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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von potentieller
Energie in Rotationsenergie und umgekehrt sowie zur Speicherung
von Rotationsenergie.
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Vorrichtungen
dieser Art werden beispielsweise im Physikunterricht eingesetzt,
um den Lernenden die Umwandlung von potentieller Energie in Rotationsenergie,
die eine spezielle Form der kinetischen Energie ist, und umgekehrt
zu verdeutlichen. Sie bestehen im einfachsten Fall aus einem Pendel, z.
B. einem mittels eines Seils an einem festen Punkt aufgehängten Massestück. Wird
das Massestück aus
seiner Ruhelage ausgelenkt und dann losgelassen, so führt es unter
dem Einfluss der Schwerkraft Schwingungen durch. Hierbei wird ständig potentielle Energie
in kinetische Energie und umgekehrt umgewandelt. Befindet sich das
Massestück
in einem ersten Punkt maximaler Auslenkung, so weist es dort ein Maximum
an potentieller Energie auf. Gleichzeitig ist seine kinetische Energie
gleich Null. Beim Zurückschwingen
wird die potentielle Energie stetig in kinetische Energie umgewandelt,
bis diese beim Durchschwingen durch die Ruhelage ihr Maximum erreicht, während die
potentielle Energie entsprechend reduziert ist. Nach dem Durchschwingen
durch die Ruhelage findet die umgekehrte Umwandlung statt. Jetzt wird
die kinetische Energie des Massestücks stetig in potentielle Energie
umgewandelt, bis das Massestück
einen zweiten Punkt maximaler Auslenkung erreicht. In diesem Punkt
erreicht die potentielle Energie wieder ein Maximum, während die
kinetische Energie des Massestücks
gleich Null ist.
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Zu
einer echten Rotation kommt es hierbei allerdings nicht. Hierfür werden
vielmehr Vorrichtungen benötigt,
die nach Art eines Schwungrades ausgebildet sind, auch zur Speicherung
von Rotationsenergie dienen können
und daher leicht als dauerhafte Energiespender mißverstanden
werden, weil die Pendelbewegung fehlt. Hier könnte eine gezielt angebrachte
Unwucht Abhilfe schaffen, um analog zum Pendel die verschiedenen
Energiearten zu verdeutlichen.
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Vorrichtungen
der beschriebenen Art sind für den
Anschauungsunterricht nicht immer geeignet, da sie einfach zu verstehen
sind und dadurch nicht zu einer tieferen gedanklichen Auseinandersetzung
mit dem Thema Energieumwandlung anregen. Normale Schwungräder sind
dagegen wenig anschaulich und als Energiespeicher nur begrenzt geeignet.
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Ausgehend
hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine
Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art so zu verbessern, dass sie
zu einem komplexeren Verständnis
der Energieumwandlung führt
und – leichtgängige Lagerungen vorausgesetzt – zu einem
auch als Schwungrad nutzbaren Drehkörper führt, bei dem ständige Umwandlungen
von potentieller Energie in kinetische Energie (Rotationsenergie)
und umgekehrt stattfinden.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist Elemente auf, die das Verständnis der Vorrichtung zunächst erschweren,
nach einer intensiven gedanklichen Auseinandersetzung mit ihr das
Verständnis für die grundsätzlichen
Vorgänge
bei der Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie und
umgekehrt jedoch vertiefen. Außerdem
zeigt die Vorrichtung die Grenzen einer dauerhaften Energieerzeugung
auf.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen
näher erläuert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Vorderansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
schematische Schnittansicht eines Details der erfindungsgemäßen Erfindung
entlang der Linie A-A in 1; und
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3 eine
schematische Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Umwandlung von potentieller Energie in Rotationsenergie, eine Form
der kinetischen Energie, und umgekehrt dargestellt.
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Die
Vorrichtung 1 enthält
ein nicht gezeigtes Gestell, in dem ein Drehkörper 2 um eine im
wesentlichen horizontal anzuordnende Drehachse 3 drehbar gelagert
ist. Am Umfang des Drehkörpers 2 ist
eine Mehrzahl von als Hohlkörper
ausgebildeten Führungen 4 verteilt
und radial angeordnet, in denen wenigstens je ein Massestück 5 beweglich
gelagert ist. Den verschiedenen Führungen 4 sind zur
Kennzeichnung der jeweiligen Position die Großbuchstaben A bis P zugeordnet.
