تويت
أهمية قوانين الكهرومغناطيسية التي تقف خلف (جهاز التحليق-LEVITRON)
هناك خاصيتان أساسيتان يسهمان ل(جهاز التحليق-LEVITRON) أن يحلق بشكل مستقر.
الخاصية الأولى التنافر المغناطيسي التي تؤمن القوة اللازمة للتحليق.
والخاصية الثانية التأثيرات الجيروسكوبية نظراً لحركة قمته المغزلية التي تقيّم لاستقراره في التحليق.
يتألف (جهاز التحليق-LEVITRON) من قاعدة وقمة، القاعدة هي عبارة عن مغناطيس حلقي يوجه قطبه الشمالي نحو الأعلى.
القمة هي مغناطيس يوجه قطبه الشمالي للأسفل ، يتنافر القطبان الشماليان وبالتالي توفر قوّة صاعدة للقمة يسببها حقل القاعدة المغناطيسي.
المخطط البياني كما نرى في الشكل 1
الشكل 1: شكل مبسّط من (جهاز التحليق-LEVITRON)، القاعدة موجهة مسببة قوة طاردة للقمة.
في الظروف المثالية, قوة الحقل المغناطيسي للقمة توازن قوة الجاذبية الناتجة عن الثقل، ولتحقيق ذلك بين القوتين الموجهتين ليلغي كل منهما الأخر نحتاج لأن تتساوى القوتين مقداراً وأن تتعاكسا إتجاها (قارن بين المخطط 2a و 2b).
(جهاز التحليق-LEVITRON) يعطينا عاملين مساعدين لضمان إلغاء كل من القوى الموجهة للأخرى: كتلة القمة واستواء القاعدة، ويمكنك تعديل كتلة القمة عن طريق إضافة أوإزالة حلقات صغيرة نحاسية أوبلاستيكية أومطاطية، والتي تتوفر مع جهاز levitron.
دعامات القاعدة قابلة للتعديل وذلك لضمان استوائه على أي سطح.
الشكل 2: (a)مخطط القوه عندما يكون الLevitron مستويا، (b) عندما يكون Levitron مائلًا.
غير أن تعديل هذين العاملين فقط غير كافٍ لإحداث الاستقرار، ستبقى هناك انحرافات صغيرة عن حالة التوازن المثالية، ولكن التأثيرات الجيروسكوبية ستحدث هذا الثبات، فحالما تبدأ القمة بالتمايل تحت تأثير القوى المطبقة عليها بسبب كل من الجاذبية وتجاذب الأقطاب المتعاكسة مما يسبب للقمة (عزم دوراني-فتلان) محاولًا سحبها للأسفل باتجاه القاعدة، (القوة الدافعة الزاوية-العزم الزاوي) للقمة ستعني ردة فعل مقاومة لهذا الفتلان ، ليبقى مستويًا في الغالب.
انظر الى الشكل 3
الشكل 3: عزم دوران القمة بسبب مغنطة القاعدة والثقل
التأثير الجيروسكوبي الآخر المسبب للاستقرار عندما تنزاح القمة عن مركزها، والذي سيعيد تنظيمها لتنحاز إلى الحقل المغناطيسي المحلي وتدور بحركة بدارية حوله
ومن غير الواضح بديهياً كيف يسهم ذلك في الاستقرار، ولكن المفتاح ذلك قراءته رياضيًا
يمكننا حساب طاقة الوضع عن طريق تطبيق نظرية “Adiabatic theorem”، والتي لن نتطرق لشرحها، وأما نتائجها فوفقًا لقدرة القمة على إعادة توجيه محور دورانها هناك حد أدنى من الطاقة الكامنة في النظام.
[2] بطريقة أخرى إذا حاد جسم القمّة بمقادير بسيطة سيقوّم حيوده بقوة الوضع الكامنة،
نجد مخطط للحقل في الشكل 4، ونجد صورة لحركة القمة البدارية في الشكل 5
تحت الشكل 4:الانحراف في المنحنى المغناطيسي يسمح بإنشاء منطقة توازن. [3]
تحت الشكل 5: القمة تعيد توجيه دورانها معتمدةً على المجال المغناطيسي المحلي، وتدور بداريًا حول حقل محلي.
هناك عدة أشياء يمكن ملاحظتها في Levitron.
أولها عند تسخين المغناطيس فإن الحقل المغناطيسي يتناقص، وتحتاج كتلة القمة إلى التقييم تبعا للتغير الحاصل.
والآخر إن بدأت القمة تتأرجح فإن عزم دوران القمة سيغلب قابلية القمة للتعديل <<العزم الزاوي>> لذلك من الضروري إبقاء التشويشات الخارجية أقل ما يمكن، فهنالك معدل دوران محدود من أجل ضمان ضمان الاستقرار، عندما تصبح السرعة الزاوية عالية جدًا فإن القمة تعجز عن إعادة توجيه نفسها، وتفقد الحد الأدنى من الطاقة الكامنة، وعند تباطؤ دورانها جداً فإن القمة تفقد القدرة على مضادة عزم الدوران وتسحب للأسفل باتجاه القاعدة، هذا التردد المتدني يسمى “ωcutoff”وفي تجربتنا مع levitron قمنا بحساب قيمته التي تقارب 19.4rps
هناك خاصيتان أساسيتان يسهمان ل(جهاز التحليق-LEVITRON) أن يحلق بشكل مستقر.
