科目
機械力学・振動工学
章
剛体の回転
図番
02 / 11
内容
シミュレータ・例題3問
機械力学・振動工学 2 / 11

重さは外に寄せるほど、回転がなめらかになるはずみ車(回転のエネルギー)

回る物のエネルギーは ½Jω²。2倍速く回すと4倍たまり、同じ 10 kg でも外周に寄せた輪にすると、回転のむらは 3.60% から半分の 1.80% になる。

小さな単気筒エンジンの横に、大きな鋼の円板のはずみ車が付いて回っている

まず触ってみる

数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。

このページの内容
  1. エンジンの回転は、なぜむらにならない?
  2. 回る物は、エネルギーをためている
  3. 公式を、3つのかたまりに分けて読む
  4. 回転のむらを、数で表す
  5. 外周に寄せるとむらが減る
  6. どの数字がいちばん効く?
  7. 単気筒エンジンに戻る
  8. 動かしてみよう
  9. よくある勘違い
  10. この公式が使える条件
  11. 例題

この単元のポイント

  1. 回る物は、回転のエネルギー E=12Jω2\skrEk = \tfrac{1}{2}\skrJ\skrOmega^2 をためている。回転を2倍速くすると、エネルギーは4倍。
  2. 同じ質量でも、外周に寄せる(輪にする)と、回しにくさ J\skrJ が2倍になり、回転のむらは半分になる。
  3. むらは回転数の2乗に反比例する。2倍速く回すと、むらは4分の1。

エンジンの回転は、なぜむらにならない?

足踏みミシン、プレス機、陶芸のろくろ、そして小さなエンジン。どれにも、重い車輪が付いています。はずみ車(フライホイール)です。

はずみ車を使う物の例。足踏みミシンの下の大きな車輪、プレス機の上の大きな車輪、単気筒エンジンの横の円板、陶芸のろくろ
図 2-01どれも、重い車輪が回っています。

たとえば、ピストンが1つだけの単気筒エンジン。4ストロークのエンジンでは、クランク軸が2回転する間に、燃料が燃えてピストンを押す(爆発する)のは1回だけです。残りの間は、ピストンが空気を吸い込み、押し縮め、吐き出します。そのぶん、軸は押し返されます。

単気筒エンジンを、クランク軸の方向から見た断面の模式。ピストンが朱の矢印で押され、連接棒がクランクを回す。クランクの後ろに、軸と中心をそろえた大きなはずみ車の円板が見える。青い円弧の矢印が回る向き
図 2-02ピストンが押すのは、2回転に1回だけです。

爆発のたびに軸は速くなり、それ以外の間は遅くなります。このままでは、回転がむらになります。むらが大きいと、エンジンががくがく揺れ、つないだ機械もうまく動きません。

はずみ車は、速くなるときにエネルギーを受け取り、遅くなるときに返します。回転のむらを、ならす部品です。

この単元では、1つのはずみ車で考えます。直径 300 mm・厚さ約 18 mm の鋼の円板で、質量は 10 kg。1,500 min⁻¹ で回っています。1回の爆発で、はずみ車は 100 J を受け取り、次の爆発までに返すとします。

回転数は、どれだけむらになるでしょうか。同じ 10 kg を外周に寄せた輪にしたら、どう変わるでしょうか。

予想してから読む同じ 10 kg・直径 300 mm のまま、円板を、外周に質量を集めた細い輪に替えると、回転のむらは?

回る物は、エネルギーをためている

慣性モーメント(回しにくさ) の単元で、回しにくさ J\skrJ を「質量 × 軸からの距離²」の合計と決めました。この J\skrJ を使うと、回る物のエネルギーが、1行で書けます。

E=12 J ω2\skrEk = \dfrac{1}{2}\,\skrJ\,\skrOmega^2

まっすぐ動く物の運動エネルギー 12mv2\tfrac{1}{2}\skrm v^2 と、同じ形です。質量 m\skrm の代わりに回しにくさ J\skrJ、速さ vv の代わりに角速度 ω\skrOmega(1秒に回る角度 [rad/s])が入ります。

なぜ同じ形になるかは、かけら1つで見ると分かります。軸から距離 rr のかけらは、速さ v=rωv = r\skrOmega で円を描いて動きます。運動エネルギーは 12Δm (rω)2=12(Δm r2)ω2\tfrac{1}{2}\Delta m\,(r\skrOmega)^2 = \tfrac{1}{2}(\Delta m\,r^2)\skrOmega^2。全部のかけらで足すと、かっこの中が J\skrJ になります。

おもちゃの車を床に押し付けて手で前へこすり、手をはなすと、そのまま前へ走り出す。車の中に小さなはずみ車があり、青い円弧の矢印で回っている
図 2-03手でこすって回したはずみ車のエネルギーで、車が走ります。

はずみ車で確かめる。まず、回しにくさと角速度です。

J=m r22=10×0.1522=0.1125 kg⋅m2,ω=2π×150060=157.1 rad/s\skrJ = \dfrac{\skrm\,r^2}{2} = \dfrac{10 \times 0.15^2}{2} = 0.1125\ \mathrm{kg\cdot m^2},\qquad \skrOmega = \dfrac{2\pi \times 1500}{60} = 157.1\ \mathrm{rad/s} E=12×0.1125×157.12=1,388 J\skrEk = \dfrac{1}{2} \times 0.1125 \times 157.1^2 = 1{,}388\ \mathrm{J}

1,388 J は、このはずみ車(10 kg)そのものを、約 14 m の高さまで持ち上げるのと同じエネルギーです。

公式を、3つのかたまりに分けて読む

E=12⏟運動エネルギーの形×J⏟回しにくさ×ω2⏟回る速さの2乗\skrEk = \underbrace{\dfrac{1}{2}}_{\text{運動エネルギーの形}} \times \underbrace{\skrJ}_{\text{回しにくさ}} \times \underbrace{\skrOmega^2}_{\text{回る速さの2乗}}
  1. 1/2 まっすぐ動くときの 12mv2\tfrac{1}{2}\skrm v^2 と同じ 1/2 です。速さを0から少しずつ上げていくと、平均の速さは最後の速さの半分になる、というところから来ます。
  2. 回しにくさ J\skrJ 回しにくい物ほど、同じ速さで多くのエネルギーをためます。質量が同じなら、外周に寄せた物ほど大きくなります。
  3. 回る速さの2乗 ω2\skrOmega^2 いちばん効くかたまりです。

回転を2倍速くすると。3,000 min⁻¹ にすると、ω\skrOmega が2倍、エネルギーは 22=42^2 = 4 倍の 5,552 J です。同じはずみ車でも、速く回すほど、ずっと多くためられます。

回転のむらを、数で表す

1回の爆発で、はずみ車が受け取るエネルギーを ΔE\shzDE とします。受け取ると速くなり、返すと遅くなります。いちばん速いときの角速度を ωmax⁡\skrOmega_{\max}、いちばん遅いときを ωmin⁡\skrOmega_{\min} とすると、エネルギーの差が ΔE\shzDE です。

ΔE=12J ωmax⁡2−12J ωmin⁡2\shzDE = \dfrac{1}{2}\skrJ\,\skrOmega_{\max}^2 - \dfrac{1}{2}\skrJ\,\skrOmega_{\min}^2

1段ずつ変形します。2乗の差は「和 × 差」に分けられます。

ΔE=12J (ωmax⁡+ωmin⁡)(ωmax⁡−ωmin⁡)\shzDE = \dfrac{1}{2}\skrJ\,(\skrOmega_{\max} + \skrOmega_{\min})(\skrOmega_{\max} - \skrOmega_{\min})

(ωmax⁡+ωmin⁡)/2(\skrOmega_{\max} + \skrOmega_{\min})/2 は、最大と最小の平均です。これを平均の角速度 ωm\shzOmegaM と呼ぶと、

ΔE=J ωm (ωmax⁡−ωmin⁡)\shzDE = \skrJ\,\shzOmegaM\,(\skrOmega_{\max} - \skrOmega_{\min})

