Простейший магнито-механический маятник - как пример реализации принципов создания различных типов вечных мд. Опыты, эксперименты, теория, практика, решения задач Вечный магнитный маятник своими руками

В иных домах они есть — большие старинные часы в шкафу полированного красною дерева, с маятником и двумя большими блестящими гирями на цепочках. В таких часах кроется что-то загадочное — через них словно само время говорит с нами и о прошлом, и о настоящем, и о будущем…
О часах с маятником мне мечталось очень давно, однако в наследство от троюродных бабушек они мне как-то не доставались, а в комиссионках за них просили такие деньги, за которые можно было купить вполне ещё приличный автомобиль типа ВАЗ.

Но однажды в магазине мне попались на глаза обычные настенные электронные часы — и именно с таким циферблатом, какой виделся мне в мечтах. Недолго думая, я купил их — стоили они совсем не дорого. Купил потому, что в мыслях мгновенно появились они — часы, о которых я столь долго мечтал и которые отличались от электронных лишь шкафом с застеклённой дверцей и мерно качающимся маятником. Но шкаф и маятник я уж постараюсь сделать сам!

Корпус для часов получился из старой книжной полки — я рспилил её вдоль на две неравные части, и меньшая из них шириной 120 мм стала основой шкафа. Ну а из дощечек, оставшихся после этой операции, я вырезал заготовки для дверцы, склеил их эпоксидной смолой и застеклил. Кстати, для крепления стекла вполне подошёл Ш-образный пластиковый профиль — такой обычно используют для установки «движков» в шкафах и книжных полках, однако он неплохо заменил штапики при остеклении дверцы.

Наибольшую сложность вызвало воепроизведение маятникового механизма. Конечно, можно было бы спроектировать настоящий маятник, задающий точность хода электронным часам, однако создавать столь сложный прибор не было никакого резона, и я разработал гораздо более простое электромеханическое устройство, полностью имитирующее движения маятника.

Маятник представляет собой стержень, сделанный из полированной дюралюминиевой трубки диаметром 12×1 мм, имеющий точку подвески на линии, делящей его в соотношении 1:2. Шарнир подвески — это стальная скоба с ввернутыми в неё двумя установочными винтами М5 с коническими концевыми частями. В стержне маятника высверливаются, соответственно, два цилиндрических отверстия диаметром 2 мм. В нижней части маятника закрепляются декоративный диск и груз — первый сделан из компакт-диска, а второй — из стальной полоски. При необходимости, уменьшая или увеличивая груз, можно менять частоту колебаний маятника.

1—электронные часы; 2— корпус шкафчика; 3—электромагнит; 4—якорь маятника; 5—дверца шкафчика; 6—перемычка для крепления коммутаторов; 7—петля; 8—контакный лепесток коммутатора; 9—замыкатель; 10—шарнир маятника; 11—полка для крепления электронных часов и маятника; 12—стержень маятника; 13 — имитация часовой гири; 14—имитация диска маятника; 15—задняя стенка корпуса; 16—груз маятника

1—контактный лепесток (фольги-рованный текстолит s2); 2 — соединительный провод; 3 — корпус коммутатора (Д16 лист 1,5); 4—шайба (полиэтилен); 5 — винт центровки возвратной пружины; 6—возвратная пружина; 7—стержень центровки возвратной пружины

А—маятник начинает движение, при этом замыкатель касается контактного лепестка первого коммутатора, включая тем самым цепь питания электромагнита; Б—при подходе якоря к оси электромагнита контактный лепесток соскальзывает с замыкателя—и цепь питания электромагнита разрывается; В — после остановки в мёртвой точке маятник начинает движение в противоположную сторону, замыкатель при этом касается контактного лепестка второго коммутатора и включает цепь питания электромагнита.

Цифрами на схеме обозначены:

1—электромагнит; 2—якорь маятника; 3—замыкатель; 4—стержень маятника; 5—ось качания маятника; 6—коммутаторы

В верхней части стержня мятника закреплён якорь — для него потребуется полоса из мягкой (отожжённой) стали толщиной 4 мм. Для крепления его на стержне в отверстии, просверленном в якоре, нарезается резьба М12х0,5 мм.