الخاصية الأولى التنافر المغناطيسي التي تؤمن القوة اللازمة للتحليق.
والخاصية الثانية التأثيرات الجيروسكوبية نظراً لحركة قمته المغزلية التي تقيّم لاستقراره في التحليق.
يتألف (جهاز التحليق-LEVITRON) من قاعدة وقمة، القاعدة هي عبارة عن مغناطيس حلقي يوجه قطبه الشمالي نحو الأعلى.
القمة هي مغناطيس يوجه قطبه الشمالي للأسفل ، يتنافر القطبان الشماليان وبالتالي توفر قوّة صاعدة للقمة يسببها حقل القاعدة المغناطيسي.
المخطط البياني كما نرى في الشكل 1
الشكل 1: شكل مبسّط من (جهاز التحليق-LEVITRON)، القاعدة موجهة مسببة قوة طاردة للقمة.
في الظروف المثالية, قوة الحقل المغناطيسي للقمة توازن قوة الجاذبية الناتجة عن الثقل، ولتحقيق ذلك بين القوتين الموجهتين ليلغي كل منهما الأخر نحتاج لأن تتساوى القوتين مقداراً وأن تتعاكسا إتجاها (قارن بين المخطط 2a و 2b).
(جهاز التحليق-LEVITRON) يعطينا عاملين مساعدين لضمان إلغاء كل من القوى الموجهة للأخرى: كتلة القمة واستواء القاعدة، ويمكنك تعديل كتلة القمة عن طريق إضافة أوإزالة حلقات صغيرة نحاسية أوبلاستيكية أومطاطية، والتي تتوفر مع جهاز levitron.
دعامات القاعدة قابلة للتعديل وذلك لضمان استوائه على أي سطح.
الشكل 2: (a)مخطط القوه عندما يكون الLevitron مستويا، (b) عندما يكون Levitron مائلًا.
غير أن تعديل هذين العاملين فقط غير كافٍ لإحداث الاستقرار، ستبقى هناك انحرافات صغيرة عن حالة التوازن المثالية، ولكن التأثيرات الجيروسكوبية ستحدث هذا الثبات، فحالما تبدأ القمة بالتمايل تحت تأثير القوى المطبقة عليها بسبب كل من الجاذبية وتجاذب الأقطاب المتعاكسة مما يسبب للقمة (عزم دوراني-فتلان) محاولًا سحبها للأسفل باتجاه القاعدة، (القوة الدافعة الزاوية-العزم الزاوي) للقمة ستعني ردة فعل مقاومة لهذا الفتلان ، ليبقى مستويًا في الغالب.
انظر الى الشكل 3
الشكل 3: عزم دوران القمة بسبب مغنطة القاعدة والثقل
التأثير الجيروسكوبي الآخر المسبب للاستقرار عندما تنزاح القمة عن مركزها، والذي سيعيد تنظيمها لتنحاز إلى الحقل المغناطيسي المحلي وتدور بحركة بدارية حوله
ومن غير الواضح بديهياً كيف يسهم ذلك في الاستقرار، ولكن المفتاح ذلك قراءته رياضيًا
يمكننا حساب طاقة الوضع عن طريق تطبيق نظرية “Adiabatic theorem”، والتي لن نتطرق لشرحها، وأما نتائجها فوفقًا لقدرة القمة على إعادة توجيه محور دورانها هناك حد أدنى من الطاقة الكامنة في النظام.
[2] بطريقة أخرى إذا حاد جسم القمّة بمقادير بسيطة سيقوّم حيوده بقوة الوضع الكامنة،
نجد مخطط للحقل في الشكل 4، ونجد صورة لحركة القمة البدارية في الشكل 5
تحت الشكل 4:الانحراف في المنحنى المغناطيسي يسمح بإنشاء منطقة توازن. [3]
تحت الشكل 5: القمة تعيد توجيه دورانها معتمدةً على المجال المغناطيسي المحلي، وتدور بداريًا حول حقل محلي.
هناك عدة أشياء يمكن ملاحظتها في Levitron.
أولها عند تسخين المغناطيس فإن الحقل المغناطيسي يتناقص، وتحتاج كتلة القمة إلى التقييم تبعا للتغير الحاصل.
والآخر إن بدأت القمة تتأرجح فإن عزم دوران القمة سيغلب قابلية القمة للتعديل <<العزم الزاوي>> لذلك من الضروري إبقاء التشويشات الخارجية أقل ما يمكن، فهنالك معدل دوران محدود من أجل ضمان ضمان الاستقرار، عندما تصبح السرعة الزاوية عالية جدًا فإن القمة تعجز عن إعادة توجيه نفسها، وتفقد الحد الأدنى من الطاقة الكامنة، وعند تباطؤ دورانها جداً فإن القمة تفقد القدرة على مضادة عزم الدوران وتسحب للأسفل باتجاه القاعدة، هذا التردد المتدني يسمى “ωcutoff”وفي تجربتنا مع levitron قمنا بحساب قيمته التي تقارب 19.4rps