Warum dreht sich ein freilaufendes Schwungrad leicht gegenläufig, bevor es schließlich stoppt?

Ich habe mich schon eine ganze Weile darüber gewundert (vielleicht fünfzehn Jahre, aber ich habe es regelmäßig vergessen) und konnte keine Antwort finden. Auch bei Google finde ich keine Antwort.

Meine Frage lautet: Warum schaukelt ein sich drehendes Schwungrad, das von einigermaßen vernünftigen Lagern * unterstützt wird und zum Stillstand kommt, leicht nach hinten, bevor es schließlich vollständig anhält? Ich gehe davon aus, dass es nach dem ersten "rocken" oder Richtungsumkehr nicht zur Ruhe kommt, sondern abklingt.

*Ich erwähne dies, weil ich es nicht beobachtet habe, wenn die Lager von was auch immer besonders eng oder kaputt sind oder es viel parasitären Widerstand gibt, wie wenn das Schwungrad einen Motor hat. Wie Sie wahrscheinlich erwarten würden.

Ich habe ein Müllvideo: https://www.youtube.com/watch?v=khXpTaNs9Fw

Das ist ein Technics 1210 mit entferntem Magnet. Ich habe es für das Video entfernt, um sicherzustellen, dass das Schaukeln am Ende des Ausrollens nicht durch die im Motor induzierte Gegen-EMK verursacht wurde.

Ich habe versucht zu veranschaulichen, dass es in beide Richtungen funktioniert.

Ich habe mich über den Nulldurchgangspunkt oder den Zeitpunkt zwischen (willkürlicher) Drehung im Uhrzeigersinn und Drehung gegen den Uhrzeigersinn gewundert. Wenn der Grund dafür meiner Meinung nach einfach darin besteht, dass die Reibung größer ist als die Trägheit (das muss es sein, sonst würde sie nicht verlangsamen, wenn sie gleich groß wäre, und beschleunigen, wenn sie kleiner wäre Wie groß kann es dann sein, dass es signifikant ist, die umgekehrte Haftreibung zu überwinden, die höher ist als die dynamische Reibung, die während der Verzögerung beobachtet wird?

Ich habe nicht viel Ahnung von Schwungrädern. Bist du sicher, dass es nicht nur daran liegt, dass das Rad leicht unwuchtig ist?
Das habe ich überprüft. Es macht es egal wo ich das Rad starte und egal wo es aufhört, egal in welche Richtung. Ich habe auch den Plattenteller gekippt und es tut es immer noch.
Ich habe Ihren Videolink gelöscht, weil er Probleme auf meinem Laptop verursacht hat und ich wahrscheinlich nicht der Einzige bin, dem das passiert. Bitte stellen Sie es nicht wieder her. Poste bitte als YouTube oder ein anderes sicheres Format. Danke schön.
"Probleme verursachen" gibt mir kaum eine Chance, eine passende Alternative zu finden. Welche Probleme genau?
Gleiche Frage, anderes Forum: Physikforen und ein wenig weiter unten gibt es eine interessante Antwort zum Reibungsrückstoß.
Was den Videolink angeht, denke ich nicht, dass es wirklich darauf ankommt, was das Problem war. Meine Erfahrung war, dass ich die Seite in einem neuen Tab öffnete, mir die Website etwa drei Sekunden lang ansah, sah, dass ich etwas herunterladen wollte, und dann den Tab schloss. Ich denke, die Leute würden sich mit YouTube oder einer anderen bekannten Streaming-Site wohler fühlen.
Schwieriges Publikum. youtube.com/watch?v=khXpTaNs9Fw
"gibt mir kaum eine Chance, eine passende Alternative zu finden." Tut mir leid, dass ich nicht genauer werden kann. Mein Laptop ist Box-Standard und die Dinge liefen ziemlich drunter und drüber, als ich versuchte, das Video herunterzuladen. Danach hatte ich große Probleme, Chrome zu schließen. Das Verlinken auf temporäre Seiten wird hier wegen Linkrot nicht gerne gesehen. Sie können immer einen Schaltplan hinzufügen, um den Punkt zu veranschaulichen. Danke,
Denken Sie daran, dass Sie beim Anhalten einer sich drehenden Scheibe aufgrund einer Art optischer Täuschung eine leichte Gegenrotation wahrnehmen. Das Gehirn „ahnt“ die Drehung voraus, aber wenn die Scheibe schließlich stoppt, dauert es ein oder zwei Augenblicke, bis das Gehirn aufhört, es zu antizipieren. Dasselbe kann bei linearen Bewegungen passieren, wenn die Umgebung sehr periodisch ist, fragen Sie einfach einen Lokführer. Sie würden die gleiche Illusion bekommen, wenn Sie sich ein Video ansehen, es sei denn, Sie untersuchen es Bild für Bild sorgfältig (ich habe mir Ihr Video nicht angesehen, tut mir leid).

