Khi các lưỡi của một quạt cốc giấy được làm trực tiếp từ toàn bộ cốc giấy (chứ không phải cắt thành từng lưỡi riêng lẻ), hiệu quả thiết kế và cân bằng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Mặc dù phương pháp này đơn giản nhưng có nhiều chi tiết kỹ thuật cần được xem xét, đặc biệt nếu muốn đảm bảo độ ổn định và hiệu quả của quạt khi vận hành thực tế. Sau đây là phân tích chi tiết về thiết kế và hiệu ứng cân bằng này.
Hình dạng của cốc giấy thường là hình nón hoặc thẳng và cấu trúc như vậy có tính đối xứng nhất định trong thiết kế. Khi sử dụng cốc giấy làm cánh quạt, điều đầu tiên cần giải quyết là làm thế nào để sử dụng hiệu quả hình dạng và chất liệu của nó để tạo thành một thiết kế cánh quạt hiệu quả.
Tính đối xứng của cốc giấy về mặt lý thuyết cho phép nó giữ cân bằng khi quay. Tuy nhiên, do cốc giấy không được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng khí động học nên nó có thể không cung cấp lượng gió đồng đều trong quá trình quay. Vì vậy, khi thiết kế cần cân nhắc cách tối ưu hóa lực gió bằng cách điều chỉnh hình dạng của cốc hoặc tận dụng hình dạng tự nhiên của nó.
Nếu cốc giấy được sử dụng làm cánh quạt mà không có bất kỳ vết cắt nào thì toàn bộ bề mặt của cốc giấy sẽ được sử dụng làm toàn bộ bộ cánh quạt. Ưu điểm của phương pháp thiết kế này là duy trì cấu trúc ban đầu của cốc giấy và giảm sự bất đối xứng hoặc mất cân bằng có thể do hoạt động của con người gây ra. Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là hiệu ứng cánh quạt có thể không đủ để tạo thành luồng không khí hiệu quả.
Sự cân bằng của toàn bộ cốc giấy khi quay phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất liệu, hình dạng, phân bố trọng lượng và tốc độ quay.
Sự phân bổ trọng lượng của cốc giấy thường tương đối đồng đều, đặc biệt là trong các cốc giấy được sản xuất công nghiệp, được thiết kế có tính đồng nhất về hình dạng và trọng lượng. Do đó, khi cốc giấy được sử dụng làm cánh quạt, độ cân bằng của chúng phải tốt ở tốc độ thấp mà không cần tải thêm hoặc cắt. Tuy nhiên, ở tốc độ cao, ngay cả sự không bằng phẳng nhỏ cũng có thể gây ra rung động hoặc mất ổn định đáng chú ý.
Chất liệu của cốc giấy nhìn chung nhẹ và mềm, chất liệu nhẹ này có thể biến dạng nhẹ ở tốc độ cao, ảnh hưởng đến sự cân bằng của quạt. Đặc biệt, khi quay ở tốc độ cao, thành mỏng của cốc giấy có thể bị biến dạng do lực cản của gió hoặc lực ly tâm, dẫn đến các cánh quạt không đối xứng, từ đó ảnh hưởng đến sự cân bằng xoay tổng thể.
Cốc giấy không được thiết kế để khí động học, hình dạng và cấu trúc của chúng có thể không nhất thiết tạo ra đủ lượng không khí. Trong sử dụng thực tế, cốc giấy làm cánh quạt có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của luồng không khí do thành cốc bị cong và bề mặt không nhẵn. Trong trường hợp này, ngay cả khi cốc giấy được cân bằng về mặt vật lý, hiệu suất khí động học của nó có thể khiến quạt không tạo ra lực gió hiệu quả khi quay.
Mặc dù có một số thách thức trong việc thiết kế và cân bằng quạt cốc giấy, một số phương pháp tối ưu hóa đơn giản có thể cải thiện hiệu suất và độ ổn định của chúng.
Để cốc giấy không bị biến dạng khi xoay, bạn có thể cân nhắc thêm một số kết cấu đỡ vào thành cốc hoặc sử dụng những vật liệu chắc chắn hơn để làm cốc giấy. Điều này sẽ giúp duy trì hình dạng của cốc và giảm sự mất cân bằng do biến dạng trong quá trình xoay.
Nếu bạn quyết định cắt trên cốc giấy để tạo thành một lưỡi dao hiệu quả hơn, bạn có thể sử dụng các công cụ và phương pháp chính xác để đảm bảo rằng mỗi vết cắt đều đối xứng và đồng đều. Sau khi cắt, bạn có thể kiểm tra độ cân bằng của quạt thông qua các bài kiểm tra vòng quay thực tế và thực hiện các điều chỉnh tinh chỉnh dựa trên kết quả kiểm tra để đảm bảo độ ổn định của quạt trong quá trình hoạt động.
Hiệu ứng cân bằng của quạt cốc giấy nhìn chung tốt hơn ở tốc độ thấp, nhưng có thể không ổn định ở tốc độ cao. Do đó, bằng cách kiểm soát tốc độ quạt và đảm bảo rằng nó hoạt động trong phạm vi vừa phải, có thể tránh được hiện tượng rung và mất cân bằng do quay tốc độ cao.
Trong ứng dụng thực tế, thiết kế cánh quạt và tác dụng cân bằng của quạt cốc giấy phụ thuộc vào chi tiết thiết kế cụ thể và các tình huống sử dụng. Trong điều kiện tốc độ thấp và tải nhẹ, quạt cốc giấy thường có thể thể hiện trạng thái hoạt động tương đối ổn định. Tuy nhiên, trong các tình huống ứng dụng đòi hỏi khắt khe, chẳng hạn như khi cần có gió mạnh hoặc quay tốc độ cao liên tục, những khiếm khuyết cố hữu của vật liệu cốc giấy có thể hạn chế hiệu suất của chúng.
Ngoài ra, sau thời gian dài sử dụng, quạt cốc giấy có thể dần dần mất đi sự cân bằng và hiệu quả do vật liệu bị mỏi hoặc mài mòn. Vì vậy, trong thiết kế thực tế, người ta thường phải cân nhắc giữa hiệu quả chi phí của cốc giấy với hiệu quả sử dụng của chúng và cân nhắc xem có cần thay thế chúng bằng vật liệu hoặc thiết kế kết cấu phù hợp hơn hay không.
Hiệu quả thiết kế và cân bằng của việc sử dụng cốc giấy trực tiếp làm cánh quạt phụ thuộc phần lớn vào tính đối xứng và tính chất vật liệu của cốc giấy. Ở tốc độ thấp, thiết kế này có thể mang lại hiệu suất tương đối ổn định, nhưng ở tốc độ cao hoặc sử dụng lâu dài, có thể gặp phải các vấn đề như biến dạng và mất cân bằng vật liệu. Hiệu suất tổng thể của quạt cốc giấy có thể được cải thiện thông qua tối ưu hóa thiết kế phù hợp, thử nghiệm và gỡ lỗi, nhưng hiệu suất của chúng vẫn bị hạn chế bởi các đặc tính vốn có của vật liệu và hình dạng cốc giấy.
