Левитрон игрушка как работает
Обновлено: 02.05.2024
В данной статье рассмотрим электронную начинку подобных устройств, принцип работы и метод настройки. До сих пор мне встречались описания готовых фабричных изделий, очень красивых, и весьма не дешевых. Во всяком случае, при беглом поиске цены начинаются от десяти тысяч рублей. Я предлагаю описание китайского набора для самостоятельной сборки за 1.5 тысячи.
Прежде всего, необходимо уточнить, о чем именно пойдет речь. Существует великое множество магнитных левитаторов, причем разнообразие конкретных реализаций поражает воображение. Такие варианты, когда постоянные магниты в силу особенностей конструкции расположены одноименными полюсами друг к другу, ныне никому не интересны, но есть варианты более хитрые. Например такой:
Принцип работы описан неоднократно, сказать коротко — там постоянный магнит висит в магнитном поле соленоида, напряженность которого зависит от сигнала датчика холла.
Противоположным полюсом магнит не переворачивается благодаря тому, что вмонтирован в муляж глобуса, заметно смещающий центр тяжести вниз. Электронная схема устройства очень проста, и почти не нуждается в настройке.
Встречаются варианты реализации подобных проектов на ардуино, но это из серии «зачем просто, когда можно сложно».
Данная статья посвящена другому варианту, где вместо подвеса используется подставка:
Вместо глобуса возможен цветочек, или что-то другое, как подскажет фантазия. Серийное производство таких игрушек налажено, но цены никого не радуют. На просторах али экспресс мне встретился такой вот набор деталей,
который представляет собой электронную начинку подставки. Цена вопроса — 1,5 тысячи рублей, если выбран «Seller`s metod».
По итогам общения с продавцом, удалось получить схему устройства, и инструкцию по настройке на китайском языке. Что меня особенно умилило, продавец предоставил ссылку на видео, где специалист все подробно рассказывает тоже по китайски. Между тем, собранная конструкция требует грамотной и кропотливой наладки, «с ходу» ее запустить не реально. Вот почему я решил обогатить рунет инструкцией на русском.
Итак, по порядку. Печатную плату делали в очень хорошем месте, как оказалось, она даже четырехслойная, что совершенно излишне. Качество исполнения на высоте и шелкографией все нарисовано толково и подробно. В первую очередь удобнее впаять датчики Холла, причем очень важно расположить их правильно. Фото крупным планом прилагается.
Чувствительная поверхность датчиков должна оказаться на половине высоты соленоидов.
Третий датчик, который изогнут буквой «Г» можно поднять чуть выше. Его положение, кстати, не особо критично — он служит для автоматического включения питания.
Я бы рекомендовал крепить соленоиды так, чтоб выводы от начала обмотки оказались сверху. Так они ровнее встанут, и риск замыкания меньше. Четыре соленоида образуют квадрат, необходимо попарно соединить диагонали. На моей плате одна диагональ была обозначена X1,Y1, а другая — X2,Y2.
Не факт, что вам попадется такая же. Важен принцип: берем диагональ, внутренние выводы катушек соединяем вместе, внешние — в схему. Магнитные поля, создаваемые каждой из пар катушек должны быть противоположными.
Четыре столбика постоянных магнитов необходимо крепить так, чтобы они все смотрели в одну сторону. Не важно, северным или южным полюсом, важно, чтоб не в разнобой.
После этого спокойно разбираемся с детальками и втыкаем их согласно шелкографии. Лужение и металлизация великолепные, паять такую плату — одно удовольствие.
Теперь настало время вникнуть в работу электронной схемы.
Немного отдельно расположен узел J3 — U5A — Q5. Элемент J3 — это тот датчик Холла, который выше всех и на загнутых ногах. Это не что иное, как автомат включения питания устройства. Датчик J3 определяет сам факт наличия поплавка над всей конструкцией. Поставили поплавок — питание включилось. Убрали — выключилось. Это очень логично, поскольку без поплавка работа схемы теряет смысл.
Если не подавать питание, поплавок намертво прилипает к одному из магнитных столбиков. Обращаю внимание: это правильно, так и должно быть. Поплавок должен быть повернут именно этой стороной. Отталкиваться он начинает лишь тогда, когда находится строго по центру конструкции. Но пока электроника не работает, он неизбежно сваливается на одну из вершин квадрата.
