Perpetuum Mobile (Valsspel)

Een perpetuum mobile, oftewel een voortdurende beweging. Helaas is dit te mooi om waar te zijn en laat de fysica dit niet toe zonder extra energie toe te voegen aan het systeem. Wel kan je een beetje valsspelen en het laten lijken alsof dit mogelijk is. Hiervoor moet je dus een externe bron gebruiken die energie toevoegt aan het systeem. In deze handleiding leggen we je uit hoe je het kan laten lijken alsof een slinger oneindig lang beweegt( met behulp van een elektromagneet). De onderdelen hiervoor kan je maken zoals beschreven in de stappen, maar het is natuurlijk ook mogelijk om, wanneer je beschikking hebt over al kant en klare onderdelen, deze te gebruiken.

Om het systeem te maken zijn de volgende materialen nodig.:

De afmetingen zijn allemaal in millimeter.

Voor de slinger:

1. 1 ijzeren staaf ,r=5 | l=250
2. 1 houten balk ,40x40x80
3. schroefdraad ,r=5 | l=125
4. 2 kogellagers, binnenstraal=5, buitenstraal=22
5. 3 cilinder magneten, r=7,5

Voor het frame:

1. 6 houten balken,50x50x200
2. 1 houten plaat ,200x300x5
3. 4 ijzeren schroefplaatjes
4. 8 houtschroeven

Voor de elektromagneet:

1. een holle spoelkern, buitendiameter Ø30mm, binnendiameter Ø25mm, lengte 40mm
2. een ijzeren solide kern, diameter Ø24mm lengte 40mm
3. geïsoleerd koperdraad, Ø0.22 mm, lengte minimaal 70 m
4. soepel draad, twee stuks
5. tape
6. male-male draad, twee stuks

Voor het circuit:

1. Arduino
2. breadboard
3. 8 male-female kabels
4. relais schakelaar
5. 12V adapter
6. 1 splitter voor adapter

Tools:

1. soldeerbout
2. wikkelmachine
3. 3d-printer
4. handboormachine
5. ijzerzaag
6. boormachine
7. houtzaag
8. schaar
9. föhn
10. stanleymes
11. tin (voor het solderen)
12. houtlijm

Extra:

1. karton
2. ducttape

Allereerst begin je met de slinger.

Maak de schroefdraad op lengte;15 cm met een straal van 0.5 cm.

De schroefdraad geeft de mogelijkheid om tijdens het meten de slingerlengte aan te passen en deze af te stellen op de juiste sterkte en hoogte van de elektromagneet.

Maak vervolgens de drie magneten vast aan de onderkant van de schroefdraad. Dit kan gedaan worden door eerst een moer aan het schroefdraad vast te draaien. Hierdoor wordt het oppervlak waar de magneten aan hechten groter en zitten ze dus steviger vast.

Hierna kan je beginnen aan de bovenkant van de slinger. Hiervoor heb je de stalen buis, de kogellagers, de krimpkous nodig en het houten blok.

Maak de kogellagers vast aan de stalen buis. Aangezien de binnen diameter van de kogellagers precies overeenkomen met de diameter van de stalen buis, kunnen deze er op geduwd worden. Tip: gebruik een krimp kous van ongeveer 5 cm lang om de kogellagers van elkaar te scheiden.

Vervolgens ga je de houten balk passend maken rond de kogellagers. Boor door het houten blok van 40x40x80 een rond gat met een diameter van 22mm. Begin in het midden van het vlak van 40mm bij 40mm en boor het verder in de lengterichting . Hiervoor kan je een boormachine met een diameter van 22mm gebruiken. Veil vervolgens het gat zó dat de kogellagers precies erin passen.

Boor hierna een rond gat met een diameter gelijk aan het schroefdraad dwars door het hout. Begin hierbij in het midden van het vlak van 40mm bij 60mm. Boor deze vervolgens door tot deze de andere kant bereikt. Draai hierna het schroefdraad in het gat.

Zet het blok om de stalen buis met de kogellagers.

Let op: zorg ervoor dat het schroefdraad de binnenste stalen buis niet aanraakt, want dan draait de slinger niet.

Hierna is het tijd om door te gaan met het frame.

Lijm met behulp van houtlijm de vier houten balken verticaal elk op een hoek van de dunne houten plaat. Wacht minimaal 24 uur tot de lijm is opgedroogd.

Boor precies in het midden van de overige twee balken, een gat met diameter van 10 mm, 25mm diep, op de 200x50 mm zijde

Zet de slinger vast tussen de twee balken, door de dunne staaf in de twee geboorde gaten te stoppen.

Leg daarna de twee resterende balken met de dunne staaf horizontaal op de vier staande balken, zodat elke horizontale balk rust op twee verticale balken.

Boor vervolgens in totaal 8 gaatjes aan de buitenkant van het houten frame. Zorg er voor dat elke hoek twee gaatjes krijgt: één gaatje, twee centimeter boven de verticale balk, en één gaatje, 4cm recht onder het eerste gaatje. Het maakt niet uit aan welke kant van het frame de gaatjes komen, zolang het maar aan de buitenkant is.

Stop de verbindingsplaatjes tegen het frame, zodat de geboorde gaatjes door de gaatjes van elk verbindingsplaatje staat. Schroef daarna de 8 houtschroeven in de gaatjes, met de verbindingsplaatjes ertussen.

De elektromagneet in het systeem kan zelf gemaakt worden, zoals wordt beschreven in deze stap, maar elke elektromagneet vanaf een sterkte van 2mT kan worden gebruikt voor de opstelling.

Ontwerp de holle spoelkern voor de 3d-printer. De holle spoelkern moet bestaan uit drie cilinders, waarbij de buitenste twee een grotere radius hebben dan de binnenste.

Middelste cilinder:

1. binnenradius 12.5mm,
2. buitenradius 15mm.

Buitenste cilinders:

1. binnenradius 15mm
2. buitenradius 19mm.

De lengte van de spoel is 40mm.

Om de spoelkern te wikkelen met koperdraad met behulp van een wikkelmachine, is er een gaatje nodig in één van de buitenste cilinders. Wij hebben gebruik gemaakt van Tinkercad om de spoel te ontwerpen voor de 3d-printer. Dit ontwerp is hier toegevoegd en kan gebruikt worden. (Als je geen beschikking hebt tot een 3d-printer, kan je op zoek gaan naar materialen die soortgelijke afmetingen hebben. Let hierbij wel op dat dit materiaal ferromagnetisch is.)

Nadat de spoel is geprint, kan de spoel gewikkeld worden. Maak de spoel vast in de wikkelmachine en bevestig Ø0.22mm draad met behulp van het gaatje aan de spoel. Laat vervolgens 800 windingen wikkelen.

Soldeer hierna soepel draad aan de uiteindes van het koperdraad zodat de draad mindel snel zal breken. Let op: hiervoor moet eerst de geïsoleerde laag worden weggesmolten. Soldeer hierna twee kabels met een male uiteinde hieraan zodat de spoel later aangesloten kan worden op het breadboard. Deze twee stappen zouden eventueel ook in één keer kunnen worden gedaan. Tip; gebruik tape om de draden na het solderen vast te zetten voor extra versteviging.

De holle spoelkern is gemaakt van kunststof. Kunststof kan een magneetveld creëren, maar zal niet heel sterk zijn. Om het magneetveld te versterken kan een kern van ferromagnetisch materiaal worden gebruikt dat in de holle spoelkern wordt geplaatst. Hierbij kan ijzer een goede keuze zijn.

Nu is het tijd om te beginnen aan het circuit.

In het circuit wordt stroom geleverd door een spanningsblok die aangesloten is aan een stopcontact/stekkerdoos. Deze levert 12 Volt aan spanning in het breadboard. Bevestig de splitser aan het spanningsblok. Maar hier vervolgens kabels aan vast die in het breadboard passen. Stop de plus en de min van deze draden in de plus en de min van het breadboard. Pas op: verbind het spanningsblok nog niet met het stopcontact voor veiligheid.

Nu kan je de spoel aansluiten op het breadboard. Sluit het ene draadje van de spoel op de min kant van het breadboard en het andere draadje op een elektrische switch in de 'mostly off kanaal'. Let hierbij op dat deze switch meer dan 12 V aan kan. Sluit A_0 poort van de Arduino aan op de mostly on kanaal van de switch. Verbind de ground van de Arduino met de achterkant van de switch en met de min kant van het breadboard.

Sluit de V_in van de Arduino aan op de plus kant van het breadboard en de 5V aan op de achterkant van de switch. Verbind hierna de I_7 port aan op de S kabel van de achterkant van de switch.

Download nu de code die hier onder is toegevoegd. Zorg ervoor dat het spanningsbolk niet aan gesloten is als de code aan het downloaden is. Verwijder de laptop na het downloaden en stop het spanningsblok in het stopcontact. Nu kan je testen of de code werkt en de spoel werkt.

Hoe het werkt:

Doordat de spoel wordt aangesloten op een circuit met een relais, batterij en Arduino kan de spoel functioneren als zowel een sensor als elektromagneet. Hiervoor is er een circuit ontworpen dat kan schakelen tussen het registreren van de inductiestroom, die gaat lopen wanneer de magneet van de slinger in de buurt komt van de spoel, en het laten lopen van een stroom door de spoel zodat er een aantrekkend magneetveld wordt gecreëerd door de spoel.

Nu zijn alle onderdelen klaar om te combineren. Zet de elektromagneet recht onder de slinger en leidt de draden van het circuit naar één kant. Stop het spanningsblok in het stopcontact en dan heb je je eeuwige slinger klaar.

Tip: je kan de spoel afdekken door karton vast te plakken met ducttape rondom de elektromagneet zodat het nog meer lijkt alsof de slinger uit zichzelf voor altijd beweegt.