«Двигателем» маятника является электромагнит — сделать его можно из выходного трансформатора или дросселя от старого лампового приёмника или трансляционного громкоговорителя. Нужно только перебрать его сердечник, состоящий из основных Ш-образных и замыкающих прямоугольных пластин, при этом последние следует удалить (для электромагнита они не понадобятся), а из первых сложить новый сердечник в виде толстой буквы «Ш». Обмотку придётся перемотать в соответствии с величиной тока, который может обеспечить источник — например, зарядное устройство для мобильного телефона. Практика показала, что при использовании источника постоянного тока напряжением 5 В вполне подойдёт обмотка из провода типа ПЭ диаметром 0,3 мм при наматывании ее внавал до заполнения каркаса. Кстати, вести намотку удобнее всего с помощью ручной дрели, закреплённой в настольных тисках. Сам же каркас придётся зафиксировать на резьбовом стержне с помощью двух пар шайб и гаек, а стержень — в патроне дрели.

К сожалению, с помощью только одного электромагнита привести в движение маятник не удастся — потребуются два коммутатора, включающих электромагнит лишь в те моменты, когда якорь маятника движется в его сторону.

Каждый из коммутаторов состоит из контактного лепестка, сделанного из одностороннего фольгированного текстолита. Лепесток шарнирно закреплён в дюралюминиевом корпусе и удерживается в вертикальном положении с помощью пары пружин.

Процесс коммутирования электромагнита изображён на схеме. При движении якоря к электромагниту замыкатель, установленный на стержне маятника, прикасается к проводящей стороне контактного лепестка первого коммутатора, включая при этом питание электромагнита. Последний начинает притягивать к себе якорь, но при подходе к центру электромагнита контактный лепесток соскальзывает с замыкателя, разрывая при этом цепь питания, и маятник продолжает движение по инерции. Далее на пути замыкателя — изолированная сторона контактного лепестка второго коммутатора, поэтому замыкатель беспрепятственно отклонит его и продолжит движение до остановки в мёртвой точке, а затем качнется в сторону электромагнита, и на полпути к нему замыкатель прикоснётся проводящей стороны контактного лепестка второго коммутатора, включив тем самым электромагнит. Ну а далее процесс будет повторяться до тех пор, пока устройство подключено к источнику тока.

Вот, собственно, и всё.

Сборка маятникового механизма не представляет сложности. Главное здесь — обеспечить минимальный зазор между якорем и электромагнитом (около 0,5 мм) и отрегулировать положение контактных лепестков коммутатора относительно замыкателя. Чтобы привести маятник в движение, достаточно его просто качнуть.

Часы будут неотличимы от настоящих старинных маятниковых, если за стеклом дверцы будут подвешены на цепочках две «гири» — сделать их проще всего из обрезков дюралюминиевых труб, которые следует отполировать до зеркального блеска.

К тому же на достоверность восприятия часов в значительной степени будет влиять"тщательность отделки их корпуса.

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter , чтобы сообщить нам.

На свойствах электромагнита основана работа огромного количества приборов и машин. Большинство маятников в современных электрических часах также работает под действием электромагнита. Попробуем разобраться в причинах, крторые заставляют неутомимо раскачиваться электрический маятник, и сделаем сами его небольшую модель.

Для этого нам понадобятся: самодельный электромагнит, такой же, какой мы изготовили при устройстве электрического звонка, жесть, одна-две батарейки или понижающий трансформатор.

Маятник вырезывается из жести по выкройке, изображенной на рисунке 1. Внутреннее отверстие выбивают стамеской по линиям чертежа, ударяя молотком по ее ручке. Для этого жесть с нанесенным на ней чертежом кладется на ровную доску твердой породы дерева. Затем, зачистив напильником острые заусеницы отверстия, вырезаете всю фигурку маятника обычными ножницами по внешнему контуру. После этого снова прошлифуйте мелким напильником все края, а нижнюю полоску - язычок - сверните в небольшую трубочку. В свернутом виде она будет служить обычным утяжеленным концом маятника. В верхней части фигурки просверлите или пробейте стальным шилом маленькое отверстие, края которого надо тщательно зашлифовать мелкой наждачной шкуркой. Это небольшое отверстие служит для того, чтобы надеть маятник на. стальную толстую иголку или отрезок вязальной спицы, забитый в верхнюю часть вертикальной стойки С (рис. 2).

