Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Jak łożyska kulkowe stają się silnikiem elektrycznym…

Jak łożyska kulkowe stają się silnikiem elektrycznym…
W 1967 r. L.A. Milroy przeprowadził niezwykle prosty eksperyment i krótko opisał jego zadziwiający wynik. Wykorzystał dwa łożyska kulkowe, wciśnięte na końce metalowego pręta i zamocowane w obudowach. Gdy obudowy każdego z łożysk połączył z biegunami źródła prądu elektrycznego o dużym natężeniu, wówczas pręt zaczął się obracać. W ten sposób zbudował zadziwiający silnik elektryczny. Dokładne wyjaśnienie zasady jego działania długo zwracało uwagę fizyków.
Rys. 1. Budowa silnika: a) widok z boku, b) widok z góry; 1, 2 - pierścienie łożyska: zewnętrzny i wewnętrzny, 3 - kulka, 4 - koszyczek utrzymujący kulki, 5 - rurka lub pręt, 6 - obejma, 7 - wkręt, 8 - gniazdko radiowe, 9 - podstawa.

Budowa silnika jest przedstawiona na rys. 1. Do wewnętrznych pierścieni łożysk kulkowych wciśnięte zostały końce aluminiowego pręta lub rurki.

Łożyska kulkowe można kupić m.in. w sklepie z artykułami motoryzacyjnymi, częściami zamiennymi do sprzętu gospodarstwa domowego lub w specjalistycznych sklepach. Można też zastosować łożyska już używane - od jakiegoś urządzenia, np. pralki czy wiertarki. Łożyska powinny być czyste i lekko się obracać. W tym celu należy wypłukać z nich smar i inne zanieczyszczenia (drobne opiłki metalu lub ziarenka piasku, w przypadku zastosowania łożysk używanych). Do wypłukania stosujemy benzynę ekstrakcyjną i mały pędzelek.

Najszerszy asortyment prętów i rurek o odpowiedniej średnicy oferują sklepy z metalami kolorowymi i hipermarkety techniczne. Najlepiej byłoby dobrać pręt albo rurkę o średnicy pozwalającej na wciśnięcie ich bez dodatkowej obróbki w pierścienie łożysk. Jeżeli średnica będzie za duża, to końce pręta lub rurki wystarczy opiłować na okrągło (dokładne pasowanie średnic wałków pod łożyska wykonuje się na tokarce, ale ponieważ moment obrotowy naszego silnika jest bardzo mały, to taka obróbka nie jest konieczna).

Wymiary łożysk i pręta lub rurki mogą być zmieniane w szerokich granicach. Dla przykładu, w jednym ze zbudowanych modeli silnika łożyska miały średnicę zewnętrzną 33 mm, średnica zewnętrzna rurki wynosiła 16 mm, a jej długość 200 mm. W warunkach domowych najłatwiej będzie zamocować łożyska do podstawy, stanowiącej kawałek deski lub sklejki, za pomocą tzw. obejm, czyli wygiętych pasków blachy. Obejmy z jednej strony łożyska przykręcamy do podstawy wkrętem. Z drugiej strony wygodnie jest przymocować obejmy gniazdkami radiowymi z nakrętką, które pozwolą na łatwe doprowadzenie prądu elektrycznego. Na tym kończy się budowa silnika (fot. 1).

Uruchomienie silnika

Do uruchomienia należy przygotować dwa przewody połączeniowe i akumulator. Przewody powinny być grube, wykonane z linki miedzianej pokrytej izolacją i zakończone z jednej strony wtyczkami bananowymi, a z drugiej - krokodylkami. Pole przekroju poprzecznego przewodów powinno wynosić co najmniej 4 mm2. Dobrze nadają się do tego celu tzw. przewody rozruchowe do samochodów (do przyłączania dodatkowego akumulatora), zakończone dużymi krokodylkami. Do zasilania silnika najlepszy jest akumulator od motocykla lub mały samochodowy. Można też zastosować akumulator od urządzenia do awaryjnego podtrzymywania zasilania sprzętu informatycznego, zamknięty w szczelnej obudowie. Wystarczy, żeby pojemność akumulatora wynosiła kilka amperogodzin, a prąd zwarcia - kilkadziesiąt amperów.