Регулятор устроен так: две симметричные половины, два дифференциальных усилителя, каждый получает сигнал от своего датчика Холла и управляет H — мостом, нагрузкой которому служит пара соленоидов.
Один из усилителей LM324, например, U1D — принимает сигнал датчика J1, два других — U1B и U1C служат драйверами H-моста, образованного транзисторами Q1, Q2, Q3, Q4. Пока поплавок находится в центре квадрата, усилитель U1D должен быть в балансе, и оба плеча H-моста закрыты. Едва поплавок смещается в сторону одного из соленоидов, изменяется сигнал с датчика J1, какая-то половинка H-моста открывается, и соленоиды индуцируют противоположные магнитные поля. Тот, который к поплавку ближе, должен его отталкивать. а который дальше — наоборот, притягивать. В результате поплавок уходит туда, откуда пришел. Если поплавок улетит обратно слишком сильно, будет открыто другое плечо H-моста, полярность питания пары соленоидов изменится, и поплавок опять пойдет к центру.
Вторая диагональ на транзисторах Q6, Q7, Q8, Q9 Работает точно так же. Разумеется, если напутать фазировку катушек или монтаж датчиков, все будет совсем не так, и устройство работать не будет.
Но кто вам мешает собрать все правильно?
Теперь, когда мы разобрались в электронной схеме, вопрос с настройкой прояснился.
Надо закрепить поплавок в центре, и установить движки потенциометров R10 и R22 таким образом, чтобы оба плеча обоих H-мостов были закрыты. Ну, скажем, «закрепить» — это я погорячился, наверное можно подержать поплавок руками, точнее, одной рукой, а второй рукой крутить поочередно два многооборотных резистора. Как выяснилось, эти резисторы неспроста многооборотные — буквально пол оборота на одном из них, и настройка слетает. Откуда растут мои руки — секрет, но на ощупь я не смог уловить изменений поведения поплавка в зависимости от положения движка потенциометра. Осмелюсь предположить, что разработчик испытывал такие же трудности, а потому предусмотрел на плате две такие перемычки.
Видите вверху слева и справа два джампера? Они разрывают цепь между парой соленоидов и H-мостом. Польза от них двоякая: убрав одну из перемычек, можно напрочь отключить одну из диагоналей, а включив вместо другой амперметр, можно видеть, в каком состоянии находится H-мост другой диагонали.
В качестве лирического отступления замечу, что если на обоих диагоналях H-мосты окажутся полностью открытыми — потребляемый ток может достигать трех ампер. В таких условиях транзистору Q5 будет очень непросто остаться в живых. К счастью, кратковременно он такую нагрузку выдерживает, но вам ведь надо крутить два многооборотных резистора, причем заранее неизвестно, куда.
Так что для предварительной настройки я настоятельно рекомендую возиться с каждой диагональю отдельно: вторую выключать джампером, чтобы Q5 не дымил.
Поскольку ток, проходящий через соленоиды может менять направление, китайцы имеют в хозяйстве такие амперметры, у которых стрелка стоит вертикально посредине шкалы. А потому им хорошо и комфортно: выдергивают джамперы, втыкают амперметры в разрывы, и спокойно крутят резисторы до тех пор, пока стрелки не уйдут в нули.
Мне пришлось одну перемычку оставлять открытой, а в разрыв другой включать старый советский тестер в режиме амперметра с пределом измерения на 10 ампер. Если ток оказывался обратным, тестер глухо зашкаливал влево, и я терпеливо крутил винтик, пока тестер не возвращался к нулю. Только так и удалось сделать предварительную настройку. Далее можно было включить обе диагонали, и подгонять регулировку, добиваясь максимальной устойчивости поплавка. Также можно контролировать общий ток, потребляемый устройством: чем он меньше. тем точней настройка.
По привычке, корпус левитрона я напечатал на 3D принтере. Получилось не настолько красиво, как в готовой игрушке за десять тысяч, но меня интересовал технический принцип, а не эстетика.
Начитался тут всяких интернетов и решил сваять свой собственный левитрон, без всяких цифровых глупостей. Сказано – сделано. Выкладываю муки творчества на всеобщее обозрение.
1.Краткое описание
Левитрон – это устройство, удерживающее объект в равновесии с силами гравитации с помощью магнитного поля. Давно известно, что невозможно левитировать объект, используя статичные магнитные поля. В школьной физике это называлось состоянием неустойчивого равновесия, насколько я помню. Однако, затратив немного желания, знаний, усилий, денег и времени, возможно левитировать объект динамически путем использования электроники в качестве обратной связи.