Маятник надо повесить на иглу так, чтобы его нижняя часть, свернутая трубочкой, приходилась как раз над концами выступающих полюсов магнита, почти касаясь их, но
при раскачивании не задевала бы выступающие концы сердечника.

Чтобы избежать трения маятника о деревянную стоечку, наденьте на ось небольшой отрезок медной трубочки с хорошо отшлифованными краями. По бокам верхнего выступа маятника надо установить два медных гвоздика. Они будут удерживать маятник от слишком больших размахов.

Электрический ток подводится от батарейки или трансформатора (4 - 6 вольт), по схеме, указанной на рисунке 2. Все места соединений проволочек должны быть хорошо зачищены и припаяны.

На рисунке 2 вы видите тоненькую, упругую проволочку-прерыватель П. Прерыватель обеспечивает беспрерывное раскачивание^ маятника. Первый размах маятника надо сделать легким движением пальца, доведя его боковую часть до прерывателя. При этом электрическая цепь замкнется через один из верхних шпеньков, ток побежит по обмотке электромагнита, и его сердечник мгновенно притянет нижний утяжеленный конец якоря. Как только нижняя часть маятника потянется вниз, цепь разомкнется и маятник перейдет на противоположную сторону. Здесь другую боковую сторону маятника снова встретит прерыватель, который заставит магнит притянуть маятник вниз.

Так будет раскачиваться маятник до тех пор, пока вы не отсоедините всю модельку от источника тока - трансформатора или батарейки.

Очень занятную модель электромаятника можно сделать в виде качелей, а на сиденье их укрепить фигурку Буратино, вырезанную из бумаги или пробки. Маленький человечек - любимый герой ребят - будет взлетать и опускаться вниз самым загадочным образом.

Электрические качели — хороший подарок для ребенка, а при добротной сборке можно развить идею до, например, офисного сувенира.Основу игрушки составляет простейшая нависная схема (хотя конечно лучше сделать на плате), состоящая из транзистора, диода и особо намотанной катушки, скрытая в дне. «Сиденье” качели — магнит, лучше выбрать неодимовый, их сейчас полно, хотя вполне сойдет и обычный.

Катушка мотается двойным проводом сечением каждый примерно 0.25-0.3 около 1500 витков, т.е. параллельно берутся 2 медных провода и мотаются на катушку. На схеме видно, что конец первого провода соединяется с началом второго. Форму катушки выбрал из логических соображений овальной, т.к. магнит, проходящий над ней, будет лучше взаимодействовать по длине большей диагонали эллипса. Сердечник не использовал, так что можете поэкспериментировать с ним. Мотать лучше аккуратно, виток к витку, но не обязательно.

Транзистор прямой проводимости, можно взять МП39…42, диод любой, батарейка обычная на 1.5 вольт. Для удобства лучше сделать выключатель.Прошу прощения за кустарную сборку, но я делал ее в школьные годы на голом энтузиазме по схеме из старого отцовского блокнота со схемами, так что толком неизвестно, откуда она взялась, и хотел просто как можно скорей увидеть, как она работает.

Запускается просто, включаете устройство и толкаете магнит, через пару секунд вы заметите, как интенсивно начнет колебаться маятник. Система будет лучше работать, если получится создать резонанс, т.е. равенство частот работы схемы и собственной частоты маятника, которая высчитывается по формуле. Здесь это достигается подгонкой всех параметров маятника. Закрепить шатун лучше на 2-х подшипниках, а не на 1-м как у меня.

Для ребенка, а при добротной сборке можно развить идею до, например, офисного сувенира.

Основу игрушки составляет простейшая нависная схема (хотя конечно лучше сделать на плате), состоящая из транзистора, диода и особо намотанной катушки, скрытая в дне. "Сиденье” качели - магнит, лучше выбрать неодимовый, их сейчас полно, хотя вполне сойдет и обычный.

Транзистор прямой проводимости, можно взять МП39…42, диод любой, батарейка обычная на 1.5 вольт. Для удобства лучше сделать выключатель.

Прошу прощения за кустарную сборку, но я делал ее в школьные годы на голом энтузиазме по схеме из старого отцовского блокнота со схемами, так что толком неизвестно, откуда она взялась, и хотел просто как можно скорей увидеть, как она работает.

Другие оригинальные виды часов. Предлагаемые в этой инструкции часы хоть и тоже электронные, но используют для отсчёта времени колебательное движение маятника. Это так называемые часы со свободным маятником.

