Magnetické kyvadlo je ukážkou fyzikálnych zákonov v praxi. To naše kombinuje prírodné materiály s neodýmovými magnetmi. Vytvorenie vlastného kinetického modelu, v ktorom zavesený magnet reaguje na ďalšie magnety pevne umiestnené v základni vďaka odpudivým silám, je obľúbeným DIY projektom pre domácich majstrov aj technických nadšencov. Zistite, ako magnetické kyvadlo funguje, a zostrojte si ho aj vy.
Prečo sa pohyb magnetického kyvadla časom zastaví a aký vplyv má materiál konštrukcie ramena na jeho pohyb? Prevedieme vás výrobou vlastného magnetického experimentu a vysvetlíme fyzikálne princípy magnetizmu, ktoré stoja za „tancom“ magnetov.
Magnetické kyvadlo je mechanický systém, ktorý využíva vzájomné pôsobenie permanentných magnetov na ovplyvnenie pohybu kyvného ramena. Na rozdiel od bežných kyvadiel, pri ktorých pohyb určujú iba gravitácia a dĺžka závesu, tu zohráva úlohu aj magnetická sila, ktorá vnáša do systému nelineárne správanie.
Základom je kyvadlo (záves s magnetom na konci) a podstavec, v ktorom je umiestnený druhý, prípadne aj ďalšie magnety. Magnety sú orientované tak, aby sa navzájom odpudzovali – teda rovnakými pólmi proti sebe.
Ako si zostaviť magnetické kyvadlo
Kyvadlo sa skladá z pevnej základne, na ktorej je pomocou skrutky pripevnený držiak kyvadla. Na výrobu základne sme použili drevený plátok a na držiak kúsok konára. V hornej časti konára je zavesené kyvadlo z približne 20 cm dlhého kusa medeného drôtu bez izolácie s priemerom asi 3,5 mm, ktorý má prierez s priemerom 10 mm.
Na spodnú časť kyvadla sme nasunuli kruhový magnetický úchyt KRP-16 s priemerom 16 mm, ktorý má otvor na skrutku M3 so zápustnou hlavou a magnetickú silu 5 kg.
Aby úchyt na drôte držal, koniec drôtu sme pod magnetom mierne ohli. Môžete ho pomocou skrutky pripevniť napríklad aj na drevenú tyčku. Rameno sme k držiaku pružne upevnili gumičkou, aby sa mohlo pohybovať, ale nespadlo. Je na vás, ako si konštrukciu vytvoríte.
Rovnaký magnetický úchyt sme pripevnili aj na základňu a neskôr pridali ďalšie dva, aby sa kyvadlo pohybovalo zaujímavejšie.
Horné a spodné magnety či magnetické úchyty je potrebné vzájomne natočiť rovnakými pólmi k sebe, aby sa odpudzovali.
Materiál, ktorý zvolíte na rameno kyvadla, nie je len estetickou záležitosťou. Ak použijete feromagnetický materiál, napríklad oceľový drôt, magnet na jeho konci bude pravdepodobne priamo pôsobiť aj na rameno. To môže zmeniť charakter magnetického poľa, záleží však na tom, ako máte magnet k ramenu pripevnený.
Vyskúšajte aj mince, ktoré stoja hranami na sebe, a 4 pokusy s magnetmi.
Vhodnejšie je preto použiť nemagnetické materiály, ako sú meď, mosadz alebo drevo. Tieto materiály neovplyvňujú magnetické pole v okolí magnetu, a umožňujú tak čisté vzájomné pôsobenie magnetov na kyvadle a podstavci.
Dôležitá je aj tuhosť ramena. Pevný drôt zabezpečí, že magnet na kyvadle zostane pevne uchytený. Ak drôt nahradíte šnúrkou, stratíte geometrickú stabilitu. Kyvadlo získa ďalšie stupne voľnosti, jeho pohyb bude chaotickejší a magnety budú mať tendenciu pri prechode okolo seba pritiahnuť sa bočnou stranou, len čo sa dostanú do dosahu príťažlivých síl.
Pozor, nodýmové magnety sú veľmi silné a nepatria do rúk malých detí!
Prečo sa magnetické kyvadlo vždy zastaví?
Hoci magnetické kyvadlo pôsobí ako systém s minimálnym odporom, nikdy sa nebude pohybovať trvalo. K jeho zastaveniu prispievajú štyri hlavné fyzikálne faktory:
- Mechanické trenie v závese: V mieste, kde je rameno kyvadla pripevnené k stojanu, dochádza k neustálemu treniu medzi materiálmi. Táto mechanická práca premieňa časť kinetickej energie na teplo a patrí medzi najvýraznejšie faktory, ktoré postupne tlmia pohyb.
- Odpor vzduchu: Rameno aj magnet pri každom pohybe narážajú na molekuly vzduchu, čím strácajú kinetickú energiu. To postupne spomaľuje kmitanie.
- Vírivé prúdy: Pri pohybe magnetického poľa v blízkosti kovových súčastí alebo pri zmenách magnetického toku dochádza k indukcii vírivých prúdov. Tie vytvárajú protichodné magnetické pole, ktoré systém brzdí – v súlade s Lenzovým zákonom.
- Vnútorné straty: Časť energie sa rozptyľuje vo forme tepla v dôsledku zmien v materiáloch vystavených premenlivému magnetickému poľu.
Tip: Ako vyrobiť najjednoduchší elektromotor? Zostavte si rotujúci homopolárny motorček.
Rovnovážny bod magnetov
Pri experimentovaní zistíte, že sa kyvadlo vždy zastaví na určitom mieste. V tomto bode sú sily pôsobiace na magnet v rovnováhe:
- Gravitácia, ktorá sa snaží vrátiť kyvadlo do najnižšieho možného bodu (zvislej polohy).
- Magnetická odpudivá sila, ktorá odtláča magnety od seba a od podstavca.
Výsledná poloha predstavuje kompromis, pri ktorom sa magnetická sila vyrovnáva s gravitačnou silou pôsobiacou na rameno kyvadla. Zmenou vzdialenosti magnetov na podstavci alebo dĺžky ramena môžete tento rovnovážny bod posunúť.
Magnetizmus je nekonečný experiment
Magnetické kyvadlo je názornou ukážkou toho, ako možno pomocou základných fyzikálnych zákonov ovplyvňovať pohyb v priestore. Ako sa vám kyvadlo podarilo? Pošlite nám ukážku na adresu media@unimagnet.cz.
Potom vyskúšajte aj ďalšie experimenty a pokusy s magnetmi.
