&pocisk; Fizyka 16, 177
Szczegółowa analiza eksperymentalna wyjaśnia siły, dzięki którym jeden obracający się magnes może spowodować lewitację innego magnesu w atmosferze.
Lewitacja magnetyczna jest powszechna w pływających pociągach i maszynach dużych prędkości, ale dwa lata temu odkryto nowy rodzaj lewitacji, który wykorzystuje szybko obracający się magnes do zawieszenia drugiego magnesu w powietrzu. Naukowcy wyjaśnili obecnie, że zjawisko to wynika z niewielkiego nachylenia osi magnetycznych magnesów względem ich osi obrotu [1]. Prace eksperymentalne i teoretyczne zespołu badawczego ujawniają niespodzianki dotyczące działania lewitacji magnetycznej. Nowa technologia może pewnego dnia zostać wykorzystana jako bezkontaktowe narzędzie do załatwiania spraw.
Jeśli umieścisz dwie zabawki magnetyczne razem, tak aby ich bieguny północne były skierowane do siebie, będą się odpychać. Możesz ulec pokusie, aby spróbować wykorzystać to odpychanie do przeciwdziałania sile grawitacji, umieszczając jeden magnes pod drugim. Jednak powszechne doświadczenie pokazuje, że ten proces równowagi jest niestabilny.
Jednak wiele systemów wykorzystuje magnetyzm do osiągnięcia lewitacji, opierając się na mechanizmach sprzężenia zwrotnego, które generują stabilizujące modyfikacje pól magnetycznych. Inne systemy opierają się na ruchu żyroskopowym w celu stabilizacji swojej pozycji. Na przykład zabawka Levitron to magnetyczny blat, który jest ręcznie obracany, a następnie umieszczany na płycie magnetycznej, która wywiera odpychającą siłę do góry na pionowo zorientowany blat.
Wydaje się, że za nową lewitacją kryje się unikalny mechanizm, który po raz pierwszy zademonstrował w 2021 r. Hamdi Ucar, inżynier elektronik, wówczas pracujący w Göksal Aeronautics w Turcji. Przymocował pojedynczy magnes – „wirnik” – do silnika w taki sposób, że oś bieguna do bieguna magnesu była prostopadła do osi obrotu silnika. Wirnik obracał się z prędkością około 10 000 obrotów na minutę i był utrzymywany na szczycie drugiego magnesu – „boji” – który wirował w ruchu i unosił się w górę, aż unosił się w przestrzeni kilka centymetrów od pierwszego magnesu. W przeciwieństwie do wolno obracającego się lewitronu, pływający magnes jest przyspieszany do dużej prędkości obrotowej poprzez ruch wirnika. Siły magnetyczne nie tylko przeciwstawiają się grawitacji: zatrzymują boję, nawet gdy system jest obracany na boki, tak aby oś obrotu była pozioma. Chociaż początkowe demo z 2021 r. oferowało kilka konfiguracji eksperymentalnych, nie omawiało ono ani nie rozszyfrowało kluczowych aspektów tego zjawiska.
Teraz Rasmus Björk z Politechniki Duńskiej i jego zespół wypełnili tę lukę. Najpierw zaprojektowali lewitację w domu, używając dostępnych na rynku magnesów neodymowych, kleju i elektronarzędzi. Przeprowadzili jednak także bardziej rygorystyczny eksperyment, podłączając sferyczny magnes obrotowy o średnicy 19 mm i sile pola magnetycznego około 1,2 Tesli do wału silnika wiertarki pionowej, której prędkość obrotowa wahała się od 7500 do 17 000 obr./min. Do boi zespół użył kilku sferycznych magnesów o mocy 1,2 Tesli i średnicach od 5 do 30 milimetrów. Korzystając ze sprzętu rejestrującego i oprogramowania do śledzenia ruchu, naukowcy odkryli szczegóły ruchu lewitującego magnesu. „Najważniejszą rzeczą w naszym eksperymencie demonstrującym lewitację magnetyczną jest to, jak łatwo go zrealizować” – mówi Björk.
Naukowcy dokonali kilku obserwacji, które doprowadziły ich do wyjaśnienia wzrostu. Warto zauważyć, że gdy pływak zaczął się obracać, jego częstotliwość została zsynchronizowana z magnesem wirnika. Ponadto latający magnes przyjął orientację pionową – konkretnie jego oś biegunowa była zrównana z osią obrotu, ale z nachyleniem o kilka stopni. Taka konfiguracja, w której osie biegunowe magnesów są do siebie prawie prostopadłe, jest zwykle niestabilna.
Aby wyjaśnić tę nieoczekiwaną, niemal ortogonalną konfigurację, badacze sięgnęli po symulacje numeryczne. Odkryli, że wirujące pole magnetyczne wirnika wywiera moment obrotowy na pływak, wciągając go w zamknięty obrót. Ze względu na żyroskopowe działanie tego obrotu, oś biegunowa pływaka przechyla się tylko nieznacznie, stawiając opór momentowi obrotowemu, który wciągnąłby go w konfigurację równoległą do konfiguracji wirnika. Jeśli chodzi o wysokość, jakakolwiek niewielka niewspółosiowość osi biegunowej wirnika względem poziomu powoduje powstanie małej, stałej składowej pola magnetycznego wirnika wzdłuż osi obrotu. W przypadku pola statycznego i konfiguracji quasi-ortogonalnej statyczna siła magnetyczna przykładana do pływaka ma składową przyciągającą i część odpychającą, które równoważą się wzajemnie w punkcie poniżej wirnika.
Nowe badanie „zapewnia rygorystyczne pomiary eksperymentalne i oceny analityczne” – mówi Okkar. Jeden z wniosków zespołu jest taki, że prądy wirowe indukowane wewnątrz magnesów są bardzo małe, w związku z czym prądy te nie mogą być przyczyną lewitacji. Okkar sugeruje jednak, że symulacje można ulepszyć poprzez lepsze uwzględnienie roli prądów wirowych.
System ma potencjalne zastosowania w pułapkach magnetycznych i manipulacji, zauważa Marcel Schock, dyrektor generalny i założyciel firmy No-Touch Robotics w Zurychu, która skomercjalizowała bezdotykowe ramię robota wykorzystujące pole magnetyczne. Mówi, że system obracających się magnesów jest mniej złożony niż aktywnie sterowany system lewitacji magnetycznej i powoduje mniej strat niż systemy opierające się na prądach indukowanych.
-Rachel Berkowitz
Rachel Berkowitz jest redaktorem korespondencyjnym Dziennik fizyki Siedziba główna znajduje się w Vancouver w Kanadzie.
Bibliografia
- J.M. Hermansen i in.„Lewitacja magnetyczna poprzez obrót”. Fiz. Aplikacja pastora. 20044036 (2023).
Obszary podlegające
„Zła entuzjasta podróży. Irytująco skromny ćpun internetu. Nieprzepraszający alkoholiczek”.
