Можно ли «апнуть» мендосинский мотор?

Сегодня будет своеобразный забавный пост, в котором я изложу свою мысль, которая пришла мне буквально на днях: как «апнуть» мендосинский мотор? 

И, что любопытно — я нигде такого ещё не видел! Так что, можно, наверное, считать, что эта забавная инновация — как бы своеобразный следующий шаг во всем известной конструкции мендосинского мотора… 

Но, до того, как я изложу основную идею, стоит ещё раз ознакомиться с двумя компонентами, которые в ней могут быть использованы: собственно, сам мендосинский мотор (или двигатель, если угодно; я сам буду его далее называть двигателем) и униполярный двигатель.

Считается, что мендосинский двигатель получил своё название от имени города Мендосино (Калифорния, США), в котором был и разработан впервые в 1992 году американским изобретателем Ларри Спрингом (несмотря на то, что идеи появлялись ещё и ранее), который усовершенствовал конструкцию 1962 года, применив для ротора этого двигателя магнитный левитирующий подвес (мы увидим его далее). 

Наиболее распространённые версии этого двигателя выглядят следующим образом, где, как показано на картинке ниже: в левой верхней части — мы можем видеть одну версию (шестикатушечную), а в левой нижней части картинки — другую версию (предположительно, двухкатушечную, но, далеко не факт — точно так же может быть собрана и четырёхкатушечная):

В разобранном состоянии, вариант шестикатушечного двигателя (который показан на картинке выше слева наверху) выглядит внутри следующим образом:

Как мы можем видеть по картинке выше, двигатель представляет собой ротор, внутри которого скрыты 6 катушек, окружённые также шестью солнечными панелями. 

В этой версии конструкции каждая солнечная панель — запитывает свою катушку*. 

*Проще говоря, так как нам нужно оттолкнуться от магнита лежащего прямо внизу, то, например, катушка, которая в данный момент находится прямо над магнитом — должна быть запитана от солнечной панели, развёрнутой в данный момент к свету.

При попадании света на солнечную панель — она вырабатывает электрический ток, протекающий через катушку, в результате чего, она окружается электромагнитным полем, отталкивающимся от стационарно расположенного редкоземельного мощного магнита — в станине конструкции, прямо под ротором (его, круглого типа, можно увидеть на самой первой картинке выше, в левой верхней части картинки).

Как мы могли видеть на самой первой картинке выше, — там была показана и ещё одна версия (в правой нижней части картинки), которая также может быть выполнена по подобной схеме: одна катушка — запитывается одной панелью.

Варианты конструкции, рассмотренной выше довольно очевидны в понимании, поэтому, думается, и снискали свою славу среди своего круга почитателей… 

Однако, есть и более интересный (на мой взгляд) вариант, о котором мы поговорим ниже — со встречно-противоположным подключением солнечных панелей! 

Он не столь очевиден и прямолинеен в своём принципе, из-за чего, чуть-чуть (немного) приходится поломать голову — но тем он и интересен! :-) 

А теперь, посмотрим на конструкцию кардинально отличающуюся от предыдущих и заключается она в том, что содержит n-катушек, как и предыдущие варианты (в самом простом варианте, обычно 2, (хотя, в теории, можно и одну, но я ни разу такого не видел — видимо для эффективности, делают минимум 2, крест-накрест), как показано на картинках ниже:

На последней картинке, как мы видим, показана схема подключения солнечных батарей (синего цвета) к катушке (красного цвета). 

Сразу видим, что бросается в глаза их своеобразное соединение друг с другом (плюс к минусу) и с катушкой — что, на первый взгляд, выглядит как-то странновато (если не задумываться), однако, не будем торопиться с выводами!

Чтобы понять назначение подобной схемы соединений у этого двигателя, нужно будет вспомнить тот факт, что протекание тока по проводнику сопровождается появлением у этого проводника электромагнитного поля, и, как в своё время открыл Анри Ампер — два провода, уложенные рядом, будут отталкиваться или притягиваться друг к другу, в зависимости от того, в каком направлении протекает в них ток.

А у катушки с током, — одна сторона плоскости станет одним полюсом (например, южным) и другая — другим (например, северным).

Как мы видим по конструкции двигателей на картинках выше — единственный способ у катушек более-менее значимо взаимодействовать со стационарно расположенным магнитом снизу — это когда задействованная катушка находится в положении «вертикально» (тогда её витки будут проходить прямо над магнитом, наиболее близко к нему).

Дальнейшее нигде не объясняют, но я сам понимаю это так: в этот момент солнечная панель начинает вырабатывать ток и, в зависимости от малейшей асимметрии расположения катушки относительно магнита внизу — равновероятно ротор начинает крутиться влево или вправо (т.е. плоская катушка стремится или упасть и слипнуться с магнитом внизу или оттолкнуться от него.

А теперь, предположим, что мы светим светом слева, в результате чего, катушка проворачивается на 180°.

К этому моменту ток от первой панели почти не вырабатывается, и в дело вступает другая панель, реверсно подключенная: она снова располагает нужный полюс внизу, чтобы ротор продолжал вращение!

Если бы этого не было, то, например, если в начальный момент времени катушка ротора стремилась бы притянуться к магниту (т.е. ротор начал крутится в этом направлении), то после переворота на 180°, если реверсно не переключить питание, то к магниту подойдёт другой полюс, который будет стремиться оттолкнуть ротор обратно, т.е. затормозить его!

Кстати, нашёл интересный вариант подобного двигателя, который отличается от классических (с магнитом в основании) — насколько я понимаю, в этом двигателе просто-напросто можно использовать несколько приближённые к обмоткам ротора магниты левитационного подвеса, расположенные внизу на раме — таким образом, похоже что, тонкой регулировкой положения, можно добиться того, чтобы двигатель вращался (отталкиваясь уже от них, полем обмоток) даже без чётко выделенного магнита на раме посередине.

Лаконично и красиво:

Впрочем не факт что так, сомнения есть — не спрятали ли магнит внутри подставки? :-) Вероятнее всего...

Помимо мендосинского двигателя, существует и ещё один любопытный двигатель, который, на мой взгляд, вполне можно было бы применить в качестве апгрейда мендосинского — униполярный двигатель, в качестве которого наиболее часто приводят известную конструкцию из батарейки, неодимового магнита и проволочной рамки:

Мы ещё об этом не упоминали и движение, которое вызывает протекающий ток, возникает в этой системе в виду действия силы Лоренца или Ампера на вращающийся проводник, где, посмотрев на правило левой руки(чтобы понять, куда направлена эта сила, нужно расположить ладонь так, чтобы силовые линии стационарного магнита входили в ладонь, четыре пальца были направлены по направлению тока, и тогда отогнутый на 90° большой палец покажет направление действия силы), мы можем для себя понять, что в подобных игрушках (конкретно этой конструкции) имеются как бы две буквы ОО — соединённые серединами, где ток течёт как по середине(прямо по корпусу батарейки), и серединную перемычку можно игнорировать, в виду её расположения посередине и незначительного влияния на общее движение; в то время как боковые «крылья» — т.е. левая и правая часть букв ОО находятся под влиянием существенной силы, которая, с правой стороны картинки ниже будет направлена прямо на нас, а с левой стороны картинки ниже — прямо от нас:

Насколько эта сила существенна? Мне тоже это стало интересно, так как экспериментаторы из интернета обычно используют очень лёгкие проволочные рамочки, и я провёл свой эксперимент, где в качестве подопытного изделия — взял батарейку форм-фактора АА, неодимовый магнит 20х10 мм и проволочную рамку из толстенного медного провода 2,5 мм сечением (примерно). Могу только сказать, что раскручивается практически моментально!

При этом, если мы ещё раз вернёмся к картинке чуть выше, то там, на мой взгляд, имеется неточность (хотя обычно все изображают именно так, но, я думаю что они не совсем правы): ведь по сути, батарейка выступает в роли магнитопровода! 

И, таким образом, магнитные линии надо изображать не выходящими где-то из середины батарейки — а прямо из её верхнего кончика! Да, с некоторым затуханием, но тем не менее! 

То есть, более корректным, на мой взгляд, будет такая картина, что вся рамка находится внутри поля, а не только её нижняя половина! 

Ну, это так, просто к слову, «мысли вслух» …

И ещё попутно: вариантов исполнения униполярного двигателя существует довольно большое число видов, и в видео ниже можно найти одни из самых удивительных (на мой взгляд), существенно отличающихся от канонической версии из пальчиковой батарейки (даже если похожи на неё):

Однако, из этого следует интересный вывод (состоящий из двух пунктов), если бы мы вдруг решили собрать подобную систему без батарейки, а, например, с неким подводом внешнего питания, и в то же время, полностью сохранив по своему принципу эту конструкцию:

• Нужно установить магнитопровод (например, просто болт, прилепив его к магниту) — это не обязательно, можно обойтись вообще без болта, только магнитом и рамкой, но, раз уж мы сохраняем начальную конструкцию… :-);

• Необходимо подать внешнее питание на рамку — например, какими-то скользящими контактами, щётками.

Исходя из этой теории, и, в качестве одного из апгрейдов мендосинского двигателя можно было бы предложить такой вариант: солнечная батарея укладывается на основание рамы(там где сейчас магнит),  ротор располагается также горизонтально, на левитирующих подвесах и питание подаётся с помощью двух скользящих контактов прямо с солнечной батареи — так как подобный двигатель не требует никакого переключения контактов, всё должно работать и так, но, подозреваю, что из-за слабого тока небольших солнечных батарей* придётся поработать над лёгкостью ротора (т.е. Сделать его из лёгких проволочек), так как у такого двигателя основным источником поля является мощный ток.

*Как раз не так давно взял себе для экспериментов на али — примерно 68х37 мм, 5,5В, 50 мА, хочу тоже поэкспериментировать с ними, но на данный момент похвастаться готовым результатом не могу; пока сборка готового устройства в планах.

В то же время, так как сам принцип логически  выглядит верным и требуется только поэкспериментировать над увеличением магнитного поля, способного провернуть ротор с установленными на него солнечными батареями (если бы мы хотели повторить мендосинский двигатель, только на новом принципе) — можно было бы попробовать намотать многовитковую одну катушку, вокруг которой, например, в виде треугольника или квадрата — расположить, соответственно, три или четыре солнечные батареи, подключенные параллельно(чтобы обеспечить более-менее большой ток). 

Эта новая версия будет отличаться от классического мендосинского двигателя, на мой взгляд двумя вещами:

• У униполярного двигателя будет такое расположение магнита, что он (магнит) + (опционально) магнитопровод нужно будет располагать в виде горизонтальной оси, прямо внутри ротора, закрепив стационарно — чтобы магнитные линии пронизывали ротор, расходясь во все стороны на манер спиц колеса велосипеда;

• Не будет требовать переключения полярности — будет вращаться непрерывно и плавно, питаясь от источника одной и той же полярности.

Таким образом, в итоге, мы можем получить, на мой взгляд, следующий забавный шаг в развитии этой поделки — где магия движения будет ещё более неявной — магнита в основании нет (его можно скрыть внутри 3d-печатной боковой вертикальной стенки и вывести наружу длинный горизонтальный болт, скажем М8 ­— который и будет магнитопроводом), переключения полярности не требуется, конструкция максимально простая, все солнечные батареи запараллелены — то есть, в итоге, двигатель может вращаться, даже будучи полностью установленным на свету! 

Интересная может получиться штука! :-)

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.