Получилось вот что:
2.Фунциональная схема
Электро-магнитные датчики, расположенные на торцах катушки, выдают напряжение, пропорциональное уровню магнитной индукции. В случае отсутствия внешнего магнитного поля эти напряжения будут одинаковы вне зависимости от величины тока катушки.
При наличии постоянного магнита вблизи нижнего датчика блок управления будет формировать сигнал, пропорциональный полю магнита, усиливать его до нужного уровня и передавать на ШИМ для управления током через катушку. Таким образом, возникает обратная связь и катушка будет генерировать такое магнитное поле, которое будет удерживать магнит в равновесии с силами гравитации.
Что-то заумно все получилось, попробую по другому:
— Нет никакого магнита — индукция на торцах катушки одинакова — сигнал с датчиков одинаков — блок управления выдает минимальный сигнал — катушка работает на всю мощь;
— Близко поднесли магнит — индукция сильно разная — сигналы от датчиков сильно разные — блок управления выдает максимальный сигнал — катушка отключается совсем — магнит никто не держит и он начинает падать;
— Манит падает — отдаляется от катушки — разница сигналов с датчиков уменьшается — блок управления уменьшает выходной сигнал — ток через катушку увеличивается — увеличивается индукция катушки — магнит начинает притягиваться;
— Манит притягивается — приближается к катушке — разница сигналов с датчиков увеличивается — блок управления увеличивает выходной сигнал — ток через катушку уменьшается — уменьшается индукция катушки — магнит начинает падать;
— Чудо — магнит не падает и не притягивается — вернее, и падает и притягивается несколько тысяч раз в секунду — то есть возникает динамическое равновесие — магнит просто висит в воздухе.
3.Конструкция
Главным элементом конструкции является электро-магнитная катушка (соленоид), которая и удерживает своим полем постоянный магнит.
На пластиковый каркас D36x48 плотно намотано 78 метров медного эмалированного провода диаметром 0.6 мм, получилось где-то 600 витков. По расчетам, при сопротивлении 4.8Ом и питании 12В, ток будет 2.5А, мощность 30Вт. Это необходимо для подбора внешнего блока питания. (По факту получилось 6.0Ом, вряд ли нарезали больше провода, скорее сэкономили на диаметре.)
Внутрь катушки вставлен стальной сердечник от дверной петли диаметром 20мм. На его торцах с помощью термоклея закреплены датчики, которые обязательно должны быть ориентированы в одинаковом направлении.
Катушка с датчиками закреплена на кронштейне из алюминиевой полосы, который, в свою очередь, крепится к корпусу, внутри которого находится плата управления.
На корпусе расположен светодиод, выключатель и гнездо питания.
Внешний блок питания (GA-1040U) взят с запасом по мощности и обеспечивает ток до 3.2А при 12В.
В качестве левтитрующего объекта используется N35H магнит D15x5 с приклеенной банкой из под кока-колы. Сразу скажу, что полная банка не годится, поэтому тонким сверлом делаем отверстия по торцам, сливаем ценный напиток (можно выпить если не боитесь стружки) и к верхнему колечку клеим магнит.
4.Принципиальная схема
Сигналы с датчиков U1 и U2 подаются на операционный усилитель OP1/4, включенный по дифференциальной схеме. Верхний датчик U1 подключен к инвертирующему входу, нижний U2 – к неинвертирующему, то есть сигналы вычитаются, и на выходе OP1/4 получаем напряжение, пропорциональное только уровню магнитной индукции, создаваемому постоянным магнитом вблизи нижнего датчика U2.
Комбинация элементов C1,R6 и R7 является изюминкой данной схемы и позволяет достичь эффекта полной стабильности, магнит будет висеть как вкопанный. Как это работает? Постоянная составляющая сигнала проходит через делитель R6R7 и ослабляется в 11 раз. Переменная составляющая проходит через фильтр C1R7 без ослабления. Откуда вообще берется переменная составляющая? Постоянная часть зависит от положения магнита вблизи нижнего датчика, переменная часть возникает из-за колебаний магнита вокруг точки равновесия, т.е. от изменения положения во времени, т.е. от скорости. Нам интересно, чтобы магнит был неподвижен, т.е. его скорость была равна 0. Таким образом, в управляющем сигнале мы имеем две составляющих – постоянная отвечает за положение, а переменная – за стабильность этого положения.