Żeby uruchomić silnik, należy najpierw nałożyć rękawice. Chodzi tu o ochronę nie przed porażeniem prądem elektrycznym, bo akumulator daje niskie napięcie (motocyklowy 6 V, a model do samochodów osobowych - 12 V), ale przed ewentualnym oparzeniem, ponieważ przez silnik popłynie prąd o natężeniu co najmniej kilkunastu amperów. Powoduje to silne nagrzewanie się całego układu. Z tego powodu czas zamknięcia obwodu musi trwać krótko - nie więcej niż ok. 15-20 s. Przed następnym uruchomieniem silnika należy odczekać 2-3 minuty w celu ostygnięcia układu i regeneracji akumulatora.

Bieguny akumulatora łączymy z gniazdami silnika i popchnięciem dłoni lekko obracamy pręt lub rurkę, czyli wirnik naszego silnika, np. w prawo. Okazuje się, że wirnik zaczyna szybki ruch obrotowy (fot. 2). Rozłączamy obwód i wirnik się zatrzymuje. Po ostygnięciu powtarzamy doświadczenie, ale popychając wirnik w przeciwną stronę. Rurka lub pręt też szybko wiruje w kierunku popchnięcia. Spróbujmy jeszcze kilkakrotnie włączyć silnik bez popchnięcia wirnika, pamiętając o krótkich czasach włączenia i przerwach między nimi - prawdopodobnie nie uda się w ten sposób uruchomić silnika (zbudowany model uruchamiał się sam nieoczekiwanie raz na kilkadziesiąt włączeń).

Następnie zmieńmy kierunek przepływu prądu przez silnik, przyłączając go odwrotnie do biegunów akumulatora. Okaże się, że efekty będą takie same. Jeżeli mamy dostęp do transformatora obniżającego napięcie i dającego prąd o natężeniu kilkunastu amperów (np. transformatora bezpieczeństwa, który obniża napięcie do 24 V), to możemy z niego zasilać silnik. Mimo zasilania prądem zmiennym zachowanie silnika się nie zmieni.

Fot. 1. Wygląd zbudowanego modelu silnika (otwór w podstawie służył do przełożenia nici, na której zawieszony był ciężarek podnoszony przez silnik, pasek na rurce ułatwiał pokazanie obrotu).

Dlaczego się kręci?

Działanie tego silnika najpierw próbowano wyjaśnić jakościowo, anizotropową (czyli zależną od kierunku) rozszerzalnością cieplną kulek łożyskowych. Prąd o dużym natężeniu przepływający przez kulki powoduje ich ogrzewanie. Rozpływający się nierównomiernie strumień ciepła skutkuje tym, że kulki przyjmują kształt elipsoid, które napierają na pierścienie łożyska (rys. 2). Do nierównomiernego rozpływu strumienia ciepła przyczyniałby się tzw. koszyczek, utrzymujący kulki w stałych odległościach od siebie. Elipsoidy, nie mogąc zmieścić się między pierścieniami łożyska, musiałyby się obrócić i działając przy tym siłami reakcji wymuszałyby obrót wewnętrznego pierścienia wraz z wirnikiem. Wyjaśnienie to wkrótce okazało się jednak błędne.

Następnie opublikowano kilka prac w prestiżowych czasopismach naukowych, których autorzy przedstawili ilościowo wyjaśnienie działania silnika oddziaływaniami elektromagnetycznymi. Użyli w tym celu m.in. równań: Maxwella, Poissona, Laplace'a, funkcji Bessela, wielomianów Legendre'a, prawa Biota-Savarta, całek potrójnych i innych zaawansowanych metod matematycznych - nie ustrzegając się przy tym błędów rachunkowych.

Fot. 2. Pracujący model silnika z fot. 1, zasilany z małego akumulatora polimerowego od zabawkowego motocykla (szary obszar na rurce, to obraz paska rozmyty w wyniku szybkiego obrotu).

Kolejne metody nie będą już dalej wymieniane, żeby nie wydłużać tekstu i nie odstraszyć Czytelników niezaznajomionych z matematyką wyższą i fizyką teoretyczną. Wspomniane metody matematyczne są konieczne do uzyskania ilościowych wyników, np. obliczenia wartości momentu sił obracającego wirnik, sprawności czy mocy silnika. Zrozumienie zasady działania silnika oraz poprawne wyjaśnienie jakościowe jest jednak możliwe bez tych metod. W jaki sposób?

Analiza wzajemnej orientacji w przestrzeni kierunków przepływu prądu i wektorów indukcji magnetycznej, którą łatwo samodzielnie przeprowadzić, wykorzystując podstawowe wiadomości z fizyki, pokazuje, że przy początkowo nieruchomych kulkach, nie może na nie działać moment sił, powodując ich obrót (rys. 3). Wewnątrz kulek płynie najpierw prąd Ir w kierunku radialnym, który wytwarza początkowe pole magnetyczne o indukcji B0 w płaszczyźnie xz.

Dla uproszczenia, pominięty zostanie niejednorodny rozkład przestrzenny gęstości prądu w objętości kulki, który i tak nie zmienia płaszczyzny występowania pola B0. Niech teraz kulka zostanie obrócona w kierunku k, czyli w lewo wokół osi 0z, przez początkowe popchnięcie wirnika i wewnętrznego pierścienia łożyska w prawo. Wówczas kulka porusza się prostopadle do kierunku pola B0 i indukuje się w niej prąd wtórny Iw, płynący w płaszczyźnie yz.

Oddziaływanie tego prądu z polem magnetycznym B0 powoduje pojawienie się siły elektrodynamicznej F, działającej w płaszczyźnie xy. Moment tej siły skutkuje dalszym obrotem kulki wokół osi 0z. Tak więc kulka toczy się w lewo z prędkością v, po wewnętrznym pierścieniu łożyska. Działanie sił reakcji powoduje, że pierścień ten razem z wirnikiem obraca się w prawo z prędkością v1. To właśnie oddziaływanie wtórnego prądu Iw z pierwotnym polem magnetycznym jest przyczyną ruchu silnika.

Dlaczego jednak silnik czasem uruchamia się bez popychania? Kulki wykonane są ze stali z dodatkiem chromu, która ma właściwości ferromagnetyczne i ulega trwałemu, choć raczej niezbyt silnemu, namagnesowaniu. Kulki znajdują się również w polu magnetycznym o indukcji Bz, wytwarzanym przez prąd płynący w wirniku, stanowiącym odcinek prostoliniowego przewodnika. Linie tego pola mają w przybliżeniu kształt okręgów współśrodkowych, otaczających przewodnik. W korzystnej sytuacji może się zdarzyć, że kierunek namagnesowania kulki po poprzednim zatrzymaniu silnika będzie ustawiony ukośnie względem kierunku wektora Bz. Wtedy po włączeniu silnika kulka ulegnie obrotowi, tak żeby kierunek jej namagnesowania był równoległy do wektora Bz. Ten obrót zastępuje początkowe popchnięcie kulki i powoduje uruchomienie silnika po włączeniu prądu. Warto dodać, że silnik będzie działał również po zastąpieniu łożysk kulkowych przez łożyska wałeczkowe.

Rys. 2. Próba wyjaśnienia działania silnika za pomocą rozszerzalności cieplnej kulek: 1, 2 - pierścienie łożyska: zewnętrzny i wewnętrzny, 3 - kulka, 4 - koszyczek utrzymujący kulki, 5 - rurka lub pręt, 6 - obejma.
Rys. 3. Wyjaśnienie działania silnika za pomocą oddziaływań elektromagnetycznych; Ir - prąd początkowy, B0 - indukcja pola początkowego, k - kierunek popchnięcia kulki, Iw - prąd wtórny, F - siła elektrodynamiczna obracająca kulkę, Bz - indukcja zewnętrznego pola magnetycznego wytwarzanego przez rurkę, v, v1 - prędkości: kulki i pierścienia wewnętrznego, pozostałe oznaczenia takie same, jak w opisie rys. 1.

Opisany silnik nie znalazł dotychczas praktycznego zastosowania, ponieważ ma bardzo małą sprawność i silnie się nagrzewa. Wytwarza również mały moment obrotowy i rozwija niewielką moc, w granicach miliwatów. Przez wiele lat zwracał jednak uwagę fizyków, zarówno profesjonalistów jak i amatorów. Dlaczego? Odpowiedź profesjonalistów jest prosta - nauka ma nie tylko znaczenie praktyczne, ale również (a może przede wszystkim) poznawcze. Wśród amatorów z kolei zbudowanie i uruchomienie tak prostego silnika o tajemniczym działaniu wzbudzało ciekawość i sprawiało przyjemność. Właśnie dzięki amatorom można obejrzeć w Internecie liczne filmy, przedstawiające wyniki eksperymentów z różnymi odmianami tego silnika. Żeby znaleźć więcej wyników, należy wpisać do wyszukiwarki jego angielską nazwę: ball bearing motor - "silnik z łożysk kulkowych".