Idėja sukurti veikiantį elektros variklį vien tik iš plastikinių kaladėlių iš pirmo žvilgsnio atrodo kaip bandymas, pasibaigsiantis geriausiu atveju nusivylimu, o blogiausiu – saujele svilėjančių detalių. Todėl ypač įdomus yra eksperimentas, kurį atliko Jamie iš kanalo „Jamie’s Brick Jams“. Jis parodė, kad fundamentalius fizikos dėsnius galima pademonstruoti be sudėtingos įrangos, naudojant tai, ką daugelis tiesiog turi namuose.
Pagrindinis pasiekimas – visiškai veikiantis variklis, kuris pasiekia net apie 1300 apsisukimų per minutę. Svarbu tai, kad visas mechanizmas nenaudoja jokių mikrovaldiklių ar sudėtingų valdymo modulių. Jo veikimas paremtas itin paprastu, bet išradingu savaiminio laiko reguliavimo principu, išnaudojant pagrindinius elektromagnetizmo reiškinius. Tai įtikinama iliustracija, kad efektyviausi sprendimai neretai yra patys paprasčiausi, o sudėtingas įrenginys nebūtinai turi būti neperprantama „juodoji dėžė“ su paslaptingais komponentais viduje.
Magnetai, ritės ir vienas tranzistorius: variklio šerdis
Variklio veikimo pagrindas – rotorius su dviem neodimio magnetais, kurių matmenys 20 x 10 mm. Magnetai pritvirtinti prie ašies ir labai tiksliai subalansuoti. Net menkiausias disbalansas galėtų užblokuoti visos konstrukcijos judėjimą. Be to, naudojamos dvi rankomis suvyniotos ritės.
Pirmoji – varančioji – suvyniota iš storesnės varinės vielos, maždaug 150 vijų. Ji sukuria magnetinį lauką, kuris atstumia rotoriaus magnetus ir taip juos suka. Antroji – daug plonesnė jutiklinė ritė – turi visai kitą paskirtį: ji turi „pajusti“ praeinantį magnetą ir sugeneruoti nedidelę elektros srovę.
Čia atsiskleidžia viena įdomiausių edukacinių šio projekto pusių: jutiklinė ritė veikia kaip miniatiūrinis generatorius. Artėjantis magnetas keičia magnetinio lauko srautą, todėl ritėje indukuojasi įtampa. Tai lygiai ta pati principinė schema, kuria pagrįstas dviračio dinamo veikimas – tik šiuo atveju gauta įtampa nenaudojama lemputei maitinti, o tampa valdymo signalu. Taip variklis „sužino“, kada rotorius yra tinkamoje padėtyje, kad būtų galima duoti kitą impulsą.
Visą šią sistemą valdo vienas tranzistorius TIP31C, atliekantis automatinio jungiklio funkciją. Kai jutiklinė ritė užfiksuoja artėjantį magnetą ir sugeneruoja signalą, tranzistorius atsidaro ir praleidžia srovę iš 9 V baterijos į varančiąją ritę, suteikdamas rotoriui dar vieną smūgį. Ši tiksli grįžtamojo ryšio kilpa palaiko tolygų sukimąsi tol, kol išsenka maitinimo šaltinis. Kaip pabrėžia kūrėjas, esminis dalykas – teisinga abiejų ričių poliariškumo pajungimo kryptis. Jei poliariškumas sumaišomas, variklis paprasčiausiai neužsikuria.
Praktiškai šis vienas tranzistorius atlieka tai, ką didesniuose įrenginiuose neretai daro atskiri moduliai: itin greitai ir tiksliai perjungia srovę tinkamu momentu. TIP31C yra galios tranzistorius (korpusas TO-220), todėl atlaiko didesnes apkrovas ir yra atsparesnis trumpiems įtampos bei srovės šuoliams, kurie būdingi ritėms.
Jeigu kas nors norėtų kurti panašius eksperimentus platesniu mastu, sudėtingesniuose variantuose prie varančiosios ritės dažnai pridedama apsauginė dioda (vadinamoji „flyback“ dioda). Ji padeda „sušvelninti“ impulsą, kuris indukuojasi ritėje nutrūkus srovei. Tai nedidelė, bet iškalbinga detalė, rodanti, kaip iš paprasto demonstracinio modelio pereinama prie ilgaamžės ir patikimos konstrukcijos.
Nuo greičio prie galios: praktiniai bandymai
Pagrindinėje konfigūracijoje su dviem magnetais variklis pasiekia minėtus maždaug 1300 apsisukimų per minutę. Tai įspūdingas, tačiau labiau teorinis rezultatas: didelis sukimosi greitis dar nereiškia, kad variklis gali atlikti naudingą mechaninį darbą.
Siekdamas tai pademonstruoti, Jamie pridėjo paprastą redukcinę pavarą santykiu 3:1. Tai sumažino apsisukimų skaičių, tačiau ženkliai padidino sukimo momentą, todėl variklis be vargo ėmė sukti iš kaladėlių „LEGO“ pastatytą mažą automobilį.
Kūrėjas nuėjo dar toliau ir išbandė variantą su aštuoniais magnetais, išdėstytais ant disko. Tokia modifikacija sumažino greitį iki maždaug 480 apsisukimų per minutę, bet žymiai pagerino darbo tolygumą ir stabilumą, o taip pat padidino sukimo momentą. Tai puikus pavyzdys, kaip nedideli konstrukciniai pakeitimai gali iš esmės pakeisti variklio charakteristikas, paslenkant pusiausvyrą nuo greičio prie jėgos.
Daugiau nei žaislas: gyva inžinerijos pamoka
Visas projektas – tai išskirtinai vertinga, praktiška mokomoji priemonė. Jis leidžia aiškiai matyti principus, kurie įprastai paslėpti pramoninių variklių korpusuose. Studentai ir entuziastai čia gali realiai stebėti, kaip sąveikauja magnetinis laukas ir magnetas, kaip veikia grįžtamasis ryšys ir kodėl itin svarbi impulsų sinchronizacija.
Visi naudojami komponentai yra pigūs ir lengvai prieinami: neodimio magnetai, varinė viela, tranzistorius TIP31C, 9 V baterija ir, žinoma, „LEGO“ kaladėlės. Tai įranga, kurią gali susikomplektuoti beveik kiekvienas, turintis šiek tiek noro eksperimentuoti.
Jamie projektas padeda „nuimti aurą“ nuo inžinerijos, parodydamas, kad jos pagrindus galima nagrinėti ir už laboratorijos ribų. Pakanka šiek tiek smalsumo, bazinių žinių ir noro patiems išbandyti paprastus dėsnius. Nors realių transporto priemonių tokiu varikliu niekas nevarys, kaip fundamentalių fizikos principų demonstracija ir paskata savarankiškai konstruoti bei tyrinėti, ši konstrukcija yra itin vertinga. Ji primena, kad mokslas dažnai prasideda nuo tokio paprasto dalyko kaip spalvotų plastikinių kaladėlių dėžė.