Далее, подготовленный сигнал усиливается на OP1/3. С помощью переменного резистора P2 устанавливается необходимый коэффициент усиления на этапе настройки для достижения равновесия в зависимости от конкретных параметров магнита и катушки.
На OP1/1 собран простой компаратор, который отключает ШИМ и, соответственно, катушку, когда рядом нет магнита. Очень удобная вещь, не надо вынимать блок питания из розетки если убрали магнит. Уровень срабатывания задается переменным резистором P1.
Далее, управляющий сигнал подается на широтно-импульсный модулятор U3. Размах выходного напряжения 12В, частота выходных импульсов задается номиналами C2,R10 и P3, а скважность зависит от уровня входного сигнала на входе DTC.
ШИМ управляет переключением силового транзистора T1, а тот, в свою очередь, током через катушку.
Светодиод LED1 можно и не ставить, а вот диод SD1 нужен обязятельно, для слива лишнего тока и избежания перенапряжения в моменты выключения катушки из-за явления самоиндукции.
NL1 – это наша самодельная катушка, коей посвящен отдельный раздел.
В результате, в режиме равновесия, картина будет примерно такая: U1_OUT=2.9V, U2_OUT=3.6V, OP1/4_OUT=0.7V, U3_IN=1.8V, T1_OPEN=25%, NL1_CURR=0.5A.
Для наглядности прикладываю графики передаточной характеристики, АЧХ и ФЧХ, и осциллогаммы на выходе ШИМ и катушки.
5.Выбор компонентов
Устройство собрано из недорогих и доступных компонентов. Самой дорогой оказалась медная проволока WIK06N, за 78 метров WIK06N заплатил 1200 руб, все остальное, вместе взятое, обошлось значительно дешевле. Тут вообще широкое поле для экспериментов, можно обойтись без сердечника, можно взять проволоку потоньше. Главное не забывать, что индукция по оси катушки зависит от количества витков, тока по ним и геометрии катушки.
В качестве датчиков магнитного поля U1 и U2 используются аналоговые датчики Холла SS496A с линейной характеристикой вплоть до 840Гс, это самое то для нашего случая. При использовании аналогов с другой чувствительностью потребуется корректировка коэффициента усиления на OP1/3, а также проверка на уровень максимальной индукции на торцах вашей катушки (в нашем случае с сердечником она достигает 500Гс), чтобы датчики не входили в насыщение при пиковой нагрузке.
OP1 -это счетверенный операционный усилитель LM324N. При выключенной катушке выдает 20мВ вместо нуля на 14 выходе, но это вполне приемлемо. Главное не забыть выбрать из кучки 100К резисторов наиболее близкие по фактическому номиналу для установки в качестве R1,R2,R3,R4.
Номиналы C1,R6 и R7 выбраны путем проб и ошибок как самый оптимальный вариант для стабилизации магнитов разных калибров (тестировались N35H магниты D27x8, D15x5 и D12x3). Соотношение R6/R7 можно оставить как есть, а номинал C1 увеличивать до 2-5мкФ, в случае возникновения проблем.
При использовании очень маленьких магнитов, вам возможно будет не хватать коэффициента усиления, в этом случае урежьте номинал R8 до 500Ом.
D1 и D2 это обычные выпрямительные диоды 1N4001, тут подойдут любые.
В качестве широтно-импульсного модулятора U3 используется распространенная микросхема TL494CN. Частота работы задается элементами C2, R10 и P3 (по схеме 20кГц). Оптимальный диапазон 20-30кГц, при меньшей частоте появляется свист катушки. Вместо R10 и P3 можно просто поставить резистор 5.6K.
T1 это полевой транзистор IRFZ44N, подойдет и любой другой из этой же серии. При выборе других транзисторов может потребоваться установка радиатора, ориентируйтесь на минимальные значения сопротивления канала и заряда затвора.
SD1 это диод шоттки VS-25CTQ045, тут я хватанул с большим запасом, подойдет и обычный быстродействующий диод, но, возможно, будет сильно греться.
LED1 желтый светодиод L-63YT, здесь, как говорится, на вкус и цвет, можно их и побольше наставить, чтобы все светилось разноцветными огнями.
U4 это стабилизатор напряжения 5В L78L05ACZ для питания датчиков и операционного усилителя. При использовании внешнего блока питания с дополнительным выходом 5В, можно обойись и без него, но конденсаторы лучше оставить.
6.Заключение
Все получилось как задумано. Устройство стабильно работает круглые сутки, потребляет всего 6Вт. Ни диод, ни катушка, ни транзистор не греются. Прикладываю еще пару фоток и финальное видео:
7. Дисклаймер
Я не электронщик и не писатель, просто решил поделиться опытом. Может что-то покажется вам слишком очевидным, а что-то слишком сложным, а о чем-то забыл упомянуть вообще. Не стесняйтесь вносить конструктивные предложения и по тексту и по улучшению схемы, чтобы люди могли запросто это повторить, если будет такое желание.
Левитрон — приспособление, которое при вращении повисает в воздухе над основной коробкой. В ней, в свою очередь, размещены магниты, создающие встречное магнитное поле, не дающее волчку покинуть локацию этого поля.
Что это такое?
Левитрон формирует отталкивающее волчок магнитное поле, позволяя тому перемещаться лишь в определённой точке. Магнитный поток, создаваемый основной коробкой с магнитами, уравновешивает подвес волчка со всех сторон. Отталкивающее магнитное поле образует в воздухе своеобразную гравитационную подушку, одинаковую по силовым линиям с любой из сторон, если смотреть относительно горизонтальной плоскости, параллельной верхней грани коробки.
Волчку, зависшему над упаковкой с магнитами, обязательно нужно вращательное движение, и должно оно быть с относительно постоянной угловой скоростью. Если этот волчок (парящую болванку) остановить, то он перевернётся и притянется, так как нижний его полюс, обращённый к коробке, сменится на противоположный. Этот принцип работы лежит в основе всех подобных установок, в которых роль упругого материала, не дающего грузу упасть, выполняют силовые линии. Второе обязательное условие, помимо вращения, — магниты в упаковке должны быть развёрнуты одним и тем же полюсом вверх.
Для предотвращения соскальзывания и переворачивания они вставлены в несквозные отверстия и жёстко зафиксированы, например, при помощи универсального клея.
Виды изделий
Левитирующая фоторамка состоит из внешнего и внутреннего контуров. Во внешнем размещены направляющие и сосредотачивающие своё поле магниты. Во внутреннем — магнит самого волчка. В сам внутренний контур вставляются одна или две фотографии. Вращаясь, контур с волчком демонстрирует лицевую и оборотную стороны вставленных фото. Рамка с таким устройством способна эффектно украсить стол. Например, геймер, увлекающийся популярными онлайн-играми, помещает две направленные в обе стороны фотографии одного или двух любимых персонажей. Внутренний контур такой фоторамки выполнен, например, в виде сердца, символизирующего любовь и симпатию к этим вымышленным героям. А попав во время стриминга в изображение с веб-камеры, геймер выделится этой «фишкой» и привлечёт внимание новых подписчиков его же собственного видеоканала. В иных случаях левитирующая фоторамка становится предметом интерьера комнаты, украшением для дома.
Левитирующая подставка для посуды включает встроенный в дно, например, салатницы или вазы для цветов, магнит волчка. Однако несимметричные ручки у посуды, например, у литровой кастрюли для приготовления первых блюд на одного человека или скоровороды, разбалансируют волчок.
Предмет посуды перевернётся, притянувшись и опрокинув на стол приготовленное блюдо.
Звуковая колонка должна быть круглой, однородной, работать от аккумулятора «на борту», быть беспроводной, например, звуковоспроизводящий динамик с Bluetooth. Все детали тщательно уравновешиваются отбалансированной компоновкой. При работающей на «басах» виброотдаче колонка колеблется, будучи парящей в воздухе.
Прочие подарки и сувениры: часы с видом циферблата сверху, стакан или кружка со смещённым центром тяжести (из-за наличия ручки сбоку), цветочный горшок, маленькая ёлка в виде сувенира, мини-дерево, выполненное как бонсай. А также искусственная луна (желтоватый шар с лунной текстурой поверхности), круглая декоративная мини-полка и другие подарки должны быть тщательно отцентрованы. Малейший дисбаланс центра масс способен превратить левитрон в непонятный с виду предмет, притянувшийся «не той» стороной и стоящий криво.