Точность таких часов зависит от конструкции его маятника, от минимизации влияния температуры, от способа подвода энергии, поддерживающей колебательное движение маятника и получения энергии от маятника. В классических механических часах отвечает за это механизм захвата и набор зубчатых колес.

Чтобы точность часов была как можно лучше, маятник должен колебаться абсолютно свободно, не обременённый механизмами. А энергия передаваться очень маленькими порциями в момент, когда маятник находится в нижнем положении и только в том случае, когда амплитуда колебаний маятника уменьшается ниже допустимой величины. Передача энергии в слишком больших дозах, вызывает увеличение амплитуды колебаний, что приводит к снижению точности. Амплитуда колебаний маятника не должна превышать нескольких градусов.

Принципиальная схема часов

Основой маятниковых часов выступает конструкция с прикрепленным на конце подшипником с неодимовым магнитом. В основании размещена индукционная катушка. В результате движение маятника непосредственно над катушкой, в катушке индуцируется напряжение, которое передается в микропроцессор PIC12F683, что анализирует наведённое напряжение и в нужный момент подает на катушку импульс напряжения, поддерживающий движение маятника.

Когда магнит на конце маятника приближается к катушке — в катушке наведенное напряжение отрицательное,
когда он проходит над серединой катушки — напряжение имеет нулевое значение,
когда отходит — положительное значение.

Амплитуда импульсов индуцированных в катушке зависит от скорости перемещения магнита над катушкой, а, следовательно, и от амплитуды колебаний маятника. Путем измерения напряжения после строго определенного времени прохода через маятник точки равновесия, можно оценить какова амплитуда колебаний, а следовательно, следует ли предоставить импульс стимулятору колебаний, или нет. Чем выше будет добротность системы, тем реже будет нужно создавать этот импульс.

Для отображения времени применён кварцевый механизм часов, приводимый в действие батареей 1,5 В. В нём снимаем пластину с кварцевым резонатором и схемой, используя только сам механизм. Выводы двигателя-катушки подключаем к портам микроконтроллера. МК генерирует импульс каждую секунду по очереди то на одном, то на втором выводе катушки.

Всего было сделано несколько разных часов с различной длиной маятника. Самый большой был маятник с длинной 1000 мм, где полупериод колебаний составлял ровно 1 секунду. Еще были с полупериодом колебаний 1/3 секунды (110 мм) и 1/4 секунды (60 мм). Таким образом, импульс для шагового двигателя был сформирован, соответственно, на первое, третье или четвертое прохождение маятника над точкой равновесия.

Часы питаются литий-ионным аккумулятором типа 18650, их хватит на несколько месяцев работы. Для процессора используется стабилизатор LM385-1.2, дающей напряжение 1,2 вольта. Когда процессор обнаруживает, что напряжение аккумулятора упало ниже 3,28 В, это сигнализируется каждые две секунды. Таймер может работать и с батареей севшей до 2 В, но следует избегать такого глубокого разряда из-за возможности порчи батареи.

Индукционная катушка должна иметь несколько тысяч витков. В данных часах мотали 2000-3000 витков провода 0,12. Катушки не имеют сердечника и намотаны на каркасе диаметром 6 мм. Стержень маятника необходимо выполнить из материала с возможно малым коэффициентом теплового расширения, хорошо подходит удилище из углеродного волокна. Длинну маятника следует подобрать так, чтобы получить требуемый период колебаний. Следует учитывать возможность точной настройки периода колебаний, чему служит дополнительный груз размещенный на маятнике — латунная гайка, поворот которой меняет распределение массы на маятнике.

Внимание: рядом с магнитом на конце маятника не должны находиться ферромагнитные материалы — стальные гвозди и винты. Также будьте осторожны с латунными и медными элементами. Движущийся в их непосредственной близости магнит возбуждает в них вихревые токи, которые тормозят движение магнита. Поэтому основу часов стоит делать из дерева, пластика, ламината, мрамора и т. д.

Электронная схема содержит только процессор в подставку, стабилитрон через резистор 100 ком и разъемы для батареи, катушки и шагового двигателя. Собрана схема на небольшой печатной плате, вырезанной из универсальной пластины. Файлы hex, содержащие прошивку процессора — .