Antworten (4)

Wenn ein Schwungrad von seiner anfänglichen Winkelgeschwindigkeit abbremst ω 0 zum Stillstand, der durch Drehmoment verursacht wird τ , gem. Newton:

τ = ICH a ,

Wo ICH ist das Trägheitsmoment des Schwungrads und a Winkelverzögerung : _

a = − D ω D T

(Das Minuszeichen steht für Verzögerung )

Nehmen wir der Einfachheit halber an τ konstant sein, dann:

a = − ICH τ

Und die Winkelgeschwindigkeit ω ( T ) , als Funktion der Zeit:

ω ( T ) = ω 0 − ICH τ Δ T

Wenn das Drehmoment dann anhält ω ≤ 0 Wenn:

Δ T ≥ ω 0 τ ICH

Dies ist also der Moment, in dem sich die Drehrichtung des Schwungrads umkehren würde.

Wenn wir nun ein Schwungrad mit Freilauf betrachten, auf das kein externes, absichtliches Bremsmoment ausgeübt wird, dann ist das einzige Phänomen, das die Winkelgeschwindigkeit verringern kann, die Reibung . Selbst das am besten konstruierte Schwungrad erfährt eine gewisse Reibung in den Lagern sowie einen gewissen Luftwiderstand. Diese Kräfte liefern ein Drehmoment im entgegengesetzten Sinne der Bewegung, und dies wirkt, um die Winkelgeschwindigkeit zu reduzieren, wie oben beschrieben.

Reibungskräfte wirken jedoch immer im entgegengesetzten Bewegungssinn und klingen vollständig ab, wenn die Bewegung abklingt . Mathematisch:

ω = 0 ⟹ τ F R ich C T ich Ö N = 0

Das bedeutet, dass Reibungskraft (genauer gesagt Drehmoment) niemals für eine Drehrichtungsumkehr verantwortlich sein kann.

Aber wenn wir uns das Gehäuse des Plattenspielers ansehen (YouTube im OP-Kommentar), ist das benötigte Rückdrehmoment recht einfach erklärt.

Das „Geheimnis“ liegt im Antriebsriemen des Plattenspielers . Der Antriebsriemen ist nicht vollkommen dehnbar (unelastisch, meist aus Gummi, manchmal gewebeverstärkt).

Wenn der Plattenspieler zum Stillstand kommt, wird der Antriebsriemen leicht gedehnt , wodurch er wie eine gespannte Feder wirkt. Wie eine Feder stellt sie nun ein kleines Rückstellmoment zur Verfügung , das entgegen der ursprünglichen Drehrichtung wirkt. Dieses Drehmoment bewirkt nun wie oben eine der ursprünglichen Drehrichtung entgegengesetzte Winkelbeschleunigung , die die kurzzeitige Umkehr bewirkt.

Eine sehr verwandte Betrachtungsweise ist, dass der Antriebsriemen eine kleine Menge potenzieller Energie speichert U . während der Endphase des Bremsens. Diese wird dann in kinetische Rotationsenergie umgewandelt K :

U = K = 1 2 ICH ω 1 2 ,

Wo ω 1 ist die Winkelgeschwindigkeit am Ende der Umkehrung.

"Auf dem Papier" sollte der Plattenteller in eine Schwingung geraten (Sie können es irgendwie im Video sehen), aber Reibung bewirkt, dass diese Bewegung schnell aufhört, weil Reibung Arbeit (Energie) aufwendet.

+1. Ich denke, die Berechnung steht dem Punkt, den Sie im 1. Teil Ihrer Antwort ansprechen, nur im Weg und lenkt vom 2. Teil ab, der für sich allein überzeugt.
In Anbetracht der Frage des OP hielt ich es für wichtig, darauf hinzuweisen, dass Reibung allein die Umkehrung nicht erklären kann (es ist ein weit verbreitetes Missverständnis über Reibung). Danke für die positive Bewertung, Sammy!
Danke für die ausführliche Antwort Gert. Der Plattenspieler hat keinen Antriebsriemen - ein Versäumnis meinerseits. Betrachten Sie es bitte als Schwungrad auf einem ziemlich reibungsarmen Lager. Der Motor ist ein Direktantrieb, und ich habe die Magnetik entfernt, damit keine Gegen-EMK erzeugt werden kann, die das Ergebnis beeinflusst.
@ mc172: Das bedeutet, dass die elastische potentielle Energie, über die ich geschrieben habe, beim Bremsen im Direktantrieb gespeichert wird . Wo genau, ist ohne genaue Informationen zu den Besonderheiten des Laufwerks schwer zu sagen. Die meisten Dinge sind in unterschiedlichem Maße elastisch.
Hier ist ein Video des Lagers: youtube.com/watch?v=iyzykI3sJlw Das war alles, was drin war, als ich das Video im ursprünglichen Beitrag gemacht habe. Die Platte ist mit einem Konus an diesem Lager befestigt. Der axiale Schub wird von der halbkugelförmigen Geometrie am Ende der Welle aufgenommen (bei etwa 0:45 Uhr gesehen), und die radialen Belastungen werden von der Bronzebuchse aufgenommen. Hier ist unter der Platte: youtu.be/hS1w0hA01go?t=78 Der Ring unter der Platte ist der Magnet, den ich entfernt habe. In diesem Video sieht man kurz den Stator unter dem Teller.
Das erste Video zeigt das Lager, aber was treibt die Welle an? Ist ein O-Ring im Lager (zur Schmierung)? Ein Gummi-O-Ring könnte tangential verformt werden und die erforderliche elastische potentielle Energie bereitstellen, die zum Bereitstellen des Umkehrdrehmoments erforderlich ist.
Könnte es von einer Coriolis-Kraft kommen?
Diese Antwort ist fast richtig. Es liegt in der Tat daran, dass Energie in der Verformung von etwas gespeichert wird, aber die Verformung, in der sie gespeichert wird, stammt vom Lager (tatsächlich sehr oft vom Öl im Lager), das bindet, kurz bevor das Ding aufhört, sich zu bewegen, und dann loslässt Energie, die es gespeichert hat, wodurch es leicht gegenläufig rotiert. Aus diesem Grund ist dies eher bei allen Arten von Schwungrädern üblich als bei Plattenspielern mit Antriebsriemen.
@tfb: Öl binden? Hast du irgendwelche bestätigenden Links dafür? Leichtöl ist nicht viskoelastisch.
@Gert: Ich denke, Fette (im Gegensatz zu Ölen) sind oft (immer?) Viskoelastisch. Entschuldigung, ich hätte "Fett" sagen sollen, nicht "Öl". Meine Erfahrung damit ist so ziemlich alles mit fettgeschmierten Lagern. Tatsächlich habe ich eine Menge Zeit damit verbracht, mit einem alten Garrard-Plattenspieler zu spielen, der ein fettgeschmiertes Lager hat und dieses Verhalten auch ohne Antriebsmechanismus zeigt (und in vielen Winkeln, also ist es keine Asymmetriesache). Es ist möglich , dass das Lager mit Metall/Metall-Kontakt bindet, aber ich glaube nicht.
@tfb: Ich bin immer noch nicht davon überzeugt, dass Fette viskoelastisch sind: Sie bestehen aus Molekülen, die um viele Größenordnungen kleiner sind als typische viskoelastische Materialien wie Makropolymere. Selbst die kürzesten kommerziellen Polymere haben MWs von über 10.000.
@Gert: Moderne Fette enthalten oft Polymere, obwohl ich nicht weiß, wie lang die Ketten sind, und ich konnte keine klaren Referenzen finden (viele Treffer für "Polymerfett", aber keine, die ich finden konnte, sagen, was sie sind sind chemisch). Wie gesagt, es könnte ein Metall/Metall-Kontakt im Lager sein, aber das will ich irgendwie nicht glauben.

Hier ist eine weitere mögliche Erklärung für das, was Sie beobachtet haben. Damit diese Erklärung funktioniert, sind zwei Bedingungen erforderlich: 1) Der Schwerpunkt des Schwungrads ist außermittig von seiner Rotationsachse. 2) Ebene des Schwungrads ist nicht genau horizontal. Bei einem echten Schwungrad ist es sehr wahrscheinlich, dass beide Bedingungen erfüllt sind.