Это же относится к объёмным предметам, сохранившим лёгкость по общей собственной массе. Например, это может быть декоративное облако с разноцветной светодиодной подсветкой, оригинальная фигурка в виде пенопластового снеговика с нарисованным лицом и многое другое.
Все эти изделия не обходятся без платформы с основным набором магнитов, формирующих магнитное кольцо с гравитационным провалом в центре, в котором и балансирует волчок.
Как сделать своими руками?
В домашних условиях воссоздать левитрон крайне просто. Первым делом необходим подходящий чертёж изделия, без которого изготовление качественной, по-настоящему безотказной левитирующей площадки и подвижного объекта крайне затруднительно.
Подготовка
Подбор инструментария включает в себя: болгарку с набором отрезных дисков по дереву и металлу, лобзик с пильными полотнами по дереву, электродрель с корончатыми, конусными и/или перьевыми свёрлами, строительный маркер, (штанген) циркуль, карандаш, рулетку, линейку-угольник, транспортир.
Из материалов, кроме плоских цилиндрических магнитов, потребуются: доска из натуральной древесины или отрезок бруса, универсальный клей (можно применить «Момент-1» или термоклей в пистолете), а также дополнительные материалы. Нередко вместо набора неодимовых магнитов применяют мощный ферритовый (классический) магнитик, извлечённый из динамика большой мощности и габаритов. В последнем случае это динамические головки сабвуферов, входящих в стационарную электроакустическую установку. Потребуется очень аккуратное извлечение ферритового магнита: несмотря на твёрдость, он очень легко ломается, и собрать его отколовшиеся части окажется весьма трудным делом.
Кольцевой магнит, получивший сколы, а тем более треснувший насквозь, выдаст неидеальное, разбалансированное магнитное поле, в котором волчок, скорее всего, гарантированно завалится набок.
Схема изготовления
Для изготовления левитрона выполните следующие шаги.
Разметьте отрезок доски, в которой размещаются магниты, по внешней дуге окружности с помощью циркуля. Выпилите с помощью лобзика требуемый кусок.
- Отшлифуйте края, доведя деревянную основу до состояния идеального круга. Это делается при помощи болгарки или точила, но идеальнее всего доводка деревянного круга выполняется всё-таки на токарном или сверлильном станке, в патроне которого зажата ось. В центре просверливается небольшое отверстие для этой оси, а закреплена она может быть при помощи поперечных штифтов.
- Разметьте под магниты глухие отверстия — идеально круглые выемки. С помощью дрели и сверлящей коронки, конусно-ступенчатого сверла, либо фрезы на фрезере подходящего размера высверлите их. Так, 6 магнитов располагаются в виде правильного шестигранника, 13 — в виде 13-угольника, и так далее. Магнитов может быть и больше.
- Запрессуйте эти магниты. Они должны входить плотно — отверстия предварительно высверливаются точь-в-точь по диаметру магнитов. Для большей надёжности посадите их на клей. Опытные мастера разводят эпоксидный клей с образовавшимися при сверлении опилками (деревянной стружкой) и «намертво» заливают магниты, чтобы те не имели никаких шансов выпасть. Шероховатая внутренняя поверхность высверленных под магниты отверстий (выемок) надёжно удерживает эпоксидную заливку — изделие получается практически «вечным».
- Основание с магнитами готово. Они расположены одним и тем же полюсом — например, N — вверх. Этим же полюсом к ним повёрнут магнит волчка. Для изготовления самого волчка сделайте следующее. Отрежьте кусок от цельного карандаша — длина его составит 4 см. Убедитесь, что конец карандаша заострён идеально, лучше это сделать точилкой.
- Накрутите отрезок изоленты или скотча на карандаш. Это понадобится, чтобы кольцевой магнит равномерно, равноудалённо от центра наделся на отрезок карандаша. В данном случае, полюс N кольцевого магнита повернётся вниз — встречно к магнитам в отрезке деревянного основания, изготовленного по предыдущей инструкции.
Поэкспериментируйте с массой и уровнем расположения центра тяжести волчка. Это даст ему возможность вращаться и парить над основой левитатора без перекосов. Продолжайте центровать волчок, при каждой проверке закручивая его вокруг своей оси, пока его не перестанет мотать в разные стороны.
