Dauerkalender

Magische Kugel mit Feder

Mit einer einfachen Steuerung, die grundsätzlich aus zwei externen Elementen besteht, nämlich einem induktiven Näherungssensor und einem Elektromagneten, wollen wir eine Kugel dauerhaft in Bewegung halten. Gelingt es bei dem Versuch, die zwei Komponenten zu „verstecken“, entsteht der Eindruck, dass man hier mit einem Perpetuum mobile zu tun hat. Einer Konstruktion, die ohne äußerliche Einflüsse, ohne eine externe Energiezufuhr beständig in Bewegung bleibt.
Dazu wird zunächst eine schiefe Ebene, eine Rampe aufgebaut, auf der sich eine Metallkugel mit möglichst wenig Reibung bewegen kann. Auf dem einem Ende wird diese Kugelbahn ein wenig um den Winkel α angehoben. Der Winkel muss so gewählt werden, dass die auf der Rampe aufgestellte Kugel sicher runterrollt. Auf dem anderen Ende der Rampe wird eine Feder angebracht. Jedes Mal, wenn die Kugel runterrollt und auf die Feder trifft, wird sie belastet und zusammengedrückt. Bei Entspannung dank gespeicherter potenzieller Energie dehnt sich die Feder wieder aus und bewegt die Kugel in entgegengesetzte Richtung.
Ohne weitere Maßnahmen kommt die Kugel nach einigen Hin- und Her Bewegungen zum Stillstand. Ein für jeden Beobachter eher vorhersehbares und langweiliges Verhalten.
Um dem entgegenzuwirken und den Beobachter möglichst ins Staunen zu bringen, kommen unsere zwei Komponenten zum Einsatz: ein Näherungssensor und ein Elektromagnet mit einer passenden Steuerung.

Der Näherungssensor N erzeugt, sobald die Kugel über ihn rollt, ein Signal. Daraufhin wird der hinter dem Sensor positionierte Elektromagnet M eingeschaltet. Er erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das auf die Kugel einwirkt und dazu führt, dass sie mit erhöhter Kraft auf die Feder einwirkt. Das wiederum hat zur Folge, dass die Kugel mit erhöhter Kraft von der Feder in entgegengesetzte Richtung katapultiert wird. Die Schwierigkeit unserer Schaltung besteht darin, im richtigen Moment Elektromagnet ein- und auszuschalten.

Schaltplan

Die Koordination der Vorgänge übernimmt in der Schaltung Arduino Nano. Es werden lediglich zwei seiner Pins richtig in Anspruch genommen. Mit dem Pin 2, der als Ausgang parametriert wird, wird der Elektromagnet A2 geschaltet. Damit der Ausgang nicht überlastet und beschädigt wird, erfolgt das Ein- und Ausschalten des Elektromagnets mithilfe des Transistors T1. Der Transistor muss in der Lage sein, den Strom, der von dem Elektromagneten beansprucht wird, zu schalten. Trotz, dass die Einschaltung der Spule nur für sehr kurze Zeit erfolgt, kann es notwendig sein, ihn mit einem Kühlkörper zu versehen. In unserem Beispiel kommt die Stromaufnahme der Spule des Elektromagnetes auf ca. 4,5 A.
Der Pin 3 des Mikrocontrollers wird als Eingang definiert und dient der Erkennung des Signals, das von dem Näherungsschalter A1 generiert wird. Da die Versorgungsspannung des Sensors A1 12V beträgt, hat das Signal für Arduino ein zu hohes Potenzial. Deswegen wird zwischen den Sensor und Arduino ein 5V-Spannungsregler IC1 zwischengeschaltet. Er reduziert die hohe 12V Spannung auf die für Arduino verträgliche 5V. Die zwei LEDs, LED1 und LED2, visualisieren lediglich, wann das Signal generiert und wann der Elektromagnet eingeschaltet wird.
An dem Pin 4 wird nur eine Leuchtdiode angeschlossen, die die gesamte Dauer des Vorganges markiert.

Testschaltung

Der Näherungssensor und Magnet sind am Ende unter der Kugelbahn montiert.

Programm (Sketch)

 
int E_Magnet = 2;                                     // Ausgang Elektromagnet
int Abstandssensor = 3;                               // Eingang Näherungssensor
int Vorgang_Start_Stop = 4;                           // Ausgang Anzeige LED für Vorgangsdauer
int Zeit_bis_Magnet_Ein = 100;                        // Wartezeit in ms
int Zeit_Magnet_An = 140;                             // Magnet Einschaltzeit
int Zeit_keine_Aktion = 1000;                         // Ruhezeit

// *******************************************************************************************
void setup(void)   {                                           
  
    pinMode (E_Magnet, OUTPUT);                       // Pin-Konfiguration (Ausgang)
    pinMode (Vorgang_Start_Stop, OUTPUT);             // Pin-Konfiguration (Ausgang)
    pinMode (Abstandssensor, INPUT);                  // Pin-Konfiguration (Eingang)
}

// *******************************************************************************************
void loop(void) {
                                                               
    if (digitalRead(Abstandssensor) == HIGH) {        // Kugel erkannt
        digitalWrite(Vorgang_Start_Stop, HIGH);       // Vorgang-Anzeige-LED Ein
        delay (Zeit_bis_Magnet_Ein);                  // Zeit bis E-Magnet-EIN
        digitalWrite(E_Magnet, HIGH);                 // E-Magnet Ein
        delay (Zeit_Magnet_An);                       // Zeit E-Magnet AN
        digitalWrite(E_Magnet, LOW);                  // E-Magnet AUS
        delay (Zeit_keine_Aktion);                    // Wartezeit bevor Wiederholung
        digitalWrite(Vorgang_Start_Stop, LOW);        // Vorgang-Anzeige-LED Aus
    }
}

// *******************************************************************************************
      

Kurzvideo

Kurzvideo

Weitere Themen: