Stołowy mobil

Gotowy model

Nadchodzi kwiecień i wraz z nim wiosna. Aż chce się majsterkować. Warto zabrać się do pracy i zrobić stołowy mobil ? perpetuum mobile. Jest nim zębata tarcza z zamocowanymi na dźwigniach ruchomymi ciężarkami.

Tarcza umocowana osiowo na niedużym podpierającym ją suporcie obraca się powoli. Swoim jednostajnym ruchem obrotowym zadaje kłam informacjom, które można usłyszeć na szkolnych lekcjach fizyki. Mimo że jest wiek XXI, nasi nauczyciele nadal utrzymują, że nie można zbudować urządzenia dającego energię znikąd i zwykle nazywanego obraźliwie perpetuum mobile... Udowodnijmy, że jest inaczej.

Nasz model składa się z trzech podstawowych elementów. Pierwszy to drewniana podstawa z suportem. Drugim jest zamocowana na osi zębata tarcza. Trzeci to ruchome dźwignie przymocowane do koła i zakończone ciężarkami. Ciężarki na dźwigniach mogą zmieniać swoje położenie na obwodzie koła. Oto za pomocą drewnianych ciężarków i grubej tektury możemy w naszym warsztaciku próbować zrealizować odwieczne pragnienie ludzkości o stale poruszającym się mechanizmie, który na dodatek może dawać jeszcze energię. Popatrzmy, jak działa nasz prosty mechanizm. Koło zębate umieszczone na osi i podparte na dwu wspornikach ma dwanaście zębów. Ciężarki zamocowane są na wykonanych z drutu, ale sztywnych dźwigniach. Dźwignie mogą opierać się na bocznych powierzchniach zębów koła na dwa sposoby: na dłuższym albo na krótszym boku zęba. Taki sposób zamocowania ciężarków powoduje, że koło musi się obracać. Popatrzmy na schemat i policzmy sami. Po jednej stronie zębatego koła jest osiem ciężarków, natomiast po drugiej, przeciwnej tylko cztery. Osiem ciężarków musi przeważyć pozostałe cztery i koło obróci się. Wskutek tego obrotu górny ciężarek (jeden z tych czterech) zmieni swoje położenie względem osi symetrii koła. Cykl ten powtarza się, aż model ruszy pełnym biegiem. Dzięki takiej przemyślnej konstrukcji koło bezustannie się obraca. Tyle teorii. To jest chyba jasne dla wszystkich? Dlatego proponuję od razu zabrać się do pracy, jeśli chcecie mieć wspaniałą ruchomą ozdobę biurka i wprawić w osłupienie nauczyciela fizyki. Poprawne działanie modelu można zobaczyć na filmie zamieszczonym na stronie ?Młodego Technika? w dziale ?Na warsztacie?.

Materiały: gruby i cienki karton, zwykły biały papier, klej do papieru albo klej montażowy w spreju, okrągła listwa o średnicy 20 milimetrów, może to być uchwyt od szczotki do zamiatania, drut o średnicy 1,5 milimetra, klej w glutownicy, deseczka calowa (czyli o grubości 25 milimetrów), cienka sklejka lub płaska listwa o szerokości 60 milimetrów, papierowa taśma malarska maskująca oraz przeźroczysty lakier i srebrna farba w aerozolu do efektownego pomalowania modelu.

Narzędzia: cyrkiel, ołówek, kątomierz, nóż do tapet, metalowa linijka, wiertarka (najlepiej na statywie), piła ukośnica, ręczna piła do drewna i metalu, kombinerki, pilnik do drewna, glutownica z zapasem kleju na gorąco, papier ścierny.

Zębate koło. Centralne koło o średnicy 180 milimetrów ma dwanaście zębów. Koło zębate w tym wypadku można skonstruować w ten sposób, że określony trójkąt prostokątny obracamy względem osi o 30 stopni. W ten sposób powstaje założone koło zębate. Koło kreślimy samodzielnie na papierze od drukarki albo powiększamy z rysunku zamieszczonego w piśmie. Papier naklejamy na grubą na 6 milimetrów tekturę podwójnie falistą. Do klejenia możemy użyć kleju w spreju, ale trzeba pamiętać o tym, że taki klej pyli i osiada nawet tam, gdzie się tego nie spodziewamy. Należy gazetami dobrze zabezpieczyć miejsce pracy albo zastosować inny, mniej inwazyjny klej z buteleczki albo w sztyfcie. Gdy papier wyschnie, tekturowe koło wycinamy ostrym nożem graficznym, nazywanym także nożem do tapet. Sugeruję, by cięcia dokonać przy użyciu metalowej linijki, co zapewni, że będą proste. Wycięte krawędzie koła z tektury podwójnie falistej nie są w przekroju zbyt efektowne. Dźwigienki z drutu mogłyby się blokować na nierównościach i źle pracować. Dlatego też boki tektury starannie wyrównamy, zaklejając je papierową taśmą samoprzylepną ? taką, jakiej używa się do maskowania malowanych powierzchni.

