Engineering
Diabelski młyn
Posadź pasażerów, uruchom koło i pozwól mu wykonać jeden pełny obrót. Obciąż jedną stronę, osłab napęd, pozwól wiać wiatrowi albo gwałtownie zatrzymaj koło i obserwuj, jak gondole kołyszą się na sworzniach, podczas gdy napęd pracuje przeciw nierównemu ciężarowi.
Co się dzieje
Sześć otwartych gondoli wisi na sworzniach rozmieszczonych na okręgu o promieniu 10 m na wieńcu o momencie bezwładności 1000 t·m², który obracają dwa koła napędowe z oponami, sterowane regulatorem prędkości z ograniczeniem momentu. Każda gondola jest wahadłem fizycznym o masie 500 kg ze środkiem masy 1,6 m poniżej sworznia; pasażerowie o masie 75 kg każdy siedzą 1,9 m poniżej sworznia. Tylko grawitacja utrzymuje gondolę w poziomie. Wieniec i sześć gondoli tworzą jeden układ o siedmiu stopniach swobody, rozwiązywany w każdym kroku razem z siłami w sworzniach. Nierówne obciążenie żąda od napędu momentu na jednej połowie obrotu i oddaje go na drugiej; wiatr pcha każdą gondolę siłą jej oporu aerodynamicznego; tłumiki w sworzniach działają na kołysanie względem wieńca; zatrzymanie awaryjne odłącza napęd i unieruchamia wieniec hamulcem.
Gondola z czterema pasażerami, o masie 800 kg i ze środkiem masy 1,71 m poniżej sworznia, waha się z okresem 2,85 s. Wiatr o prędkości 15 m/s pcha ją siłą 953 N i utrzymuje odchyloną od pionu o 6,9°; pustą – o 11,0°, pełną – o 5,8°. Gdy koło obraca się z prędkością dokładnie 1 obr/min przy równomiernym obciążeniu, gondole nieustannie kołyszą się z amplitudą 1,5°. Przy wyłączonym napędzie i jednej pełnej gondoli na godzinie trzeciej swobodne koło obraca się w ciągu 10 s o 84°.
Model: sztywny wieniec na nieruchomej osi i sztywne gondole na sworzniach bez tarcia z tłumikami liniowymi; kwadratowy opór aerodynamiczny każdej gondoli zależny od jej prędkości względem powietrza; napęd to regulator PI prędkości z ograniczeniem momentu; bez odkształceń konstrukcji. RK4 z krokiem 1/120 s; bilans energii zamyka się pracą napędu i wiatru.
Co wypróbować
Uruchom koło i pozwól mu wykonać jeden pełny obrót; obciąż jedną stronę i obserwuj, jak moment napędu zmienia znak. Pozwól wiać wiatrowi, osłab tłumienie w sworzniach albo naciśnij zatrzymanie awaryjne i obserwuj, jak kołyszą się gondole.
Równania modułu
Równania q = (φ, θ₁ … θ₆), ψ_i = φ + 60°·i T = ½J·φ'² + Σ ½m·(R²φ'² + l²θ'² + 2Rl·φ'θ'·sin(θ − ψ)) + ½I·θ'² V = Σ m·g·(R·sin ψ − l·cos θ) F_wind = ½ρ·C_d·A·|v_rel|·v_rel
