效率就会显著下降。

最早发明时间

公元前300年(用于陶器制作)

1100年(用于机械)

前置技术

轮子,钢铁(用于制作高密度、高强度的飞轮,也用于制作滚珠轴承)

如何发明

飞轮的工作原理基于一条物理规律:运动的物体会保持运动状态。假如你有一个沉重的轮子,要花很大的力气才能转动,那么要想让它从转动状态中停下来,也需要花很大的力气。于是,它就成了一种储存动能而不是电能的电池!由于存在摩擦力,轮子转动的速度会逐渐变慢,因此它们并不是完美的电池,但一个极重或极大的飞轮会转动很长一段时间。飞轮的首次应用是用于制造陶器(制陶工匠用的转轮又大又重,一旦转起来就会持续很长时间,所以,这些被黏土覆盖的工具其实就是飞轮),但是人类用了很久(这一点儿也不稀奇)才认识到这种工具可以用在别的地方。事实证明,只需将其连在一根由发动机转动的杆子上,你就可以开始工作了!

除了可以储存能量之外,飞轮也可以用于给机械润滑。在活塞式发动机中,活塞的运动是断断续续的,但在很多情况下,我们都需要它持续稳定地为我们提供动力。举个例子,如果你正在用这种发动机给拖拉机供能,你一定想要以均一的步伐前进,而无须时不时地重新启动发动机。如果活塞并不直接给你所用的机械供能,而是先把能量传输到飞轮上,那么即便活塞不再供能,飞轮也会产生更加均匀的推动力,轮子也就会继续滚动。

飞轮,用不那么专业的语言来说,就是“轮子上插了根棍子”

飞轮还能以更快的速度(比最初获取能量时)释放能量。你可能得花上几个小时才能让飞轮快速地转动起来,但如果给飞轮安上一个沉重的负载,你就可以在很短的一段时间内把所有的能量全部用在手头的工作上。这种短暂但强大的瞬时能量爆发,是正常情况下完全做不到的。当然,飞轮能够储存的能量也是有上限的:一旦轮子转动过快,产生的力就会超过自身的抗拉强度,最后整个飞轮四分五裂,所有的碎片都会以一个极快的速度飞出。这就是钢制飞轮比铸铁飞轮更安全的原因:钢的抗拉强度更高,可以把飞轮崩溃而变成一枚意外的金属炸弹的概率降到最低。

你可以通过加大飞轮尺寸或者提高其转速的方法,来增加飞轮储存的能量。转动的轮子中蕴藏的能量和速度的平方成正比,因此一个快速转动的小飞轮储存的能量要比一个缓慢转动的大飞轮更多。还有最后一点,虽然飞轮看上去有点儿老旧过时,但它们并不仅仅用于活塞式机械:2004年,美国国家航空航天局(NASA)开发了一种实验飞轮,目的是在太空中以更低廉的成本更稳定地存储能源。因此,严格说来,发明了飞轮之后,你这个文明的宏伟的航天计划也就迈出了第一步。真是太棒了!

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