Koło tylne. W nim będą tkwiły zamocowane dźwignie. Koło to o średnicy 160 milimetrów rysujemy na papierze. Naklejamy na grubą tekturę, tak jak koło zębate. Gdy papier wyschnie, koło wycinamy ostrym nożem graficznym. Brzegi tektury podwójnie falistej także okleimy papierową taśmą samoprzylepną.

Koło przednie. Będzie przyklejone na wierzch koła zębatego i ma zablokować dźwignie, aby nie wypadły w czasie montażu. Wycinamy je ze zwykłej cienkiej tektury lub z kartonu.

Podkładki tekturowe. Potrzebujemy ich jako elementów zakończenia dźwigni, tkwiących w tylnym kole. 36 podkładek przygotujemy hurtem, wiercąc otwory wiertarką w złożonym kilkakrotnie pasku tektury o szerokości około 10 milimetrów. Widać to na fotografii. Podkładki te nie muszą być nawet okrągłe, wycięte kwadraty mają po prostu ścięte rogi.

Dźwignie ciężarków. Zrobimy z drutu o średnicy 0,5 milimetra. Potrzebujemy dwunastu jednakowych odcinków drutu o długości 150 milimetrów. W odległości 15 milimetrów od końca każdy drut zaginamy kombinerkami pod kątem prostym.

Ciężarki. Potrzebujemy dwunastu jednakowych ciężarków. Zrobimy je z pociętego na plastry drewnianego pręta o średnicy 20 milimetrów, na przykład ze starego kija od szczotki. Dobrze jest do przecięcia kija użyć piły ukośnicy, tak by linie cięcia były do siebie równoległe. Każdy ciężarek na długość 15 milimetrów i średnicę 20 milimetrów. Centralnie wiercimy w ciężarkach otworki o średnicy 0,5 milimetra, by drut dźwigienek dało się wsunąć bez oporu. Ciężarki mocujemy na dźwigienkach za pomocą kleju na gorąco serwowanego z glutownicy.

Podstawa. Wytniemy z deski o wymiarach 280 na 100 milimetrów. Deseczkę o grubości 25 milimetrów wyrównamy papierem ściernym, tak jak i pozostałe drewniane elementy modelu. Dobrze jest ściąć, sfazować boczne i górne ranty deski pod kątem 45 stopni. Podstawę możemy polakierować bezbarwnym lakierem w spreju.

Suport. Wytniemy ze sklejki o grubości 3 milimetrów albo z płaskiej listewki o szerokości 60 milimetrów i grubości 5 milimetrów. Wysokość ramion suportu to 270 milimetrów. W górnej części tych elementów w odległości 15 milimetrów od krawędzi wywiercimy otwory na oś. Listewki przyklejamy do deseczki podstawy klejem na gorąco. Nim klej zastygnie, sprawdźmy i skorygujmy ekierką prostopadłość klejonego elementu względem podstawy. To samo zrobimy z drugim elementem suportu. Dla ułatwienia sobie pracy proponuję od razu umieścić oś koła w przeznaczonych dla niej otworach, bo wtedy łatwiej skontrolować położenie obu części suportu także względem siebie. Przyklejany element ustawiamy pod względem jego prostopadłości do podstawy.

Oś koła. ­­­Wykonamy z grubego, prostego odcinka drutu o średnicy 3 milimetrów i długości 120 milimetrów.