Um die 1 übersichtlich
zu gestalten, werden nur die sich an Position A befindende Führung 4 und
deren Teile mit Bezugszeichen versehen. Soll auf Teile anderer Führungen
Bezug genommen werden, so werden diese mit dem entsprechenden Bezugszeichen
bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind die Massestücke 5 als
Kugeln ausgeführt,
die vorzugsweise aus einem Metall hergestellt sind, um sie ausreichend
schwer auszubilden.
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Die
Führungen 4,
die beispielsweise aus Vierkanthohlprofilen mit geraden Achsen hergestellt sind,
definieren für
die darin beweglich gelagerten Kugeln 5 jeweils eine Bahn,
die durch eine einen maximalen radialen Abstand zur Drehachse 4 aufweisende
erste Endposition und eine einen minimalen radialen Abstand zur
Drehachse 3 aufweisende zweite Endposition begrenzt wird.
So befindet sich beispielsweise die Kugel 5 in der Führung 4 an
Position E in der ersten Endposition und die Kugel in der Führung 4 an
Position N in der zweiten Endposition. Die Achsen der Führungen 4 sind
im Ausführungsbeispiel
sämtlich
in einer senkrecht zur Drehachse stehenden Ebene und radial zur
Drehachse 3 angeordnet.
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Zur
Begrenzung der jeweiligen Bahn in der ersten und zweiten Endposition
enthalten die Führungen 4 erste
und zweite Anschlagmittel 6 und 7 für die Kugeln 5,
wobei das jeweils erste Anschlagmittel 6 die erste Endposition
und das jeweils zweite Anschlagmittel 7 die zweite Endposition
festlegt. Alle ersten Anschlagmittel 6 liegen auf einem
gedachten, die Drehachse 3 umgebenden Zylinder mit einem ersten
Radius, und alle zweiten Anschlagmittel 7 liegen ebenfalls
auf einem gedachten, die Drehachse umgebenden Zylinder mit einem
zweiten Radius, wobei beide Zylinder die Drehachse 3 als
Mittelachse haben und der erste Radius größer als der zweite Radius ist.
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Im
Ausführungsbeispiel
sind die ersten Anschlagmittel 6 durch Anschlagwinkel gebildet,
die an radial von der Drehachse 3 abgewandten Seiten der Führungen 4 angebracht
sind. Die zweiten Anschlagmittel 7 sind durch Böden gebildet,
die auf den radial zur Drehachse 3 hingewandten Seiten
der Führungen 4 ausgebildet
sind. Außerdem
sind die Führungen 4 mit
Wänden 8a und 8b versehen,
wobei – in
einer Betriebsdrehrichtung (Pfeil v)
des Drehkörpers 2 betrachtet – die Wände 8a auf
einer vorlaufenden Seite und die Wände 8b auf einer nachlaufenden
Seite angeordnet sind.
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Weiterhin
sind in den Führungen 4 Begrenzungsmittel 9 vorgesehen,
die an den Innenseiten der in Betriebsdrehrichtung (Pfeil v) vorn liegenden Wänden 8a angebracht
und z. B. als schwenkbare Klappen ausgeführt sind. Diese sind an einem
von der Drehachse 3 entfernten Ende der Wände 8a schwenkbar
gelagert und mittels Gelenk mitteln 10, die in 1 als
schwarze Punkte dargestellt sind, um eine im Wesentlichen zur Drehachse 3 parallele
Achse schwenkbar.
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Die
Länge der
Klappen 9 ist so gewählt,
dass ihre Schwenkbewegung nicht behindert wird, solange sich die
in der betreffenden Führung 4 angeordnete
Kugel 5 in der zweiten Endposition oder einer dieser nahe
liegenden Position befindet (vgl. z. B. Position H). In dieser Position
der Kugeln 5 können
die Klappen 9 eine Schwenkbewegung aus derjenigen Lage
heraus, in der sie an den Wänden 8a der
Führungen 4 anliegen
(vgl. z. B. Position G), unter dem Einfluss der Schwerkraft zur
gegenüberliegenden Wand 8b der
Führungen 4 hin
(vgl. z. B. Position H) durchführen,
ohne daran von den betreffenden Kugeln 5 gehindert zu werden.
Nach dem Ausführen
einer solchen Schwenkbewegung erstrecken sich die Klappen 9 über den
Querschnitt der Führungen 4.
Sie begrenzen dadurch die Bewegung der Massestücke 5 radial auswärts, d.
h. hindern diese am Erreichen der Anschlagmittel 6.
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In 2 ist
eine schematische Schnittdarstellung einer in 1 dargestellten
Führung 4 entlang
der Linie A-A gezeigt. Hieraus ist ersichtlich, dass die am Drehkörper 2 angeordneten
Führungen 4 bzw.
deren Wände 8a, 8b eine
mittig verlaufende Ausnehmung 11 aufweisen, die sich, ausgehend
von demjenigen Ende der Führungen 4,
an dem die ersten Anschlagmittel 6 angeordnet sind, über eine
bestimmte Länge
in die Richtung der zweiten Anschlagmittel 7 erstreckt.
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Aus 2 ist
weiterhin erkennbar, dass sich die Begrenzungselemente bzw. Klappen 9 und
die Gelenkmittel 10 nur über einen auf einer Seite der Ausnehmung 11 liegenden
Teil der Führungen 4 erstrecken.
Alternativ wäre
es aber auch möglich,
auf der anderen Seite der Ausnehmung 11 entsprechende Klappen 9 und
Gelenkmittel 10 vorzusehen.
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Zur
Vereinfachung der weiteren Beschreibung der Vorrichtung 1 ist
in 1 ein feststehendes Koordinatensystem mit einer
mit X bezeichneten X-Achse und einer mit Y bezeichneten Y-Achse
dargestellt, dessen Z-Achse in der Drehachse 3 liegt. Die
römischen
Ziffern I bis IV bezeichnen die vier Quadranten dieses Koordinatensystems.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 enthält ferner
ein dem Drehkörper 2 stationär zugeordnetes, zur
Einwirkung auf die Kugeln 5 bestimmtes, unterhalb des Drehkörpers 2 angeordnetes
Betätigungselement 12,
welches im Ausführungsbeispiel
als ein auf Rollbandscheiben 13, 14 beweglich
angeordnetes, endloses Rollband ausgeführt ist, das ein oberes Teil
(Trum) 15a und ein unteres Teil (Trum) 15b aufweist.
Die Rollbandscheiben 13, 14 sind mittels im Wesentlichen
parallel zur Drehachse 3 angeordneter Lagerachsen 16, 17 gehalten
und derart angeordnet, dass das Teil 15a des Betätigungsgelements 12 gerade,
oben, dem Drehkörper 2 zugewandt
und auf einer im Wesentlichen zur X-Achse parallelen Linie angeordnet
ist. Das Betätigungselement 12 ist
bezüglich
des Drehkörpers 2 und
unterhalb von diesem so angeordnet, dass es mit seinem oberen Teil 15a und radial
von außen
her in die Ausnehmungen 11 einer Mehrzahl von Führungen 4 eingreift,
die sich gerade in einem unteren Bereich des Drehkörpers 2 befinden,
und die darin gelagerten Kugeln 5 entgegen der Schwerkraft
in einer Zwischenposition hält.
Der radiale Abstand des Teils 15a von der Drehachse 2 und die
radiale Länge
der Ausnehmungen 11 sind dabei so gewählt, dass zumindest die Kugel 5 der
in der tiefsten Stellung befindlichen Führung 4 vom Teil 15a in
einer Zwischenposition gehalten wird, in der die zugehörige Klappe 9 frei
verschwenkt werden kann, ohne von der betreffenden Kugel 5 behindert
zu werden (vgl. z. B. Position H). Zweckmäßig erstreckt sich das obere
Teil 15a über
einen mehrere Führungen 45 erfassenden Übergangsbereich
zwischen dem III. und IV. Quadranten.
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Im
Folgenden wird die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand
von 1 beschrieben, wobei eine kontinuierliche Drehung
des Drehkörpers 2 in
der Betriebsdrehrichtung (Pfeil v) vorausgesetzt
und ein voller Umlauf einer der Führungen 4 betrachtet
wird.
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Die
Kugel 5, die in der an Position A (II. Quadrant) befindlichen
Führung 4 gelagert
ist, wird durch die auf sie wirkende Schwerkraft in der zweiten
Endposition gehalten, die durch den Boden 7 der Führung 4 festgelegt
wird. Die Klappe 9 wird ebenfalls durch die Wirkung der
Schwerkraft in einer Schwenkposition gehalten, in der ihr freies
Ende an der Wand 8a der Führung 4 anliegt.
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Aufgrund
der Drehung des Drehkörpers 2 gelangt
die sich vorher in der Position A befindende Führung 4 allmählich in
den Bereich der Position D, wobei sie von dem II. Quadranten in
den III. Quadranten übertritt.
Hierbei wird die Kugel 5 durch die Wirkung der Schwerkraft
von der zweiten Endposition in die durch die Anschlagwinkel 6 definierte
erste Endposition bewegt und dort wiederum durch die auf sie wirkende
Schwerkraft gehalten. Die Klappen 9 sowie die Gelenkmittel 10 sind
dabei so ausgeführt,
dass sie die Bewegung der Kugeln 5 von der zweiten in die erste
Endposition auf den durch die Führungen 4 vorgegebenen
Bahnen nicht behindern (vgl. z. B. Position D).
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Im
weiteren Verlauf der Drehung des Drehkörpers 2 durchläuft die
sich vorher in der Position D befindende Führung 4 allmählich den
Quadranten III und gelangt nachfolgend in den Quadranten IV. Kurz vor
dem Verlassen des Quadranten III gelangt der obere und dem Drehkörper 2 zugewandte
Teil 15a des Betätigungselements 12 in
die Ausnehmung 11 (vgl. 2) der Führung 4 (Position
G). Dadurch wird die darin gelagerte Kugel 5 in derjenigen
Position gehalten, die sie gerade relativ zur Y-Achse erreicht hat. Bei
der weiteren Drehung des Drehkörpers 2 gelangt diese
Kugel 5 aufgrund der sich weiterdrehenden, betreffenden
Führung 4 in
dieser radial weiter nach innen bis in eine der zweiten Endposition
nahe Zwischenposition (z. B. Position H). Daher kann die zugeordnete
Klappe 9 im Bereich der Position H bzw. beim Übertritt
einer Führung 4 vom
III. in den IV. Quadranten von der Schwenkposition, in der ihr freies Ende
an der vorlaufenden Wand 8a anliegt, durch Wirkung der
Schwerkraft in eine Schwenkposition schwenken, in der das freie
Ende der Klappe 9 an der nachlaufenden Wand 8b der
Führung 4 anliegt,
so dass sich die Klappe 9 da- durch über den Querschnitt der zugehörigen Führung 4 erstreckt.
Die Klappen 9 und das Betätigungselement 12 wirken hierbei
so zusammen, dass die im Bereich der Position H stattfindenden Schwenkbewegungen
der jeweiligen Klappen 9 nicht durch die von dem Betätigungselement 12 in
Zwischenpositionen gehaltenen Kugeln 5 behindert werden.
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Im
Verlauf der weiteren Drehung des Drehkörpers 2 in Betriebsdrehrichtung
(Pfeil v) gelangt die Führung 4 und
damit die darin gelagerte Kugel 5, die sich zuvor in Position
H befunden hat, allmählich
an eine zwischen den Positionen I und J liegende Stelle im IV. Quadranten,
an dem die Kugel 5 nicht mehr von dem oberen Teil 15 des
Betätigungselements 12 in
einer Zwischenposition gehalten wird, da das Teil 15 in
diesem Bereich allmählich
wieder aus den Ausnehmungen 11 heraustritt (vgl. z. B.
Position I). Die Kugel 5 bewegt sich jetzt aufgrund der
Schwerkraftwirkung in eine durch die Klappe 9 festgelegte,
radial weiter außen
liegende Zwischenposition, die allerdings einen beträchtlichen
Abstand von der ersten Endposition hat. Anders ausgedrückt übernimmt
an dieser Stelle die mit ihrem freien Ende an der Wand 8b anliegende
Klappe 9 das Halten der Kugel 5 in einer Zwischenposition,
d. h. die Klappe 9 verhindert, dass die Kugel 5 aufgrund
der auf sie wirkenden Schwerkraft in die durch die Anschlagmittel 6 festgelegte
erste Endposition zurückkehrt.
Nach dieser Stelle, spätestens
jedoch an der Position J greift das Betätigungselement 12 nicht
mehr in die Ausnehmung 11 (vgl. 2) der jeweiligen
Führung 4 ein.
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Bei
der weiteren Drehung des Drehkörpers 2 gelangt
die Führung 4,
die sich zuvor an der Position J befunden hat, allmählich in
die Position L, in der ein Übertritt
der Führung 4 aus
dem Quadranten IV in den Quadranten I erfolgt. Während dieses Übertritts wird
die Kugel 5 durch die auf sie wirkende Schwerkraft aus
der durch die Klappe 9 festgelegte Zwischenposition in
die zweite, durch den Boden 7 festgelegten Endposition
bewegt und dort gehalten. In der Position L liegt die Klappe 9 weiterhin
mit ihrem freien Ende an der Wand 8b an.
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Im
Laufe der weiteren Drehung des Drehkörpers 2 gelangt die
sich zuvor in der Position L befindende Führung 4 allmählich in
der Position P, wobei hier ein Übertritt
vom I. in den II. Quadranten erfolgt. Im Laufe der Bewegung der
Führung 4 von
der Position L zur Position P wird die darin beweglich gelagerte
Kugel 5 durch die auf sie wirkende Schwerkraft ständig in
der zweiten, durch den Boden 7 festgelegten Endposition
gehalten. Dagegen schwenkt die Klappe 9 – ebenfalls
unter dem Einfluss der Schwerkraft – im Laufe dieser Bewegung
allmählich
in die Schwenkposition zurück,
in der ihr freies Ende an der Wand 8a anliegt.
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Erreicht
die sich vormals an Position P befindende Führung 4 im Laufe der
weiteren Drehung des Drehkörpers 2 allmählich die
Position A, wobei sich die Schwenkposition der Klappe 9 nicht ändert und die
Kugel 5 weiterhin in der zweiten Endposition verbleibt,
so ist die zur Beschreibung der Funktionsweise der Vorrichtung 1 als
Ausgangsposition gewählte Position
A wieder erreicht.
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3 zeigt
eine Vorrichtung 19 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten
dadurch, dass die Führungen 4 keine
Klappen 9 und keine Gelenkmittel 10 aufweisen,
dass die Vorrichtung 1 zusätzlich eine stationäre Tragschiene 20 enthält und dass
das Betätigungselement 12 nicht
waagerecht, unterhalb des Drehkörpers 2 angeordnet
ist, sondern sein oberes Teil 15a sich schräg zur Horizontalen
und seitlich vom Drehkörper
im Bereich von dessen IV. Quadranten erstreckt, wobei wiederum angenommen
ist, dass die Drehachse 3 beim Betrieb der Vorrichtung 1 horizontal
verläuft.
Das Teil 15a erstreckt sich daher von links unten nach
rechts oben und greift dabei in die Ausnehmungen 11 (2)
wenigstens einiger Führungen 4 ein
(vgl. in 3 die Positionen I, J und K).
Dadurch werden die darin gelagerten Kugeln 5 in Zwischenpositionen
bewegt, in diesen gehalten und daran gehindert, in die erste Endposition
zurückbewegt zu
werden. Das Betätigungselement 12 ist
hierbei – ebenso
wie in der in 1 gezeigten Ausführung – stationär angeordnet
und z. B. fest an dem Gestell angebracht. Im Unterschied zu 1 werden
die Kugeln 5 allerdings nicht nur in einer bestimmten Höhe bezüglich der
Y-Achse gehalten, sondern vom Betätigungselement 12,
ausgehend z. B. von der Position H, in einer höheren Lage innerhalb der betreffenden Führung 4 gebracht
(z. B. Position I).
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Die
Tragschiene 20 ist in Drehrichtung v des Drehkörpers 2 hinter dem
Betätigungselement 12 angeordnet,
an durch Bezugszeichen 21 angedeuteten Gestellteilen der
Vorrichtung 19 befestigt und im Wesentlichen über den
ganzen ersten Quadranten I erstreckt. Sie ist vorzugsweise in der
Form eines Zylinderringsegments ausgeführt und mit einer äußeren, längs einer
Zylinderfläche
verlaufenden Führungsfläche 20a versehen,
deren Mittelachse mit der Drehachse 3 zusammenfällt. Die
Tragschiene 20 ragt analog zum Betätigungselement 12 mit
dieser Zylinderfläche
in weitere, nicht gezeigte Ausnehmungen, die von den Böden bzw.
Anschlagmitteln 7 aus in den Führungen 4 bzw. deren
Wänden 8a, 8b ausgebildet sind.
Dabei ragt die Führungsfläche 20a so
tief in die Führungen 4 hinein,
dass die Kugeln 5 im I. Quadranten daran gehindert werden,
aus den am Ende des IV. Quadranten erreichten Zwischenposition heraus in
die zweiten Endpositionen zu gelangen. Das ist erst am Ende des
ersten Quadranten etwa bei der Position P möglich. Im Gegensatz zum Betätigungselement 12 wirkt
die Tragschiene 20 von einer radial innen liegenden Seite
her auf die Kugeln 5 ein. Der Radius der äußeren Führungsfläche 20a der
Tragschiene 20 kann so bemessen sein, dass die Kugeln 5 ihre
z. B. in der Position K erreichte Zwischenstellung beibehalten,
oder auch etwas kleiner sein, wie 3 zeigt.
Außerdem
kann die Tragschiene 20 sich über einen Bereich erstrecken,
der auf beiden Seiten etwas über
das zugewandte Ende des vierten bzw. zweiten Quadranten hinausragt,
bzw. diese Enden überlappen.
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Die
Betriebsweise der Vorrichtung 19 nach 3 ist
im wesentlichen dieselbe wie die oben beschriebene Betriebsweise
der Vorrichtung 1 nach 1. Wie aus 3 ersichtlich
ist, ergeben sich auch hier für
die Kugeln 5 bei einer vollen Umdrehung des Drehkörpers 2 zahlreiche
Lageänderungen mit
entsprechenden Auswirkungen auf die potentielle Energie der Kugeln 5 und
die Rotationsenergie bzw. das Trägheitsmoment
des Drehkörpers 2.
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Im
Folgenden wird die Funktion der in der 3 dargestellten
Vorrichtung 19 beschrieben, wobei eine kontinuierliche
Dehnung des Drehkörpers 2 in
der Betriebsdrehrichtung (Pfeil v)
vorausgesetzt und ein voller Umlauf einer der Führungen 4 betrachtet
wird.
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Die
Kugel 5, die in der an Position A (II. Quadrant) befindlichen
Führung 4 gelagert
ist, wird durch die auf sie wirkende Schwerkraft in der zweiten
Endposition gehalten, die durch den Boden 7 der Führung 4 festgelegt
wird.
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Aufgrund
der Dehnung des Drehkörpers 2 gelangt
die sich vorher in der Position A befindende Führung allmählich in den Bereich der Position
D, wobei sie von dem II. Quadranten in den III. Quadranten übertritt.
Hierbei wird die Kugel 5 durch die Wirkung der Schwerkraft
von der zweiten Endposition in die durch die Anschlagwinkel 6 definierte
erste Endposition bewegt und dort wieder um durch die auf sie wirkende
Schwerkraft gehalten.
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Im
weiteren Verlauf der Drehung des Drehkörpers 2 durchläuft die
sich vorher in der Position D befindende Führung 4 allmählich den
Quadranten III und gelangt nachfolgend in den Quadranten IV. Kurz vor
dem Eintreten des Quadranten IV gelangt der obere und dem Drehkörper zugewandte
Teil 15a des Betätigungselements 12 in
die Ausnehmung 11 (vgl. 2) der Führung 4 (Position
H). Im Laufe der weiteren Drehung des Drehkörpers 2 wird dadurch
diese Kugel 5 in der betreffenden Führung 4 radial nach
innen in eine zwischen der ersten und zweiten Endposition liegende
Zwischenposition bewegt. Diese Zwischenposition erreicht einen minimalen
Abstand zur zweiten Endposition, wenn die betreffende Führung 4 senkrecht
auf dem Teil 15a des Rollbandes steht. Im weiteren Verlauf
der Drehung des Drehkörpers 2 nimmt
der radiale Abstand der Zwischenposition zur zweiten Endposition
wieder ab (vgl. z. B. Position K), bis die Kugel 5, wenn
die sie führende
Führung 4 den Eingriffsbereich
des Rollbandes wieder verlässt, durch
die Schwerkraftwirkung wieder in Richtung der ersten Endposition
belegt wird.
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Durch
die weitere Dehnung des Drehkörpers 2 tritt
die Führung 4,
die sich zuvor noch im Eingriffsbereich des Betätigungselements 12 befunden
hat (vgl. Position K), allmählich
vom IV. Quadranten in den I. Quadranten über. Damit gelangt die Führung 4 in
den Eingriffsbereich der Tragschiene 20, die im I. Quadranten
in die weiteren Ausnehmungen der Führungen 4 eingreift.
Die Tragschiene 20 verhindert dadurch, dass die betreffenden
Kugeln 5 in den zugehörigen
Führungen
mittels Schwerkraft in die zweite Endposition bewegt werden. Im
I. Quadranten werden die Kugeln 5 daher mittels Schwerkraft
nur in eine durch die Tragschiene 20 definierte Zwischenposition
bewegt und in dieser gehalten.
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Im
weiteren Verlauf der Drehung des Drehkörpers 2 tritt die
Führung 4,
die sich zuvor noch im Eingriffsbereich der Tragschiene 20 befunden
(z. B. Position N) allmählich
in den Quadranten 2 über
(vgl. Position P).
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Beim Übertreten
in den Quadranten 2 und somit bei Verlassen des Eingriffsbereichs
der Tragschiene 20, wird die in der betreffenden Führung 4 geführte Kugel 5 aufgrund
der Schwerkraft wieder in die erste Endposition bewegt und dort
gehalten. Nach dem Erreichen der Position A beginnt der beschriebene
Funktionsablauf von vorn.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann in vielfältiger
Weise dazu eingesetzt werden, Lernende und/oder technisch Interessierte
zu einer gedanklichen Auseinandersetzung mit der Umwandlung von potentieller
Energie in kinetische Energie und umgekehrt anzuregen. Die grundsätzlichen
Zusammenhänge
zwischen potentieller Energie und Rotationsenergie als Sonderfall
der kinetischen Energie sowie die diese beschreibenden physikalischen
Gesetze werden als bekannt vorausgesetzt und daher nicht näher erläutert.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Die Vorrichtungen 1, 19 können z.
B., wenn sie gezeigt und/oder ausgestellt werden, von einem für einen
Betrachter nicht unmittelbar sichtbaren Antrieb, beispielsweise einem
Elektromotor, angetrieben werden, so dass beim Betrachter des sich
drehenden Drehkörpers 2 der
Eindruck entsteht, als bewege sich dieser, ohne dass den Vorrichtungen 1, 19 von
außen
Energie zugeführt
wird. Weiterhin können
die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1, 19 in
vielerlei Dimensionen und Abmessungen gefertigt werden. Sie können insbesondere
auch zur Speicherung von Rotationsenergie eingesetzt werden. Hierzu
kann die Drehachse 3 der Vorrichtungen 1, 19 ggf.
unter Zwischenschaltung eines nicht gezeigten Getriebes mit einem
ebenfalls nicht gezeigten Antrieb, beispielsweise über eine Zapfwelle
eines Traktors, mit einem Verbrennungsmotor verbunden werden. Der
Verbrennungsmotor kann den Drehkörper 2 beschleunigen
und so eine bestimmte Energiemenge in den Vorrichtungen 1, 19 speichern.
Zur Entnahme von Energie aus den "aufgeladenen" Vorrichtungen 1, 19 können diese,
ggf. unter Zwischenschaltung eines Getriebes, mit einer Rotationsenergie
benötigenden
Maschine, beispielsweise einer Pumpe, verbunden werden. In diesem Fall
wird in den Vorrichtungen 1, 19 gespeicherte Energie
in Form von mechanischer Energie an die Pumpe od. dgl. abgegeben,
die dadurch Arbeit verrichten kann. Außerdem können einzelne oder mehrere
Teile der Vorrichtungen 1, 19 mit einer reibungsvermindernden
Oberfläche
ausgestattet werden, um dadurch vermeidbare Verluste, insbesondere
Reibungsverluste zu reduzieren. Schließlich versteht sich, dass die
verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und
dargestellten Kombinationen angewendet werden können.