速さの振れ ωmax⁡−ωmin⁡\skrOmega_{\max} - \skrOmega_{\min} を、平均の何割かで表したものが、回転のむらです。名前は速度変動率 δ\shzDelta といいます。両辺を J ωm2\skrJ\,\shzOmegaM^2 で割ると、

δ=ωmax⁡−ωmin⁡ωm=ΔEJ ωm2⏟出し入れ ÷ 回しにくさ × 速さ2\shzDelta = \dfrac{\skrOmega_{\max} - \skrOmega_{\min}}{\shzOmegaM} = \underbrace{\dfrac{\shzDE}{\skrJ\,\shzOmegaM^2}}_{\text{出し入れ} \,\div\, \text{回しにくさ} \,\times\, \text{速さ}^2}

分母の J ωm2\skrJ\,\shzOmegaM^2 は、ためているエネルギー E\skrEk の2倍です。だから、むらは「出し入れするエネルギー ÷ ためているエネルギーの2倍」とも読めます。たくさんためている車ほど、少し出し入れしても、速さはほとんど変わりません。

はずみ車で確かめる。使う式は δ=ΔE/(J ωm2)\shzDelta = \shzDE/(\skrJ\,\shzOmegaM^2) です。

δ=1000.1125×157.12=0.0360=3.60%\shzDelta = \dfrac{100}{0.1125 \times 157.1^2} = 0.0360 = 3.60\%

回転数でいうと、1,500 min⁻¹ の 3.60% で、最大と最小の差は 54.0 min⁻¹ です。約 1,473 min⁻¹ から 1,527 min⁻¹ の間で、速くなったり遅くなったりします。

外周に寄せるとむらが減る

同じ 10 kg の鋼を、直径 300 mm のまま、外周に集めた細い輪にします(細いスポークで軸につなぎます)。慣性モーメントの単元で見たとおり、細い輪の J=mr2\skrJ = \skrm r^2 は、円板の2倍です。

J輪=10×0.152=0.225 kg⋅m2\skrJ_{\text{輪}} = 10 \times 0.15^2 = 0.225\ \mathrm{kg\cdot m^2}

むらは J\skrJ に反比例するので、半分の 1.80% です。質量は1グラムも増やしていません。置き場所を変えただけです。

同じ質量の2つのはずみ車を並べる。左は一様な厚さの円板。右は、外周に厚い縁があり、中は細いスポークだけの車輪
図 2-04左は円板、右は外周に質量を集めた車輪です。右のほうが、回転のむらが小さくなります。

反対に、むらを 3.60% のままでよいなら、細い輪は半分の 5 kg で済みます。古い蒸気機関や足踏みミシンのはずみ車が、太い縁と細いスポークでできているのは、このためです。

どの数字がいちばん効く?

はずみ車(10 kg の円板・半径 150 mm・1,500 min⁻¹・出し入れ 100 J)で、それぞれを1割(10%)だけ増やしたときの変化です。

増やすもの ためているエネルギー E\skrEk 回転のむら δ\shzDelta
回転数 N\skrN を10%大きく +21% −17%
半径 rr を10%大きく(質量はそのまま) +21% −17%
質量 m\skrm を10%大きく +10% −9%
出し入れ ΔE\shzDE を10%大きく 変わらない +10%

回転数と半径は、どちらも2乗で効きます。質量の約2倍です。むらを減らしたいなら、重くするより、速く回すか、外周に寄せるほうが効きます。

単気筒エンジンに戻る

最初の問いに戻ります。直径 300 mm・10 kg の鋼の円板が、1,500 min⁻¹ で回り、1回の爆発で 100 J を出し入れします。

  • 円板のままなら、むらは 3.60%。回転数は約 1,473〜1,527 min⁻¹ の間で変わります。
  • 同じ 10 kg を外周に集めた輪にすると、むらは半分の 1.80%。
  • 円板のまま、回転を2倍の 3,000 min⁻¹ にすると、ためているエネルギーは4倍の 5,552 J。むらは 1/4 の 0.901% です(爆発1回の 100 J は変えないとして)。

