Volano (meccanica)

Un trattore Landini in cui è ben visibile il volano

Il volano è un organo meccanico atto a limitare gli eccessi di energia meccanica motrice sul lavoro meccanico totale o di quest'ultimo sull'energia motrice su macchine a regime periodico. In definitiva questo si riduce a mantenere più uniforme la velocità angolare dell'albero motore.

Descrizione

Il volano ha la forma di una ruota o disco appositamente sagomato per aumentare il momento d'inerzia dell'albero al quale è applicato.

Motivi del suo utilizzo

Il volano tende ad opporsi ad ogni tentativo di variazione della sua velocità angolare, stabilizzando la rotazione di un albero quando viene applicato un momento torcente periodico, come nei motori a pistoni, oppure quando il carico applicato è intermittente, come per esempio nelle pompe a pistoni e nei magli.

La rotazione dell'albero a gomiti non è uniforme poiché nei cilindri si susseguono fasi utili e fasi passive. Per renderla il più possibile omogenea, (ovverosia per ridurre le accelerazioni e le decelerazioni) si impiega il volano, costituito da un grosso disco fissato a una estremità dell'albero motore, che accumula energia meccanica durante le fasi utili per restituirla durante quelle passive.

Il volano può anche essere utilizzato per accumulare l'energia meccanica prodotta da un motore di bassa potenza su un lungo periodo per rilasciarla ad alta potenza in un breve istante.

Caratteristiche

L'energia cinetica accumulata da un volano è:

$E = \frac{1}{2} I \omega^2$

dove I è il momento d'inerzia della massa rispetto all'asse di rotazione e ω è la velocità angolare. Poiché il momento d'inerzia di un sistema di particelle è proporzionale alla massa delle particelle ed al quadrato della distanza di queste dall'asse di rotazione rispetto al quale se ne voglia calcolare il momento d'inerzia, si ha che la capacità di accumulo di energia in un volano aumenta, oltre che con l'aumentare della massa, anche con il crescere della distanza di questa dall'asse di rotazione.

Progettazione

Volano di una macchina a vapore

Per questo motivo i volani tendono ad avere grande diametro (come è particolarmente evidente nelle vecchie macchine a vapore) e ad avere la maggior parte della massa disposta sul perimetro, collegato al mozzo per mezzo di raggi. In questo modo il loro peso rimarrà limitato, mentre il loro momento d'inerzia resta quello desiderato.

Sviluppi

Il volano è anche oggetto di continui studi come dispositivo per l'accumulo di energia, al fine di migliorarne l'efficienza e l'affidabilità. Per incrementare sempre più la capacità di immagazzinamento, si cerca di aumentare la velocità a valori incredibilmente elevati, di centinaia di migliaia di giri per minuto. Ciò comporta diversi problemi di non facile soluzione. Tra le soluzioni tecniche studiate si ha:

• Studio di nuove leghe metalliche più resistenti, impiegate per evitare che il volano letteralmente esploda a causa della enorme forza centrifuga.
• Inclusione del volano in camere a vuoto, per ridurre l'attrito dell'aria, che ad alte velocità è molto intenso.
• Utilizzo di cuscinetti a sospensione magnetica per eliminare l'attrito. Sono comunque presenti cuscinetti tradizionali pronti ad intervenire in caso di guasto alla sospensione magnetica.
• Inserimento e prelievo dell'energia senza contatto meccanico, per esempio grazie all'induzione magnetica. In alcune applicazioni i volani sono usati come accumulatori elettrici in sostituzione di batterie e condensatori per la loro capacità di rilasciare molta energia elettrica in brevissimo tempo (alta potenza specifica). In questi casi il volano funziona come un generatore/motore elettrico reversibile.

Vantaggi e svantaggi

Nei motori termici i vantaggi del volano sono:

• Ridurre l'irregolarità di funzionamento
• Permettere il funzionamento a regimi più bassi, maggiore sarà l'inerzia e maggiore sarà la capacità di far funzionare il motore a bassi regimi

Svantaggi:

• Riduce la velocità di variazione del regime, il passaggio da un regime più basso a uno più alto o viceversa è rallentato per via dell'energia che accumula o deve disperdere.

Accumulo d'energia nei mezzi di trasporto

L'uso del volano per accumulare energia nei veicoli è molto interessante, poiché può offrire un migliore rapporto capacità energetica/massa rispetto alle batterie chimiche.

Per approfondire, vedi la voce volano (batteria).

Bibliografia

• Dante Giacosa, Il volano in Motori endotermici (in italiano), HOEPLI, pp. 872. ISBN 88-203-2633-7 URL consultato il 22 marzo 2011.

Voci correlate

• Massa
• Energia
• Batterie a Volano
• Kers

Altri progetti

• Commons

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