وقتی تیغه های الف فن لیوان کاغذی مستقیماً از کل لیوان کاغذی ساخته می شوند (به جای برش برای تشکیل تیغه های جداگانه)، طراحی و اثر تعادل تحت تأثیر عوامل زیادی قرار می گیرد. اگرچه این روش ساده است، اما جزئیات فنی زیادی وجود دارد که باید در نظر گرفته شود، به خصوص اگر قرار باشد از پایداری و کارایی فن در عملکرد واقعی اطمینان حاصل شود. در ادامه تجزیه و تحلیل دقیق این طراحی و اثر تعادل ارائه شده است.
شکل خود لیوان کاغذی معمولاً مخروطی یا مستقیم است و چنین ساختاری دارای تقارن خاصی در طراحی است. هنگام استفاده از لیوان کاغذی به عنوان تیغه فن، اولین چیزی که باید حل شود این است که چگونه از شکل و جنس آن به طور موثر استفاده کنیم تا یک طراحی موثر تیغه فن ایجاد شود.
تقارن لیوان کاغذی به آن اجازه می دهد تا از نظر تئوری در هنگام چرخش متعادل بماند. با این حال، از آنجایی که لیوان کاغذی به طور خاص برای کاربردهای آیرودینامیکی طراحی نشده است، ممکن است خروجی باد یکنواخت را در طول چرخش ارائه نکند. بنابراین در هنگام طراحی باید به نحوه بهینه سازی نیروی باد با تنظیم شکل فنجان یا بهره گیری از فرم طبیعی آن توجه کرد.
اگر لیوان کاغذی به عنوان تیغه فن بدون هیچ برشی استفاده شود، تمام سطح لیوان کاغذی به عنوان یک واحد تیغه کامل استفاده می شود. مزیت این روش طراحی این است که ساختار اصلی لیوان کاغذی را حفظ می کند و عدم تقارن یا عدم تعادل را که ممکن است در اثر عملکرد انسان ایجاد شود، کاهش می دهد. با این حال، این همچنین به این معنی است که اثر تیغه فن ممکن است برای ایجاد یک جریان هوای موثر کافی نباشد.
تعادل فنجان کاغذی به عنوان یک کل در هنگام چرخش به عوامل زیادی از جمله جنس، شکل، توزیع وزن و سرعت چرخش آن بستگی دارد.
توزیع وزن خود لیوان کاغذی معمولاً نسبتاً یکنواخت است، به خصوص در لیوان های کاغذی تولید شده صنعتی که با در نظر گرفتن یکنواختی شکل و وزن طراحی شده اند. بنابراین، هنگامی که لیوان های کاغذی به عنوان تیغه فن استفاده می شوند، تعادل آنها باید در سرعت های پایین بدون بار اضافی یا برش خوب باشد. با این حال، در سرعت های بالا، حتی ناهمواری های کوچک ممکن است باعث لرزش یا ناپایداری قابل توجهی شود.
جنس لیوان های کاغذی به طور کلی سبک و نرم است و این ماده سبک وزن ممکن است در سرعت های بالا کمی تغییر شکل داده و تعادل فن را تحت تاثیر قرار دهد. به طور خاص، در طول چرخش با سرعت بالا، دیواره های نازک لیوان کاغذی ممکن است به دلیل مقاومت باد یا نیروی گریز از مرکز تغییر شکل دهند و در نتیجه تیغه های نامتقارن ایجاد شود که به نوبه خود بر تعادل چرخش کلی تأثیر می گذارد.
لیوان های کاغذی برای آیرودینامیک طراحی نشده اند و شکل و ساختار آنها ممکن است لزوما حجم هوای کافی تولید نکند. در استفاده واقعی، لیوان های کاغذی به عنوان تیغه های فن ممکن است به دلیل انحنای دیواره فنجان و عدم صافی سطح، کارایی جریان هوا را تحت تأثیر قرار دهند. در این حالت، حتی اگر لیوان کاغذی از نظر فیزیکی متعادل باشد، عملکرد آیرودینامیکی آن ممکن است باعث شود که فن در هنگام چرخش نیروی باد موثر ایجاد نکند.
اگرچه چالش‌هایی در طراحی و بالانس کردن فن‌های لیوان کاغذی وجود دارد، اما برخی روش‌های بهینه‌سازی ساده می‌توانند عملکرد و پایداری آنها را بهبود بخشند.
برای جلوگیری از تغییر شکل لیوان کاغذی در هنگام چرخش، می‌توانید چند ساختار نگهدارنده به دیواره فنجان اضافه کنید یا از مواد جامد بیشتری برای ساخت لیوان کاغذی استفاده کنید. این به حفظ شکل فنجان و کاهش عدم تعادل ناشی از تغییر شکل در طول چرخش کمک می کند.
اگر تصمیم دارید روی لیوان کاغذی را برش دهید تا تیغه موثرتری ایجاد کنید، می توانید از ابزارها و روش های دقیق استفاده کنید تا اطمینان حاصل کنید که هر برش متقارن و یکنواخت است. پس از برش، می‌توانید تعادل فن را از طریق تست‌های چرخش واقعی بررسی کنید و بر اساس نتایج آزمایش تنظیمات دقیقی برای اطمینان از پایداری فن در حین کار انجام دهید.
اثر تعادل فن لیوان کاغذی معمولاً در سرعت های پایین بهتر است، اما ممکن است در سرعت های بالا ناپایدار باشد. بنابراین، با کنترل سرعت فن و اطمینان از عملکرد آن در محدوده متوسط، می توان از لرزش و عدم تعادل ناشی از چرخش با سرعت بالا جلوگیری کرد.
در کاربردهای واقعی، طراحی تیغه و اثر متعادل کننده فن لیوان کاغذی به جزئیات طراحی خاص و سناریوهای استفاده بستگی دارد. در شرایط سرعت کم و بار سبک، فن‌های لیوان کاغذی معمولاً می‌توانند وضعیت عملکرد نسبتاً پایداری را نشان دهند. با این حال، در سناریوهای کاربردی سخت، مانند زمانی که بادهای شدید یا چرخش مداوم با سرعت بالا مورد نیاز است، عیوب ذاتی مواد لیوان کاغذی ممکن است عملکرد آنها را محدود کند.
علاوه بر این، پس از استفاده طولانی مدت، فن لیوان کاغذی ممکن است به تدریج تعادل و کارایی خود را به دلیل خستگی یا سایش مواد از دست بدهند. بنابراین، در طراحی واقعی، اغلب لازم است که مقرون به صرفه بودن لیوان های کاغذی را با عملکرد آنها سنجید و در نظر گرفت که آیا نیاز به جایگزینی با مواد مناسب تر یا طرح های سازه ای دارد یا خیر.
طراحی و اثر متعادل کننده استفاده مستقیم از لیوان های کاغذی به عنوان تیغه فن تا حد زیادی به تقارن و خواص مواد لیوان کاغذی بستگی دارد. در سرعت های پایین، این طراحی می تواند عملکرد نسبتاً پایداری را ارائه دهد، اما در سرعت های بالا یا استفاده طولانی مدت، ممکن است با مشکلاتی مانند تغییر شکل مواد و عدم تعادل مواجه شود. عملکرد کلی فن‌های لیوان کاغذی را می‌توان از طریق بهینه‌سازی طراحی مناسب و آزمایش و اشکال‌زدایی بهبود بخشید، اما عملکرد آنها هنوز به دلیل ویژگی‌های ذاتی مواد و اشکال لیوان کاغذی محدود است.