В качестве альтернативы — электромагнитное основание для волчка. Вместо магнитов берутся готовые круглые, или изготавливаются самостоятельно, катушки с железными сердечниками. Требуется предельная точность во всём — от расположения катушек до числа их витков. Расположите их идеально ровно, равноудаленно от волчка. Возможно, потребуется плата с импульсным драйвером — последовательная подача постоянных импульсов тока или синусоиды переменного напряжения превратит левитрон в воздушный безрамный двигатель. Недостаток — такой левитрон работает от батареек. Впрочем, и обычный, механический, на постоянных магнитах, левитирующий сувенир не вращается бесконечно, так как ни одна из магнитных установок не является вечным двигателем. Крутить его хотя бы пальцами всё равно придётся.
В следующем видео инструкция по изготовлению представлена более подробно.
Левитирующие предметы – вещи, парящие в воздухе за счёт магнитного отталкивания или подвесов, взаимно компенсирующих действие друг друга. Наряду со столами, такими предметами могут стать, к примеру, обычные светодиодные лампочки, потребляющие сравнительно мало электроэнергии по сравнению с лампами накаливания.
Что это такое?
Левитирующая лампа, или парящий светильник, – по сути, лампочка, не соприкасающаяся непосредственно со своей основой, в качестве которой выступает светильник. В обычный светильник эта лампочка вкрутилась бы – чтобы обеспечить устойчивое свечение. В левитирующем светильнике её притяжение обеспечивается за счёт магнитов. Но это притяжение не является окончательным, т. к. при приближении на определённое расстояние к светильнику лампочка не притягивается, а зависает на нём.
Принцип работы
Между левитирующей лампочкой и смартфоном с беспроводной зарядкой есть важное сходство: передача электричества от источника (базы или основы) к приёмнику (прикладываемому изделию) осуществляется за счёт электромагнитной индукции – вроде той, что возникает в трансформаторах при понижении сетевого напряжения с опасного для жизни человека значения до относительно безопасного. Прикладывая смартфон к беспроводной «док-станции», вы даёте ему возможность подзарядиться. Аналогично и с лампочкой: в идеале дав ей полностью притянуться к магнитам, вы заставляете её светиться. В состав бесконтактного вторичного источника энергии входят катушки с сердечниками – в принимающем устройстве они также есть. Только смартфон притягивается полностью к «базе», а лампочка останавливается на небольшом расстоянии от «беспроводного патрона» и начинает светить.
Если светильник внезапно отключится, к примеру, при внезапном отключении подачи напряжения в сеть квартиры или дома, то лампочка не упадёт.
Система защиты продумана таким образом, что лампочка, наоборот, окончательно притянется к патрону. Дело в том, что отталкивание производится за счёт электромагнитов – притяжение же, в свою очередь, формируется обычными постоянными (например, неодимовыми) магнитами. После того как подача питающего тока в светильник восстановится, оттяните лампочку от патрона – она вновь будет парить на своём штатном месте. Сама же система защиты работает за счёт датчиков Холла и катушек, подстраивающих магнитный поток, – в целях недопущения падения лампочки.
Разновидности
Данное изобретение вылилось в конкретные разновидности. Теперь это не просто парящая над (или под) подставкой лампочка. Так, настольные осветительные приборы Missione Fly и Missione Loft устроены следующим образом: первый – это парящая над подставкой лампочка, второй – наоборот, свисающая. Активация и выключение этого предмета интерьера – а это не просто светильник, а необычное для новичков украшение комнаты – происходит за счёт сенсорного выключателя, предельно скрытого в нижней части (подставке) и убранного подальше от неискушённого в подобных вещах наблюдателя.
Другие производители, к примеру, Flyte и Volta, также перешли на производство парящих над подставкой лампочек.
Но в лидеры по дизайнерским решениям выбился ещё один из производителей, предложив рынку левитирующих предметов свою разработку – светильник Heng Balance Lamp. Выключатель выполнен в виде двух подвешенных на шнурках шариков с магнитами и катушками, которые нужно вручную подвести друг к другу, чтобы светильник засветился. Подсвечивающая рамка выполнена в виде эллипсоида, в котором расположены светодиоды, потребляющие мало электроэнергии. Размыкание (разведение) шариков, в свою очередь, гасит свет. Разработчики остановились также на круглой и квадратной формах светоэлемента.
