Was ist kritische Geschwindigkeit?

Ein Objekt soll eine kritische Geschwindigkeit erreichen, wenn die Drehzahl einer seiner Eigenfrequenzen entspricht. Kritische Geschwindigkeit wird in einem Zweig der Physik untersucht, der als Rotordynamik bekannt ist und sich mit Rotations- oder Winkelbewegungen befasst. Ein rotierendes Objekt, wie ein Propeller oder eine Kreiselpumpe, muss beim Beschleunigen oder Bremsen häufig eine oder mehrere seiner kritischen Drehzahlen durchlaufen. Während des Betriebs mit kritischer Geschwindigkeit vibrieren diese Objekte mit hoher Amplitude, was zu Beschädigungen führen kann.

Alle Objekte, die aus einem elastischen Material bestehen, haben eine oder mehrere Eigenfrequenzen. Die Eigenfrequenz eines Objekts gibt an, wie oft es sich hin und her bewegt, sobald es in Bewegung gesetzt wird. Wenn ein Objekt bei einer seiner Eigenfrequenzen schwingt, spricht man von Resonanz oder einer großen Schwingungsamplitude. In einem Musikinstrument ist diese Resonanz beispielsweise wünschenswert, weil sie eine natürliche Verstärkung des Instrumentenklangs bewirkt. In der Rotordynamik ist diese Resonanz jedoch unerwünscht, da sie die beteiligten mechanischen Teile stark vibrieren lässt, wodurch das System beschädigt werden kann.

Es gibt eine Reihe von Reizen, die eine Resonanz hervorrufen können, darunter die Rotationsbewegung. Wenn die Drehbewegung eines Objekts, auch als Winkelgeschwindigkeit bezeichnet, Resonanz hervorruft, hat es eine kritische Geschwindigkeit. Rotierende mechanische Objekte müssen so konstruiert sein, dass sie diese kritischen Geschwindigkeiten schnell durchlaufen, damit die bei dieser Geschwindigkeit auftretende verstärkte Vibration nicht zu Schäden führt.

Eine Kreiselpumpe oder ein Propeller bewegt sich beim Beschleunigen oder Bremsen mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten. Während ein sich bewegendes System wie dieses natürlich eine gewisse Vibration aufweist, muss die verstärkte Vibration bei der kritischen Geschwindigkeit vermieden oder schnell durchlaufen werden, wenn das System im Laufe der Zeit aufrechterhalten werden soll. Die Rotordynamik befasst sich daher in hohem Maße mit der Lösung der verschiedenen kritischen Drehzahlen, die die Lebensdauer einer rotierenden Maschine beeinflussen können.

Die niedrigste Rotationsfrequenz, die ein Objekt bei einer seiner Eigenfrequenzen zum Schwingen bringt, wird als erste kritische Geschwindigkeit bezeichnet. Ein Objekt kann unendlich viele kritische Geschwindigkeiten haben, aber die wichtigste kritische Geschwindigkeit, die Ingenieure berücksichtigen müssen, ist die erste. Einige rotierende Objekte sind so konstruiert, dass sie unter ihrer ersten kritischen Geschwindigkeit arbeiten, aber viele rotieren über dieser Geschwindigkeit. Solange die Drehzahl die kritische Drehzahl schnell überschreitet, sollte dies keinen wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer der rotierenden Maschine haben. Probleme können jedoch auftreten, wenn ein Objekt so konstruiert ist, dass es sich mit seiner kritischen Geschwindigkeit dreht, da die resultierenden Vibrationen dazu führen können, dass die Maschine bricht.

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