Ist dies der Fall, so verhält sich das Schwungrad bei kleinen Winkelauslenkungen wie ein Pendel, dessen Energie bis zum Stillstand kontinuierlich durch Reibung abgebaut wird. Zunächst geben Sie ihm natürlich genug kinetische Energie, damit er sich um seinen Gelenkpunkt dreht, aber nachdem genug seiner kinetischen Energie abgebaut wurde, so dass er keine Drehung vollenden kann, schwingt er wie ein Pendel.

Ich kann das testen, indem ich den Plattenteller neige und beobachte. Ich habe beim ersten Mal nicht zu lange herumgespielt und es nur ein paar (10?) Grad gekippt, also werde ich es noch einmal versuchen. Der Plattenteller ist nicht perfekt ausbalanciert, aber wenn ich ihn senkrecht nach oben neige, bewegt er sich immer noch nicht von selbst zum Tiefpunkt. Wo der Tiefpunkt liegt, muss man genau erfühlen. Worüber ich mir nicht sicher bin, ist, dass ich bei ziemlich horizontalem Plattenteller, da er ungefähr auf Augenhöhe aus Armlänge entfernt ist, nicht erwarten würde, dass die Größe des Pendeleffekts groß genug ist, um den Plattenteller wie in meinem Video herumzustoßen .
@ mc172 Es ist möglich, dass meine Hypothese falsch ist. Das können nur Experimente zeigen.

Dieser elastische "Rückprall" stammt möglicherweise von einem viskosen Lager oder wahrscheinlicher von den peripheren Luftschichten. (Ich weiß aus Rauchexperimenten, dass man über einem Plattenteller einen Wirbel sehen kann.)

Vorausgesetzt, der periphere Luftwiderstand ist signifikanter als die Lagerreibung, wird der Plattenteller hauptsächlich deshalb langsamer, weil die Luft an ihm schleift. Dieser sich drehende Luftring um die Kante des Plattentellers muss daher (relativ zum Deck) zum Stillstand kommen, bevor der Plattenteller dies tut. Der Plattenteller schwingt jetzt ein wenig über, nur „dehnt“ er jetzt die Luftschicht, und wenn er schließlich stoppt, erfährt der Plattenteller einen leichten Gegenwind.

Ich erwarte jetzt, dass an DJs optimierte Kits verkauft werden, um eine größere Präzision beim Cueing zu erzielen!!

Ich bin mir nicht sicher, ob das wirklich Sinn macht. Es ist der relative Unterschied in der Luftgeschwindigkeit, der Sie verlangsamt; aber ich sehe nicht, wie es jemals zu dem Punkt kommen würde, an dem es eine Rückwärtsrotation verursachen könnte.
a) Denken Sie daran, dass Luft nicht genau wie eine Flüssigkeit funktioniert. b) Wenn Sie ein Schwungrad mit einem Gummiband an seinem Umfang als Konstantkraftbremse verlangsamen, bleibt die „Dehnung“ im Gummi konstant, bis das Schwungrad tatsächlich stoppt, woraufhin das Gummiband das Schwungrad nach hinten zieht, bis das Gummi ist entspannt. c) Wir wissen, dass der reale Fall keine konstante Kraft ist, aber es gibt eine enge Annäherung an eine gerade Linie bei den langsamsten Geschwindigkeiten.

Dies kann durch Drehen der Lagerbefestigung verursacht werden. Während der Verlangsamung der Drehung bewirkt ein kontinuierliches Drehmoment im Lager eine kleine Winkelverschiebung aller Einheiten = Lager und ihrer Befestigung in Drehrichtung des Drehtellers. Wenn der Drehtisch stoppt, beginnt die Halterung, in ihre neutrale Position zurückzukehren, die ein kleiner Winkel zurück ist. -- Ein weiteres ähnliches Problem: Ich habe heute das Video von Prof. Lewin gesehen https://www.youtube.com/watch?v=20IerfdG4Fs&list=PLyQSN7X0ro23CEzKOjAVcRq66m6g-mFLe . Sehr interessant. Ich kann sein Problem nicht verstehen. Elastisches Material vielleicht??

Warum dreht sich ein freilaufendes Schwungrad leicht gegenläufig, bevor es schließlich stoppt?
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