В качестве иных разновидностей – своеобразная «антигравитационная фонтанная», левитирующее облако, «Луна» с левитирующим выключателем и т. д. Первая представляет собой декоративный комнатный светильник, имеющий вид фонтана или метёлки, составные прутья которого изготовлены из декоративного оптического волокна, передающего свет в виде светящихся мелких точек на концах этих прутьев. Внешне он отдалённо похож на своеобразный «поющий фонтан»: разработчики не останавливаются на достигнутых результатах и встраивают в подобные светильники диммеры, управляющие цветным свечением светодиодов, излучающих красный, синий и зелёный цвета.
Второй вариант – декоративное облако из прозрачных для белого света материалов. Само «облако» можно изготовить, к примеру, из оптической эпоксидки, которая играет роль изрезанной линзы сложной формы, выполненной в виде неправильного многогранника с сотнями граней. В результате, к примеру, на белой стене рядом формируются причудливые пучки преломленных сложным образом лучей света.
Светодиоды, залитые в «облаке», также меняют своё свечение с помощью диммера.
Впрочем, лампочка в виде облака может выпускаться и в виде голубого шара, на котором нарисованы облака.
Наконец, последний из вариантов напоминает собой декоративную лампочку с неровной текстурой и матовой поверхностью. Благодаря тёплому свету подсвечивающей внутреннюю сторону плафона лампочки последняя похожа на Луну. На поверхность плафона нанесена лунная текстура – она видна, лишь когда светодиоды внутри шара светятся. Без света это простой белый шар. Как и шарообразное «облако», он поворачивается, пока левитирующая подставка включена.
Однажды у меня возникла навязчивая идея подвесить предмет в воздухе за счёт лишь одного магнитного поля. И хотя теорема Ирншоу доказывает, что, используя только магниты невозможно удержать объект в гравитационном поле, с помощью дополнительных механизмов корректировки такая левитация возможна.
Конечно, самый простой в реализации способ корректировки — использование гироскопических сил. Но он не интересен в виду ограниченного времени висения. Поэтому было решено использовать для корректировки датчики Холла, определяющие смещения левитирующего магнита от положения неустойчивого равновесия и электромагниты для возврата его в точку равновесия.
Краткое гугление привело меня на форум радиокота, где, как оказалось, группа энтузиастов активно обсуждала реализацию подобных схем коррекции. Я решил не изобретать велосипед и собрать уже разработанную ими схему:
Принцип действия её прост. Когда левитирующий магнит смещается от положения равновесия, возникает изменение конфигурации магнитного поля, приводящее к возникновению разного напряжения на выходах датчиков Холла (SS495A). Каждый датчик Холла выдает сигнал на два дифференциально включённых операционных усилителя (LM324), на прямой вход одного и инвертирующий другого. Напряжение с ОУ идёт на затворы mosfet транзисторов (IRF7389), управляющих током через электромагниты. В результате электромагниты изменяют магнитное поле так, что левитирующий магнит возвращается назад в точку неустойчивого равновесия. То есть по факту магнит не висит, а совершает колебания вблизи точки равновесия с большой частотой и малой амплитудой.
Рисунок платы я подглядел там же. Так что вооружившись текстолитом, лазерным принтером и термопрессом я приступил к её изготовлению:
Электромагниты я нашёл в шаговом двигателе старого FDD 5.25". Они оказались чуть больше по размеру, чем я ожидал. Приклеил их на двухстороннем скотче.
Постоянные магниты для подставки и левитирующую фишку заказал в интернете.
Первый пуск! Полёт нормальный!
Грузоподъёмности вполне хватило что бы поднять фигурку тигрёнка.
В процессе тестирования и отладки левитроном крайне заинтересовался мой кот. И если сначала он лишь наблюдал со стороны, то потом…
Он осмелился подойти ближе. И через десяток секунд с силой ударил лапой по тигрёнку, что привело к его падению на подставку и расколу одного из магнитов…
Так что я решил сделать защитный корпус из фанеры. Нарисовал чертёж в OpenSCAD, вырезал в фаблабе Политеха на лазерном станке. Склеил термоклеем (кроме крышки, она держится на трении). В плате засверлил пару отверстий для крепления в корпусе. Получилось вот так:
Левитрон на Geek Picnic 2015 (Санкт-Петербург). Часть магнитов вынес наружу для красоты, накрыл тигра колбой для сохранности.
В последствии, корпус покрыл лаком, приклеил резиновые ножки, а датчики Холла для защиты от случайных сгибаний закрыл пластиковым куполом (см. первое фото)
Читайте также: