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旋转与往复

自然界中几乎不存在能完整完成连续旋转运动的原生结构,但人造的机构却反其道而行之

活塞式内燃/外燃机将内能被释放制造的往复运动转换为连续旋转运动。有趣的是,自然界中却几乎不存在能完整完成连续旋转运动的原生结构。

优势,以及而何时能利用

宏观尺度上的机械设备,其动力源头几乎无一例外地连续旋转结构,相比往复输出,旋转输出自身及其直接附属部件无需在往复运动中损失动能,另外封闭的压力容器难以达到较长的线性行程(也存在例如蒸汽弹射器这样的特例,而其行程仍然来自于滑动)。即使是打桩机、气锤或者液压破碎机这样只会来回梆梆梆的东西,其能量均来自于一个旋转的源头,无论是气液泵还是凸轮。

运动形式的转化需要消耗能量,因为系统出入功率在瞬态上并不相关(特别是对于速度不那么低的活塞燃气机),因此需要有蓄能部件来缓冲出入的差异。在活塞内/外燃机上,能量以动能、弹性势能和未释放内能的形式储存在运动部件(如飞轮)的质量、传动部件的形变(如联轴器)和燃烧气体中。在液压系统中,能量储存在旁路阀板的回复力和压力保持器的弹簧或高压气体中。

动力机械的工作特性取决于动力源的瞬态功率与能量缓冲池的容量(以及工作特性,如果这个缓冲池在量程上具有不一致的响应)。若想要小马拉大车,需要更大的缓冲池,如果缓冲池的尺寸和结构受到限制,那么动力源的系统特性天然就需要对出入功率差异有更强的容忍。在这里我们可以看出二者的拮抗关系。

以燃气轮机为例,其动力源的瞬态功率几乎只取决于燃烧的波动状况和转子叶片相对于定子叶片的相位。燃气轮机的能量输出由转子巨大的质量作为缓冲。因此燃气轮机具有运行平顺但状态变化缓慢的特点。以活塞式内燃机为例,能量源的功率以爆炸的方式释放,周期内变化巨大,输出端带有小型飞轮,有的还带有柔性联轴器,但总体蓄能能力差,并且后者取决于负载,因此活塞式内燃机具有震动大、对负荷变化敏感、状态变化迅速的特点。

自然界的生物在结构上是一个整体而无法拆散为两个或更多的、在结构上独立的组成部分。生物的活动来自柔性结构的变化,无论其尺度均是如此。

动物运动结构的另一个优势是允许出现不存在死点的杠杆,并且在绝大多数情况下均是如此。肌肉无定形态,可以绕过支点施加力量。对于全由硬杆组成的杠杆,实际情况由于支点和杆部件尺寸的限制,超过一百二十度以上的联动行程就已经很受限制甚至难以实现,并且在越过死点之后会导致难以预测的结果或者运动反向。采用链条和皮带等可以变形的结构(或者预先弯出避让结构的杆)相对于硬直杆则难以比较经济地满足力量的要求。

但事实上这尚且不是我们要讨论的核心。对肌肉系统运动特点的认识使我们发现这个系统是直接做功的。活塞式内燃机通过往复运动转换为旋转做功,燃气轮机的喷气动力部分是叶轮的旋转转换为气体的动能做功(轴动力则反之)。如果要将肌肉系统的工作方式带入二者,那么前者将成为自由涡轮,后者将成为火箭。(事实上的热机效率也是按这个顺序递增的,尽管火箭只可以按气体的能量计算)

在上面这个类比中可以提取两个比较明显参数:宏观效率(储蓄开销算在其中)和最终形式。

效率

无论是否从储蓄开销的角度分析,缩减中间转换步骤基本都会本质地提升宏观运行效率。可以认为运动模式转换中能量损失的部分集中在内能,表现为摩擦以及造成构件变形或体积变化等形式。因此顺畅的运行和简单的结构有助于等效结构下效率的提升。

值得一提的是功的最终形式。可以发现多数热机期望稳定连续做功(在许多使用电机取代的场合也一样)。更有趣的是,在我们需要断续的功率时,我们会使用做连续功的机件向某个缓冲结构中输入能量并断续释放,而并不选择直接能够在原理上断续做功的机件。这在多数情况下是出于瞬时功率的考量(例如打桩机在重物砸到地面至停止的百分之一秒内做的功,相当于用柴油机把它举高数米,而这通常需要耗费数秒,若不采用蓄能手段,需要付出千倍于自身的功率),而这完全合理,因为单位体积或重量的结构下能达成的功率输出是有限的。

然而在那些尚未达到这一极限的场合,不经过转换的非连续功率呈现出可操作的空间。只需要联想到费斯托(FESTO)的气动手掌就明白了。(在上一个自然段的假设中实际特意排除了线性电磁元件的应用,后面将说明这么做的理由,以及在何种场合下这一原理才能被再次兼容到目标的设定中去)而且这次讨论不仅发现不经储能转换的非连续做功可行,我们还期望分析出那些适用于这个框架的一般形式。

那么视线可以再回到肌肉上来。由于肉体的生理限制,肌肉带动骨骼做做非往复运动时往往不具备很高的速度(讽刺的是,许多需要身体协调的动作却也依靠了肌肉本身的弹性蓄积了能量,但这是一个辅附属产物),同时由于肌肉的结构和工作方式使得它有相当高的效率,个体自身并不需要付出很高的功率,可以认为其数值远低于执行同样操作的的热机系统。一个成年人典型的长时间做功功率(步行,轻量活动)可视为约70到100瓦,加上热散失100瓦,不过两个大电灯泡。一只娇小船用发动机轻易可上10千瓦。因此,高效的系统逻辑允许,事实上也要求我们用不同常规的手段来驱动结构。

特点

肌肉的机械结构和做功介质是融为一体的,基于前面的讨论,这是一个最高效的,极少中间转换损失的方案。如何在机械系统里借鉴这样的特点?

首先看结构本身。弹性的自封闭结构似乎是一个好的方案,使用结构内部或者结构自身的促动力达成变形对外做功的目的。温度记忆材料和电致变材料也可以实现同样的效果,并且不需复杂结构,机械上效率会高一些,但加工和灵活度有问题。

然后是工作介质或能量来源。可以认为,若要想模拟肌肉的敏感度和在对应尺度下达到有意义的运动速度,其信号的来源需要是电(或者光)。若在自封闭性上放宽松一些要求,动力和信息来源也可以是液体,气体甚至微机电结构。对于光电系统,需要一个能以宏观尺度上有意义的速度反馈出机械响应的工作介质,并且能较高效地利用输入的能量。最后,我们还要求输出功率的比例化响应,如同肌肉可以受控制地随负载不同改变其力量大小。


迁移自旧文章“旋转与往复”,稍加编辑。

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