Wattův odstředivý regulátor

14. 8. 2012, 12:11

17. 6. 2013, 11:00

František Látal

Úvod

Tvůrcem prvních parních strojů byl anglický vynálezce Thomas Newcomen (1664–1729), který sestrojil parní stroj pro čerpání vody z dolů. Hlavní nevýhodou jeho stroje byla nízká účinnost, která byla způsobena zejména střídáním teplot v pracovním válci. Několika násobného zvýšení účinnosti tohoto parního stroje dosáhl skotský fyzik James Watt (1736–1819), sestrojením odděleného kondenzátoru páry.

Velkým problémem parního stroje bylo kolísání rychlosti otáčení při proměnlivé zátěži či tlaku páry. James Watt v roce 1782 sestrojil první průmyslově vyráběný proporcionální regulátor na čistě mechanickém principu, který využívá odstředivou sílu k omezování přívodu páry do stroje (Wattův odstředivý regulátor otáček).

Obr. 1 Model parního stoje (fotografie ze Science Museum, Londýn)

Podle druhého Newtonova pohybového zákona je příčinou zrychlení hmotného bodu vždy síla, která má stejný směr jako zrychlení. Na hmotný bod, který koná rovnoměrný pohyb po kružnici, působí tedy dostředivá síla $F_{\rm d}$, která směřuje stále do středu kružnice. Působí-li na těleso, které koná rovnoměrný pohyb po kružnici, více sil, je dostředivá síla výslednicí všech těchto sil. Např. na sedačku řetízkového kolotoče působí tíhová síla $F_{G}$ a tahová síla lana. Výslednicí těchto dvou sil je dostředivá síla, která způsobuje pohyb sedačky po kružnici.

Při demonstraci vztahu pro velikost dostředivé síly $F_{\rm d}$, platí: \begin{equation} F_{\rm d} = ma_{\rm d},\label{eq:rce1} \end{equation} \begin{equation} F_{d} =m \frac{ v^{2} }{r} =m \omega ^{2}r=m4 \pi ^{2} f^{2} r,\label{eq:rce2} \end{equation} kde $m$ je hmotnost tělesa, $a_{\rm d}$ dostředivé zrychlení, $r$ je poloměr kružnice, $v$ velikost rychlosti, $\omega$ úhlová rychlost a $f$ frekvence otáček. Jsme odkázáni na předvádění účinků odstředivé síly. Podle zákona akce a reakce jsou velikosti obou těchto sil stejné.

Pomůcky

Odstředivý stroj, model Wattova odstředivého regulátoru.

Postup

• Model Wattova odstředivého regulátoru (viz obr. 2) upevníme do odstředivého stroje (viz obr. 3). Při roztáčení odstředivého stroje pozorujeme, že se kuličky odstředivého regulátoru zdvihají.

Obr. 2 Model Wattova odstředivého regulátoru

Obr. 3 Odstředivý stroj

Závěr

Na modelu Wattova odstředivého regulátoru demonstrujeme závislost odchylky koulí od osy na frekvenci otáček.

Použitá literatura a zdroje

• ŽOUŽELKA, J.: Praktikum školních pokusů z fyziky. vyd. Olomouc: Vydavatelství Univerzity Palackého, 1993, ISBN 80-7067-278-1.

Diskuze (0)

Fotogalerie (3)