つまり、ものを作るときは

はずみ車は、外周を厚く、中を薄く(またはスポークに)します。同じ質量で J\skrJ がいちばん大きくなり、むらがいちばん減ります。軽く作れるので、軸や軸受の負担も減ります。

プレス機は、はずみ車にためたエネルギーを、板を打ち抜く一瞬にまとめて使います。モータは小さくても、打ち抜くまでの間に、少しずつはずみ車を回してためておけばよいのです(例題1)。

速く回すほどよくためられますが、速く回すほど、はずみ車を外へ引きちぎろうとする力も大きくなります。はずみ車の回転数には、材料の強さで決まる上限があります。

プレス機。上の大きなはずみ車が青い円弧の矢印で回り、下で型が板を打ち抜き、円い部品が落ちている。朱の矢印が型を押し下げる力
図 2-05プレス機は、はずみ車にためたエネルギーで、板を打ち抜きます。

動かしてみよう

盤のはずみ車は、1回の行程(クランク軸が2回転する間)ごとに、少し速くなったり遅くなったりしながら回っています。実際には1秒に25回転なので、1/20 の速さで見せています。

回転計の針は、いまの回転数が平均から何 % ずれているかです。針が振れる幅が、むら δ\shzDelta です。下の波形の山と谷の差も、同じ δ\shzDelta です。

内側の半径 ri\shzRi を大きくすると、同じ質量のまま、外周に寄せた輪になります。回転数 N\skrN も変えてみてください。初期値の波形を薄く重ねているので、山がどれだけ低くなるかが分かります。

シミュレータ数字を変えると、動きと答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 回転数 N を2倍の 3,000 min⁻¹ にして、結果の欄の「回転のエネルギー」を見る(円板のまま)(まだ)
  2. 回転数を 1,500 min⁻¹ に戻し、内側の半径 ri を 150 mm にして、同じ 10 kg を外周に集める。回転計の針の振れ幅を見る(まだ)
  3. 細い輪のまま「いまの図を残して比べる」を押し、回転数を2倍の 3,000 min⁻¹ にする。波形の山の高さを、残した波形と比べる(まだ)
kg
mm
mm
min⁻¹
J
はずみ車を正面からr回転計(平均からのずれ)−4%−2%平均+2%+4%1,500 min⁻¹爆発のエネルギーを受け取る → 速くなる形円板・10 kgためるE = 1,388 Jむらδ = 3.60%(±27 min⁻¹)
t = 0.0000 s
00.050.10.150.2-4-2024時間 t [s]ずれ [%]むらの幅回転数
速度変動率(回転のむら)は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

δ=ΔEJ ωm2\htmlClass{q-flow}{\delta} = \dfrac{\htmlClass{q-heat}{\Delta E}}{\htmlClass{q-material}{J}\,\htmlClass{q-flow}{\omega_m}^2}=1000.1125×157.12= \dfrac{100}{0.1125 \times 157.1^2}=3.6 %= 3.6\ \%
慣性モーメント
J=0.1125 kg⋅m2\htmlClass{q-material}{J} = 0.1125\ \mathrm{kg\cdot m^2}
平均の角速度
ωm=157.1 rad/s\htmlClass{q-flow}{\omega_m} = 157.1\ \mathrm{rad/s}
運動エネルギー
E=1,388 J\htmlClass{q-heat}{E} = 1{,}388\ \mathrm{J}
速度変動率(回転のむら)
δ=3.6 %\htmlClass{q-flow}{\delta} = 3.6\ \%
回転数の最大と最小の差
ΔN=54 min−1\htmlClass{q-flow}{\Delta N} = 54\ \mathrm{min^{-1}}
途中の計算(導出)を見る
  1. 慣性モーメント(円板)

    J=m (r2+ri2)2=10×(0.152+02)2=0.1125 kg⋅m2\htmlClass{q-material}{J} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{m}\,(\htmlClass{q-geometry}{r}^2 + \htmlClass{q-geometry}{r_i}^2)}{2} = \dfrac{10 \times (0.15^2 + 0^2)}{2} = 0.1125\ \mathrm{kg\cdot m^2}
  2. 平均の角速度(回転数を rad/s に直す)

    ωm=2π N60=2π×1,50060=157.1 rad/s\htmlClass{q-flow}{\omega_m} = \dfrac{2\pi\,\htmlClass{q-flow}{N}}{60} = \dfrac{2\pi \times 1{,}500}{60} = 157.1\ \mathrm{rad/s}
  3. 回転のエネルギー

    E=12 J ωm2=12×0.1125×157.12=1,388 J\htmlClass{q-heat}{E} = \dfrac{1}{2}\,\htmlClass{q-material}{J}\,\htmlClass{q-flow}{\omega_m}^2 = \dfrac{1}{2} \times 0.1125 \times 157.1^2 = 1{,}388\ \mathrm{J}
  4. 回転のむら(速度変動率)

    δ=ΔEJ ωm2=1000.1125×157.12=3.6 %\htmlClass{q-flow}{\delta} = \dfrac{\htmlClass{q-heat}{\Delta E}}{\htmlClass{q-material}{J}\,\htmlClass{q-flow}{\omega_m}^2} = \dfrac{100}{0.1125 \times 157.1^2} = 3.6\ \%
  5. 回転数の最大と最小の差

    ΔN=δ N=0.036×1,500=54 min−1\htmlClass{q-flow}{\Delta N} = \htmlClass{q-flow}{\delta}\,\htmlClass{q-flow}{N} = 0.036 \times 1{,}500 = 54\ \mathrm{min^{-1}}

よくある勘違い

「はずみ車は、重いほどよい」

効くのは、重さではなく回しにくさ J\skrJ です。同じ質量でも、軸の近くに置いた分は、ほとんど働きません。外周に寄せれば、半分の質量で同じむらになります。

「2倍速く回せば、エネルギーも2倍」

エネルギーは、回る速さの2乗で決まります。2倍速く回すと4倍です。ブレーキで止めるときに出る熱も、4倍になります。

「速度変動率は、ゆれの大きさ」

速度変動率は、回る速さが、平均の何割だけ上下するかを表す数です。軸や機械が揺れる大きさではありません。ただし、むらが大きいと、機械が揺れる原因になります。揺れそのものは、振動の章(1自由度の自由振動(ばねと質量) から)で扱います。

この公式が使える条件

  • はずみ車は変形しない(剛体)。厚さは一様(輪のスポークの質量は考えない)
  • むらは小さく、1回に出し入れするエネルギー ΔE\shzDE は分かっている
  • 平均の角速度 ωm\shzOmegaM は、最大と最小のまん中とする
  • 回転計の針とグラフの形は、分かりやすいように正弦の形で描いた模式。実際のエンジンでは、爆発の直後に急に速くなる、ゆがんだ形になる
  • 軸受の摩擦や空気の抵抗は考えない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

回転のエネルギー:軸から距離 rr にある質量 Δm\Delta m のかけらは、角速度 ω\skrOmega で回ると、速さ rωr\skrOmega で動きます。全部のかけらの運動エネルギーを足すと、

E=∑12Δm (rω)2=12(∑Δm r2)ω2=12J ω2\skrEk = \sum \dfrac{1}{2}\Delta m\,(r\skrOmega)^2 = \dfrac{1}{2}\Bigl(\sum \Delta m\,r^2\Bigr)\skrOmega^2 = \dfrac{1}{2}\skrJ\,\skrOmega^2

トルクがする仕事との関係:トルク TT で角度 θ\theta だけ回すと、仕事は TθT\theta です(力 × 動いた道のりの、回る版)。T=JαT = \skrJ\alpha で、止まった状態から回すと、θ=αt2/2\theta = \alpha t^2/2、ω=αt\skrOmega = \alpha t なので、

Tθ=Jα⋅αt22=12J(αt)2=12J ω2T\theta = \skrJ\alpha \cdot \dfrac{\alpha t^2}{2} = \dfrac{1}{2}\skrJ(\alpha t)^2 = \dfrac{1}{2}\skrJ\,\skrOmega^2

回すのにした仕事が、そのまま回転のエネルギーとしてたまります。

速度変動率:本文の変形は近似ではありません。平均の角速度を、最大と最小のまん中 ωm=(ωmax⁡+ωmin⁡)/2\shzOmegaM = (\skrOmega_{\max} + \skrOmega_{\min})/2 と決めると、ΔE=J ωm2 δ\shzDE = \skrJ\,\shzOmegaM^2\,\shzDelta がちょうど成り立ちます。最大と最小は、

ωmax⁡=ωm(1+δ2),ωmin⁡=ωm(1−δ2)\skrOmega_{\max} = \shzOmegaM\Bigl(1 + \dfrac{\shzDelta}{2}\Bigr),\qquad \skrOmega_{\min} = \shzOmegaM\Bigl(1 - \dfrac{\shzDelta}{2}\Bigr)

例題

例題1 プレス機のはずみ車

プレス機のはずみ車を、質量 80 kg・半径 400 mm の細い輪とみなします。回転数は 300 min⁻¹ です。

(1) はずみ車にたまっている回転のエネルギーは何 J ですか。(2) 1回の打ち抜きで、このうち 2,000 J を使うと、回転数はいくつまで下がりますか。モータからの補いは、打ち抜きのあとで行うとします。

ヒント 1 / 2

細い輪の慣性モーメントは J=mr2J = mr^2。回転数は ω=2πN/60\omega = 2\pi N/60 で角速度に直します。

ヒント 2 / 2

打ち抜いたあとのエネルギーは 6,317−2,0006{,}317 - 2{,}000 J です。これを 12Jω2\tfrac{1}{2}J\omega^2 と置いて、ω\omega を求めます。

答えと解き方を見る
(1) E=6,317 J(1)\ \skrEk = 6{,}317\ \mathrm{J}
(2) N=248 min−1(2)\ \skrN = 248\ \mathrm{min^{-1}}
  1. 慣性モーメント(輪。内側に穴)

    J=m (r2+ri2)2=80×(0.42+0.42)2=12.8 kg⋅m2\htmlClass{q-material}{J} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{m}\,(\htmlClass{q-geometry}{r}^2 + \htmlClass{q-geometry}{r_i}^2)}{2} = \dfrac{80 \times (0.4^2 + 0.4^2)}{2} = 12.8\ \mathrm{kg\cdot m^2}
  2. 平均の角速度(回転数を rad/s に直す)

    ωm=2π N60=2π×30060=31.42 rad/s\htmlClass{q-flow}{\omega_m} = \dfrac{2\pi\,\htmlClass{q-flow}{N}}{60} = \dfrac{2\pi \times 300}{60} = 31.42\ \mathrm{rad/s}
  3. 回転のエネルギー

    E=12 J ωm2=12×12.8×31.422=6,317 J\htmlClass{q-heat}{E} = \dfrac{1}{2}\,\htmlClass{q-material}{J}\,\htmlClass{q-flow}{\omega_m}^2 = \dfrac{1}{2} \times 12.8 \times 31.42^2 = 6{,}317\ \mathrm{J}

J = 80 × 0.4² = 12.8 kg·m²、角速度は 31.42 rad/s です。

残りは 4,317 J。ω = √(2 × 4,317 ÷ 12.8) = 25.97 rad/s で、回転数に直すと約 248 min⁻¹ です。エネルギーの3割を使っても、回転数は2割も下がりません。エネルギーが速さの2乗で決まるからです。

例題2 単気筒エンジンに要るはずみ車

単気筒エンジンが 3,000 min⁻¹ で回っています。1回の行程で、はずみ車が受け取って返すエネルギーは 60 J です。

回転のむら(速度変動率)を 2% までにしたいとき、はずみ車の慣性モーメントはいくら要りますか。また、それを半径 100 mm の円板で作ると何 kg、半径 100 mm の細い輪で作ると何 kg ですか。

ヒント 1 / 2

むらの式 δ=ΔE/(Jωm2)\delta = \Delta E/(J\omega_m^2) を、J=ΔE/(δ ωm2)J = \Delta E/(\delta\,\omega_m^2) と書き直します。

ヒント 2 / 2

角速度は 2π×3000/60=314.22\pi \times 3000/60 = 314.2 rad/s。むら 2% は δ=0.02\delta = 0.02 です。

答えと解き方を見る
J=0.0304 kg⋅m2\skrJ = 0.0304\ \mathrm{kg\cdot m^2}
円板 6.08 kg,細い輪 3.04 kg\text{円板}\ 6.08\ \mathrm{kg},\quad \text{細い輪}\ 3.04\ \mathrm{kg}
  1. 平均の角速度(回転数を rad/s に直す)

    ωm=2π N60=2π×3,00060=314.2 rad/s\htmlClass{q-flow}{\omega_m} = \dfrac{2\pi\,\htmlClass{q-flow}{N}}{60} = \dfrac{2\pi \times 3{,}000}{60} = 314.2\ \mathrm{rad/s}
  2. 回転のエネルギー

    E=12 J ωm2=12×0.0304×314.22=1,500 J\htmlClass{q-heat}{E} = \dfrac{1}{2}\,\htmlClass{q-material}{J}\,\htmlClass{q-flow}{\omega_m}^2 = \dfrac{1}{2} \times 0.0304 \times 314.2^2 = 1{,}500\ \mathrm{J}
  3. 回転のむら(速度変動率)

    δ=ΔEJ ωm2=600.0304×314.22=2 %\htmlClass{q-flow}{\delta} = \dfrac{\htmlClass{q-heat}{\Delta E}}{\htmlClass{q-material}{J}\,\htmlClass{q-flow}{\omega_m}^2} = \dfrac{60}{0.0304 \times 314.2^2} = 2\ \%

J = 60 ÷ (0.02 × 314.2²) = 0.0304 kg·m² です。

円板は J = mr²/2 なので m = 2J/r²、細い輪は J = mr² なので m = J/r²。同じ回しにくさなら、細い輪は円板の半分の質量で済みます。

例題3 直径を大きくすると

直径 300 mm・質量 10 kg の鋼の円板のはずみ車を、同じ厚さのまま、直径 400 mm にします。

(1) 慣性モーメントは何倍になりますか。(2) 1,500 min⁻¹ で回し、1回に 100 J を出し入れするとき、回転のむらは何 % から何 % になりますか。

ヒント 1 / 2

同じ厚さなら、質量は面積(半径の2乗)に比例します。J=mr2/2J = mr^2/2 には、半径の2乗がもう1回かかります。

ヒント 2 / 2

質量は 10×(200/150)2=17.810 \times (200/150)^2 = 17.8 kg です。

答えと解き方を見る
(1) 3.16 倍(1)\ 3.16\ \text{倍}
(2) 3.6% → 1.14%(2)\ 3.6\% \ \to\ 1.14\%
  1. 慣性モーメント(円板)

    J=m (r2+ri2)2=17.78×(0.22+02)2=0.3556 kg⋅m2\htmlClass{q-material}{J} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{m}\,(\htmlClass{q-geometry}{r}^2 + \htmlClass{q-geometry}{r_i}^2)}{2} = \dfrac{17.78 \times (0.2^2 + 0^2)}{2} = 0.3556\ \mathrm{kg\cdot m^2}
  2. 回転のむら(速度変動率)

    δ=ΔEJ ωm2=1000.3556×157.12=1.14 %\htmlClass{q-flow}{\delta} = \dfrac{\htmlClass{q-heat}{\Delta E}}{\htmlClass{q-material}{J}\,\htmlClass{q-flow}{\omega_m}^2} = \dfrac{100}{0.3556 \times 157.1^2} = 1.14\ \%

半径が 4/3 倍になると、質量が (4/3)² 倍、距離² も (4/3)² 倍で、J は (4/3)⁴ ≒ 3.16 倍です。

質量は 1.78 倍にしか増えないのに、むらは約 1/3 になります。