Проекты

Эффект магнитной левитации на основе 3D-моделирования

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «3D-моделирование, 3D-печать и VR/AR-технологии» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: 3D-моделирование, Магнетизм
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1034
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Главными причинами, уменьшающими скорость движения железнодорожного транспорта, являются силы трения и сопротивления воздуху. При помощи модернизации формы передней части поезда смогли снизить сопротивление воздушных потоков. Для устранения трения придумали поезд, удерживаемый над путями, движимый и управляемый силой электромагнитного поля. Магнитная левитация — это способ достижения максимально высокой скорости, которую можно сравнить с самолётной, а также практически бесшумной транспортировки и более плавного перемещения. Поэтому в своей работе автор решил изучить свойство магнитов и принципы работы магнитной левитации.

Цель

Изучить силу магнитов и их свойства, разобраться в их практическом применении.

Задачи

  1. Познакомиться с понятиями: магнит и магнитное поле.
  2. Изучить научные статьи о способах применения магнитов в технике.
  3. Провести опыты с магнитами.
  4. Изучить явление магнитной левитации.
  5. Создать эффект магнитной левитации.
  6. Предложить решение о модернизации транспорта данного вида.
  7. Построить 3D-модели с эффектом магнитной левитации.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Ноутбук
  • Программа Autodesk Fusion 360

Описание

В настоящий момент все магниты можно разделить на две группы: естественные (или природные) и искусственные.

Естественные представляют собой залежи особых руд с содержанием магнитного железняка. Масса самого крупного на сегодняшний день камня составляет 13 кг, и он обеспечивает силу сцепления в 40 кг.

К искусственным магнитам в первую очередь относятся приспособления из железа, которые создают особое поле, когда по обмотке, охватывающей сердечник, проходит электрический ток. Однако в настоящий момент существует и другой вариант – изделия из особых материалов. Они не встречаются в природе, а изготавливаются человеком искусственным путём. В промышленности и быту применяются преимущественно магниты искусственного происхождения, представляющие собой специальные сплавы. Самым популярным магнитным сплавом является неодимовый сплав, в основе которого лежат такие элементы, как железо, неодим и бор.

Для того чтобы наглядно рассмотреть эффект магнитной левитации, необходимо собрать магнитный левитрон (Рис. 1). В работе были рассмотрены левитроны двух типов – горизонтальный и вертикальный.

Рисунок 1. А – горизонтальная модель левитрона

               Б – вертикальная модель левитрона

Для начала необходимо сделать 3D-модель (Рис. 2). Для этого автор использовал программу Autodesk Fusion 360, которая позволяет делать анимации, расчёты центра масс, симуляции и обладает широким спектром инструментов визуализации.

Рисунок 2. Построение 3D-моделей: А – горизонтальной модели левитрона;

              Б – вертикальной модели левитрона

Для последующей сборки макетов были выполнены необходимые чертежи с указанием размеров (Рис. 3).

Рисунок 3. Чертежи моделей левитронов.

 А – горизонтальной модели левитрона; Б – вертикальной модели левитрона

Затем автор приступил к проектированию электрики и пайке микросхем.

По первой схеме (Рис. 4) было произведено подключение радиокомпонент к операционному усилителю LM324N, после чего драйвер для горизонтального левитрона был вмонтирован на плату Arduino.

Рисунок 4. Схема подключения у горизонтального левитрона операционного усилителя и драйвера мотора

Вертикальный левитрон будет работать на датчике Холла и полевом транзисторе. Диод служит для гашения напряжения ЭДС катушки при выключении ключа. Все радиокомпоненты были подключены по схеме и спрятаны в корпус (Рис. 5).

 Рисунок 5. Схема подключения радиокомпонентов вертикального левитрона

Финальным этапом работы стала сборка элементов и калибровка датчиков.

Для стабилизации левитации вертикального левитрона плавающая деталь оснащается дополнительным весом для предотвращения переворотов. После сборки был проведён комплекс контрольно-измерительных испытаний, основная программа была экспортирована в микроконтроллер и осуществлён тестовый запуск.

Результаты работы/выводы

Познакомившись с магнитом и его свойствами, можно сделать вывод о его широком применении. Проведённый опыт на построенных макетах с магнитным полем показал, что с его помощью можно осуществлять движение деталей. При этом трение между двигающейся частью и основанием отсутствует, а движение левитирующей части очень плавное и бесшумное.

Перспективы использования результатов работы

Использование магнитных полей в транспорте из-за отсутствия трения позволит увеличить скорость движения и уменьшить износ деталей. Бесшумность и отсутствие продуктов переработки топлива позволит располагать транспортные системы вблизи жилых комплексов. Бесшумность и плавность движений позволяют создать комфортные условия.

В будущем автор планирует собрать подобным образом модель левитирующей подушки железнодорожного вагона в масштабе 1:35 и участок магнитного железнодорожного полотна для проведения испытаний на движение модели.