Gobernador centrífugo

Dibujo de un gobernador centrífugo "de combate". Las bolas oscilan a medida que aumenta la velocidad, que cierra la válvula, hasta que se alcanza un equilibrio entre la demanda y la ganancia proporcional de la conexión y la válvula.

Un gobernador centrífugo es un tipo específico de gobernador con un sistema de retroalimentación que controla la velocidad de un motor regulando el flujo de combustible o fluido de trabajo, para mantener una velocidad casi constante. Utiliza el principio de control proporcional.

Gobernadores centrífugos, también conocidos como "reguladores centrífugos" y "gobernadores de bola voladora", fueron inventados por Christiaan Huygens y se usaron para regular la distancia y la presión entre las piedras de molino en los molinos de viento en el siglo XVII. En 1788, James Watt adaptó uno para controlar su máquina de vapor, donde regula la admisión de vapor en los cilindros, un desarrollo que demostró ser tan importante que a veces se le llama el inventor. Gobernadores centrífugos' el uso más amplio fue en máquinas de vapor durante la Era del Vapor en el siglo XIX. También se encuentran en motores de combustión interna estacionarios y turbinas de combustibles diversos, y en algunos relojes modernos.

Un gobernador simple no mantiene una velocidad exacta, sino un rango de velocidad, ya que, al aumentar la carga, el gobernador abre el acelerador a medida que disminuye la velocidad (RPM).

Operación

Dibujo cortado de gobernador de velocidad del motor de vapor. La válvula comienza totalmente abierta a velocidad cero, pero a medida que las bolas giran y suben, el tallo de la válvula central se ve obligado hacia abajo y cierra la válvula. El eje de la unidad cuya velocidad se siente es superior a la derecha

Porter gobernador en un motor de vapor Corliss

Los dispositivos que se muestran están en máquinas de vapor. La energía se suministra al gobernador desde el eje de salida del motor mediante una correa o cadena conectada a la rueda inferior de la correa. El gobernador está conectado a una válvula de mariposa que regula el flujo de fluido de trabajo (vapor) que alimenta al motor primario. A medida que aumenta la velocidad del motor primario, el husillo central del gobernador gira a mayor velocidad y aumenta la energía cinética de las bolas. Esto permite que las dos masas de los brazos de palanca se muevan hacia afuera y hacia arriba contra la gravedad. Si el movimiento va lo suficientemente lejos, este movimiento hace que los brazos de palanca tiren hacia abajo de un cojinete de empuje, que mueve un enlace de viga, lo que reduce la apertura de una válvula de mariposa. De este modo, se reduce la tasa de fluido de trabajo que entra en el cilindro y se controla la velocidad del motor primario, evitando el exceso de velocidad.

Se pueden usar topes mecánicos para limitar el rango de movimiento del acelerador, como se ve cerca de las masas en la imagen de la derecha.

Regulación no gravitacional

Una limitación del gobernador de dos brazos y dos bolas es su dependencia de la gravedad, y que el gobernador debe permanecer erguido en relación con la superficie de la Tierra para que la gravedad retraiga las bolas cuando el gobernador se desacelera.

Se pueden construir gobernadores que no utilicen la fuerza gravitacional, mediante el uso de un solo brazo recto con pesos en ambos extremos, un pivote central unido a un eje giratorio y un resorte que intenta forzar los pesos hacia el centro del giro. eje. Los dos pesos en los extremos opuestos del brazo de pivote contrarrestan cualquier efecto gravitatorio, pero ambos pesos usan la fuerza centrífuga para trabajar contra el resorte e intentan girar el brazo de pivote hacia un eje perpendicular en relación con el eje giratorio.

Los gobernadores no gravitacionales retraídos por resorte se usan comúnmente en motores de inducción de corriente alterna (CA) monofásicos para apagar la bobina de campo de arranque cuando la velocidad de rotación del motor es lo suficientemente alta.

También se utilizan comúnmente en transmisiones de variación continua (CVT) de vehículos todo terreno (ATV) y motos de nieve, tanto para activar/desactivar el movimiento del vehículo como para variar la relación del diámetro de la polea de la transmisión en relación con las revoluciones del motor. por minuto.

Historia

Boulton & Watt motor de 1788

James Watt diseñó su primer gobernador en 1788 siguiendo una sugerencia de su socio comercial Matthew Boulton. Era un regulador de péndulo cónico y una de las últimas series de innovaciones que Watt había empleado para las máquinas de vapor. James Watt nunca afirmó que el gobernador centrífugo fuera un invento propio. Una estatua gigante del gobernador de Watt se encuentra en Smethwick, en las West Midlands inglesas.

Los reguladores centrífugos también se utilizan en muchos relojes de repetición modernos para limitar la velocidad del tren que golpea, de modo que la repetición no funcione demasiado rápido.

Otro tipo de regulador centrífugo consta de un par de masas en un husillo dentro de un cilindro, las masas o el cilindro están recubiertos con almohadillas, algo así como un embrague centrífugo o un freno de tambor. Esto se usa en un tocadiscos con resorte y un dial de teléfono con resorte para limitar la velocidad.

Sistemas dinámicos

El gobernador centrífugo se usa a menudo en las ciencias cognitivas como un ejemplo de un sistema dinámico, en el que la representación de la información no se puede separar claramente de las operaciones que se aplican a la representación. Y, dado que el gobernador es un servomecanismo, su análisis en un sistema dinámico no es trivial. En 1868, James Clerk Maxwell escribió un famoso artículo "Sobre los gobernadores" que es ampliamente considerado un clásico en la teoría del control de retroalimentación. Maxwell distingue moderadores (un freno centrífugo) y gobernadores que controlan la entrada de energía motriz. Considera dispositivos de James Watt, el profesor James Thomson, Fleeming Jenkin, William Thomson, Léon Foucault y Carl Wilhelm Siemens (un gobernador líquido).

Selección natural

En su famoso artículo de 1858 para la Linnean Society, que llevó a Darwin a publicar Sobre el origen de las especies, Alfred Russel Wallace utilizó a los gobernadores como metáfora del principio evolutivo:

La acción de este principio es exactamente igual a la del centrifuga gobernador del motor de vapor, que comprueba y corrige cualquier irregularidad casi antes de que se hagan evidentes; y de manera similar ninguna deficiencia desequilibrada en el reino animal puede llegar a cualquier magnitud visible, porque se haría sentir en el primer paso, haciendo la existencia difícil y la extinción casi seguro pronto para seguir.

Bateson revisó el tema en su libro de 1979 Mente y naturaleza: una unidad necesaria, y otros académicos continuaron explorando la conexión entre la selección natural y la teoría de sistemas.

Cultura

Un gobernador centrífugo es parte del sello de la ciudad de Manchester, New Hampshire en los EE. UU. y también se usa en la bandera de la ciudad. Los votantes rechazaron un esfuerzo de 2017 para cambiar el diseño.