Volano (meccanica)

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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.

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

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.

L'energia cinetica accumulata da un volano è:

dove I è il momento d'inerzia della massa rispetto al centro 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 alla distanza di queste dal centro di rotazione, si ha che la capacità di accumulo di energia in un volano aumenta oltre che con l'aumentare della velocità di rotazione, con l'aumentare della massa e della distanza di questa dal centro.

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.

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.

[modifica] Accumulo di 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. Molti però sono i problemi da superare.

L'aumento della massa e del diametro non è praticabile oltre un certo punto nei mezzi mobili, dove si può ricorrere solamente all'aumento della velocità. Un effetto collaterale del volano nei mezzi di trasporto è dato inoltre dall'effetto giroscopico, che produce una forza ortogonale se si cerca di variare l'orientamento dell'asse di rotazione. Una possibile soluzione consiste nel disporre il volano orizzontalmente, con l'asse parallelo all'asse di rotazione del mezzo. Nonostante siano stati costruiti prototipi di automobili a volano, la tecnologia è ancora largamente immatura ed i costi di questi sistemi sono ancora molto elevati.

Un aspetto non trascurabile è quello della sicurezza. In caso di incidente con rottura dell'involucro di protezione, il volano continuerebbe a ruotare fino a scaricare l'energia accumulata, oppure potrebbe liberarla molto più bruscamente esplodendo. Per avere un'idea dell'energia che si dovrebbe accumulare in un volano di automobile, si pensi che questa dovrebbe essere perlomeno nell'ordine di grandezza dell'energia chimica contenuta in un normale serbatoio di benzina. Si è stimato che anche dopo avere spento l'automobile, il volano continuerebbe a ruotare liberamente per un paio di settimane prima di fermarsi a causa degli attriti. Sono per questo stati studiati contenitori in kevlar, uno dentro l'altro. In caso di incidente il volano entra in contatto con il contenitore interno portandolo in rotazione. Un fluido interposto tra i due contenitori provvederebbe a disperdere progressivamente l'energia sotto forma di calore. Il contenitore deve inoltre essere in grado di resistere all'improvvisa esplosione della ruota per cedimento strutturale.

Il volano è più agevolmente impiegato nei tram, dove le limitazioni di peso e volume sono meno stringenti rispetto all'automobile. La sua funzione può essere quella di accumulare l'energia cinetica recuperata durante le frenate e l'energia prodotta da celle a combustibile, per impiegarla durante l'accelerazione. In passato sono anche stati studiati tram a volano privi di motore, dove il volano era frequentemente ricaricato presso apposite stazioni.