Magnetické kyvadlo je ukázkou fyzikálních zákonů v praxi. To naše kombinuje přírodní materiály s neodymovými magnety. Vytvoření vlastního kinetického modelu, ve kterém zavěšený magnet reaguje na pevně umístěné další magnety v základně díky odpudivým silám, je oblíbený DIY projekt pro kutily i technické nadšence. Zjistěte, jak magnetické kyvadlo funguje a postavte si je také.
Proč se pohyb magnetického kyvadla časem zastaví a jaký vliv na pohyb má materiál konstrukce ramene? Provedeme vás výrobou vlastního magnetického experimentu a vysvětlíme fyzikální principy magnetismu, které za „tancem“ magnetů je.
Magnetické kyvadlo je mechanický systém, který využívá interakce mezi permanentními magnety k ovlivnění pohybu kyvného ramene. Na rozdíl od běžných kyvadel, kde pohyb určuje pouze gravitace a délka závěsu, má zde vliv i magnetická síla, která vnáší do systému nelineární chování.
Základem je kyvadlo (závěs s magnetem na konci) a podstavec, ve kterém je umístěný druhý, případně další magnety. Magnety jsou k sobě orientované tak, aby se vzájemně odpuzovaly – tedy stejnými póly proti sobě.
Jak si sestavit magnetické kyvadlo
Kyvadlo se skládá z pevné základny, na které je vrutem připevněný držák kyvadla. Na výrobu základny jsme použili dřevěný „koláček“, na držák potom kousek větve. Na horní části větve je zavěšené kyvadlo z kusu 10mm měděného drátu bez izolace o délce asi 20 cm, který má průměr cca 3,5 mm.
Na spodní části kyvadla je nasunutý kruhový magnetický úchyt KRP-16 s průměrem 16 mm, jenž má otvor pro šroub se zápustnou hlavou M3 a magnetickou sílu 5 kg.
Aby úchyt na drátu držel, konec drátu jsme pod magnetem mírně ohnuli. Můžete jej pomocí vrutu připevnit třeba i na dřevěnou tyčku. Rameno jsme k držáku pružně zafixovali gumičkou, aby se mohlo hýbat, ale nespadlo. Je na vás, jak si konstrukci vytvoříte.
Stejný magnetický úchyt jsme připevnili i na základnu a později přidali další dva – ať se kyvadlo pohybuje zajímavěji.
Horní a spodní magnety či magnetické úchyty je k sobě nutné natočit shodnými póly, aby se od sebe odpuzovaly.
Materiál, který zvolíte pro rameno kyvadla, není jen estetickou záležitostí. Pokud použijete feromagnetický materiál, například ocelový drát, bude zřejmě magnet na jeho konci interagovat přímo s ramenem, což může změnit charakter magnetického pole, ale záleží, jak máte magnet k rameni připevněný.
Vyzkoušejte také mince, které stojí hranami na sobě a 4 pokusy s magnety
Vhodnější je tedy použít nemagnetické materiály, jako je měď, mosaz nebo dřevo. Tyto materiály neovlivňují magnetické pole v okolí magnetu, a umožňují tak čistou interakci mezi magnety na kyvadle a podstavci.
Důležitá je také tuhost ramene. Pevný drát zajistí, že je magnet v kyvadle usazený pevně. Pokud drát nahradíte provázkem, přijdete o geometrickou stabilitu. Kyvadlo by získalo další stupně volnosti, pohyb by se stal chaotickým a magnety by měly tendenci se při průletu přicvaknout k sobě boční stranou, jakmile by se dostaly do dosahu přitažlivých sil.
Neodymové magnety jsou velice silné a nepatří do rukou malých dětí!
Proč se magnetické kyvadlo vždy zastaví?
Ačkoliv magnetické kyvadlo působí jako systém s minimem odporu, nikdy se nebude pohybovat trvale. K jeho zastavení přispívají tři hlavní fyzikální faktory:
- Mechanické tření v závěsu: V místě, kde je rameno kyvadla připevněné ke stojánku, dochází k neustálému tření materiálu o materiál. Tato mechanická práce mění část kinetické energie na teplo a je jedním z nejvýraznějších faktorů, které pohyb postupně utlumí.
- Odpor vzduchu: Rameno i magnet při každém průletu narážejí na molekuly vzduchu, což odčerpává kinetickou energii a také postupně zpomaluje rychlost kmitání.
- Vířivé proudy: Při pohybu magnetického pole v blízkosti kovových součástí nebo i při změnách magnetického toku dochází k indukci vířivých proudů. Ty vytvářejí protipůsobící magnetické pole, které systém brzdí – podle Lenzova zákona.
- Vnitřní ztráty: Část energie se rozptýlí jako teplo při molekulárních změnách v materiálech, které jsou vystavené proměnlivému magnetickému poli.
Tip: Jak vyrobit nejjednodušší elektromotor? Sestavte si rotující homopolární motorek
Bod rovnováhy magnetů
Při experimentování zjistíte, že se kyvadlo zastaví vždy v určitém místě. V tomto bodě jsou síly působící na magnet v rovnováze:
- Gravitace, která se snaží kyvadlo vrátit do nejnižšího možného bodu (svislá poloha).
- Magnetická odpudivá síla, která magnety odtlačuje pryč od podstavce.
Výsledná poloha je kompromisem, kde se magnetická síla vyruší s gravitační silou působící na rameno kyvadla. Změnou vzdálenosti magnetů na podstavci nebo délkou ramene můžete tento bod rovnováhy posunout.
Magnetismus je nekončící experiment
Magnetické kyvadlo je funkční ukázkou toho, jak lze pomocí základních fyzikálních zákonů ovlivňovat pohyb v prostoru. Jak se vám kyvadlo povedlo? Pošlete nám ukázku na media@unimagnet.cz.
A pak vyzkoušejte další experimenty a pokusy s magnety.