Montaż maszyny. Zaczynamy od wywiercenia otworów w tekturowych kołach. Otworki powinny być prostopadłe do płaszczyzny i o średnicy takiej samej jak oś, czyli 3 milimetry. Sugeruję tu użycie wiertarki na statywie, a nie na przykład scyzoryka, bo ten jest akurat pod ręką. W otwory wkładamy oś i klejem na gorąco sklejamy na początek koło zębate z kołem tylnym. Oś zapewni nam prawidłowe, centralne położenie kół względem siebie. Za pomocą szydła przebijamy otwory na druciane dźwignie. Otwory na dźwignie robimy w tylnym kole dokładnie w miejscu, które wyznacza nam styk płaszczyzn zębów na kole zębatym. Dobry i pewny chwyt szydła zapewnią nam kombinerki. Do otworków w ciężarkach wklejamy klejem na gorąco dłuższe końce dźwigni. Dźwignie umieszczamy w kole zębatym, wkładając ich końce w przygotowane otwory koła tylnego. Na koło zębate przyklejamy cienkie tekturowe koło przednie. Jego zadaniem jest zapobiegać wypadnięciu dźwigni. Dlatego koło przednie jest nieco większe niż średnica koła tworzona przez otworki dźwigni. Wreszcie sklejoną tarczę zębatą odwracamy, umieszczając ją na jakiejś podkładce, na przykład ze słoika. Teraz pora na przymocowanie końcówek dźwigni. Na każdy wystający koniec dźwigni nakładamy po trzy wycięte z cienkiej tektury podkładki. Najważniejsze jest to, aby ustawić i przytrzymać dźwignie w takim położeniu nim klej zastygnie, by na całej długości leżała na dłuższym boku zęba. Od tego zależy późniejsza prawidłowa praca modelu. Dla wzmocnienia zawieszenia konstrukcji tarczy zębatej do tylnego koła przykleimy plasterek drewna o grubości 6 milimetrów z wywierconym otworem na oś. Zmontowane koło malujemy srebrnym lakierem w spreju. Gotowe pomalowane koło montujemy pomiędzy ramionami suportu. Zakładamy na oś i sprawdzamy, czy prawidłowo się obraca. Koło powinno być przyklejone prostopadle do osi, a każde ramię dźwigni z ciężarkami powinno bezbłędnie opierać się na płaszczyznach boków koła zębatego.

httpv://youtu.be/HIsKdgXA-fk

Uruchomienie i zabawa. Po zamocowaniu ostatniego ciężarka koło powinno ruszyć bez zbędnych oporów. I tak właśnie może być w prima aprilis. A dlaczego nasza przemyślna zębata tarcza z ruchomymi ciężarkami nie rusza w pozostałe dni roku? Bo w założeniu, że ciężarki po lewej i prawej stronie koła nie równoważą się, tkwił błąd. PRIMA APRILIS. No i dobrze, ale po co się tak męczyliśmy z konstrukcją modelu, który nie ruszy? Może po to, by się przekonać, że to nauka ma rację, a nie tak zwany chłopski rozum. O obrocie lub spoczynku nie decyduje w tym przypadku nierówny ciężar obu połówek zębatej tarczy, a suma momentów obrotowych nie zależy od ciężaru poszczególnych obciążników. Dlatego nawet przy najstaranniejszym wykonaniu modelu tarcza mobilu nie będzie się samoczynnie obracać. Gdybyśmy chcieli jednak, by urządzenie naprawdę ruszyło, jest i na to sposób. To stary dobry silniczek elektryczny z mocną przekładnią, zwykle stosowany do obracania rożna podczas grillowania. Na wystającą oś zębatej tarczy z tyłu modelu przyklejamy klejem na gorąco uprzednio nawiercony osiowo drewniany klocek o prostopadłych ściankach o boku 7 milimetrów. Ma on pasować do kwadratowego otworu, którym zakończona jest fabryczna przekładnia. Napęd ten bez żadnych przeróbek zakładamy na oś zębatej tarczy. Włączamy urządzenie. Gdy silniczek zacznie działać, wystający z obudowy metalowy kołek zaprze się o suport i koło z ciężarkami naprawdę efektownie ruszy. W wypadku, gdy nie mamy silniczka do obracania grilla, możemy zastosować silniczek od jakiejś starej zabawki. Połączyć go z osią naszego modelu ? na przykład za pomocą przekładni pasowej. Do obwodu silniczka i baterii można jeszcze dołożyć żaróweczkę, by oświadczyć, że to model porusza prądnicę, a uzyskany prąd zasila żarówkę. Baterie można ukryć na przykład pod podstawą, ale tu wierzę w prawdziwą kreatywność Czytelników.