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Die
Erfindung betrifft ein physikalisches Spielzeug in Form eines Rotationsrichtungswechslers,
bei dem auf Grund einer asymmetrischen Masseverteilung die Richtung
der Hauptträgheitsachsen nicht
mit den geometrischen Symmetrieachsen übereinstimmen.
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Mit
derartigen Rotationsrichtungswechslern, die auch als Keltischer
Stein bekannt sind und dieselben Eigenschaften wie ein Wackelholz
aufweisen, haben Überlieferungen
zufolge keltische Priester Entscheidungsfindungen durchgeführt. Ebenso
wurde die physikalisch nur schwer erklärbare Bewegung dieser Rotationsrichtungswechsler
auch bei archäologischen
Untersuchungen an prähistorischen
keltischen Äxten
und Steinkeilen festgestellt.
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Derartiges „Spielzeug" hat einen physikalischen
Hintergrund und trägt
zur Erklärung
der Wirkungsweise des zugrundeliegenden physikalischen Prinzips
und der Ableitung von Anwendungsgebieten im Sinne der angewandten
Physik bei.
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Neben
dem Lehr- und Lerneffekt zur Vermittlung physikalischer Grundkenntnisse
soll mit derartigen physikalischen „Spielzeugen" die sinnliche Erlebnisfähigkeit
bekannter Phänomene
aus dem Bereich der Physik den interessierten Menschen näher gebracht
werden.
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Aus
de FR 2 757 417 A1 ist ein Spielgegenstand mit einer konvexen Form
vorbekannt, der punktuell auf einer horizontalen Ebene aufliegt
und sich frei um einen Stützpunkt
drehen kann. Kennzeichnend für
diese Erfindung ist, dass der Spielgegenstand zwei feste Stützpunkte
enthält,
wobei sich der zur Rotation im Uhrzeigersinn angeregte Spielgegenstand
bei Rotation um den ersten . Stützpunkt
und der zur Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn angeregte Spielgegenstand
bei Rotation um den zweiten Stützpunkt
spontan umkehrt. Nachteilig an dieser Erfindung ist die Tatsache,
dass der Masseschwerpunkt nicht individuell verlagerbar ist und
nur zwei Positionen einer Schwerpunktverlagerung eingenommen werden
können.
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Weitere
aus dem Stand der Technik vorbekannte ellipsoidal ausgebildete Rotationsrichtungswechsler
mit einem anderen Aufbau sind in der
US 5,137,487 A und in der
US 3,594,944 A beschrieben.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Rotationsrichtungswechsler
vorzuschlagen, mit dem die Wirkung unterschiedlicher Positionen
des Masseschwerpunktes anschaulicher demonstriert und untersucht
werden kann.
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Erfindungsgemäß ist der
Rotationsrichtungswechsler aus der Hälfte eines Ellipsoiden erhältlich, bei
dem mindestens zwei seiner Hauptachsen eine unterschiedliche Länge aufweisen,
und der in Richtung seiner längsten
Hauptachse geschnitten ausgebildet ist. Zum Zwecke der Verlagerung
des Schwerpunktes der Ellipsoidhälfte
ist zumindestens ein in, oberhalb oder unterhalb der Schnittfläche massebehaftetes
Element beliebig positionierbar ausgebildet.
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Entgegen
den aus dem Stand der Technik vorbekannten Rotationsrichtungswechslern
wird in der vorliegenden Erfindung ein beliebig positionierbares
massebehaftetes Element eingesetzt, um eine individuell gewählte Masseschwerpunktsverlagerung des
Rotationsrichtungswechslers vornehmen zu können. Somit können verschiedene
effektvolle Dreh- und Schwingungsbewegungen, die mit einer Drehrichtungsumkehr
einhergehen können,
an nur einem einzigen Rotationsrichtungswechsler nachvollzogen werden.
Ebenso kann die „Best-Position" hinsichtlich der
stärksten Schaukelbewegungen
und des Zeitpunktes der Drehrichtungsumkehr empirisch ermittelt werden.
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Erfindungsgemäß weisen
zwei der Hauptachsen des Rotationsrichtungswechslers etwa die gleiche
Länge und
die dritte Hauptachse eine davon verschiedene Länge auf. Dabei kann die Summe
der Länge
der beiden kurzen Hauptachsen größer oder kleiner
als die Länge
der dritten Hauptachse sein. Im ersten Fall spricht man von einem
gestreckten und im zweiten Fall von einem abgeplatteten Ellipsoid.
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In
einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Schnittfläche des
Rotationsrichtungswechslers zumindestens eine parallel zur Hauptachse
und/oder eine auf der längsten
Hauptachse sich erstreckende Nut auf. Die Nuten) erstrecken sich
ausgehend von der Schnittfläche
in den Körper
des Rotationsrichtungswechsler hinein. Zum Zwecke der asymmetrischen
Masseverteilung des Rotationsrichtungswechslers ist ein verschiebbar ausgebildetes
massebehaftetes Element vorgesehen, dass auf den Nuten aufsitzt
oder in die Nuten eingreift. Das massebehaftete Element weist zur
Sicherstellung der Position während
der Rotationskraftbeaufschlagung Mittel zur Arretierung auf. Diese
Mittel können
als Stellschraube, Klemmeinrichtung oder im einfachsten Fall als
Dorn ausgebildet sein.
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In
den oder im Bereich der Nuten sind zum Zwecke der Wiederholbarkeit
der Demonstration des Effekts eines Rotationsrichtungswechsels entsprechende
Markierungen zur Positionierung des massebehafteten Elements vorgesehen.
Die Markierungen können
gestanzt, geprägt,
aufgeklebt oder aber auch nur aufgezeichnet werden.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind anstelle
der Nuten mehrere beliebig auf der Schnittfläche verteilte Bohrungen vorgesehen,
die ggf. eine unterschiedliche Tiefe aufweisen. Die Bohrungen sind
bevorzugt orthogonal zur längsten
Hauptachse ausgebildet und erstrecken sich ausgehend von der Schnittfläche in den
Körper des
erfindungsgemäßen Rotationsrichtungswechslers
hinein. Diesen Bohrungen sind komplementäre als Zylinder ausgebildete
massebehaftete Elemente zugeordnet, die wahlweise in verschiedene
Bohrungen eingebracht werden können.
Somit kann eine asymmetrische Masseverteilung des Rotationsrichtungswechslers
erzielt werden. Bevorzugt sind die Bohrungen außerhalb der längsten Hauptachse
platziert. Dadurch, dass die massebehafteten Elemente einen dem
Durchmesser der Bohrungen angepasste Querschnitt aufweisen, wird
durch den Formschluss ein Hinaustragen der massebehafteten Elemente aus
den Bohrungen während
der Rotationskraftbeaufschlagung unterbunden. Die Bohrungen können nicht
nur eine unterschiedliche Tiefe, sondern auch einen unterschiedlichen
Durchmesser aufweisen.
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In
einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der
erfindungsgemäße Rotationsrichtungswechsler
eine Schnittfläche
mit einem ferromagnetischen Belag auf. Der ferromagnetische Belag
kann sich vollständig
oder aber auch nur partiell über
die Schnittfläche
erstrecken. Zur Erzielung einer asymmetrsichen Masseverteilung des
Rotationsrichtungswechsler wird ein als Magnet ausgebildetes massebehaftetes
Element eingesetzt. Der ferromagnetische Belag und eine Stirnseite
des massebehafteten Elements sind zur Herstellung des Magnetschlusses
mit einer unterschiedlichen Polarität ausgebildet. Das massebehaftete
Element kann beliebig auf dem ferromagnetischen Belag positioniert
werden, und ergänzend
sichern die auf oder neben dem ferromagnetischen Belag angebrachte
Markierungen die Wiederholbarkeit von empirischen Versuchsreihen.
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Grundsätzlich wird
der erfindungsgemäße Rotationsrichtungswechsler
manuell mit einer Rotationskraft, d. h. durch Drehen per Hand, beaufschlagt. Es
besteht jedoch auch die Möglichkeit,
den Rotationsrichtungswechsler auf eine tellerförmigen Unterlage zu platzieren,
die motorisch angetrieben wird. Dieser mit Hilfsenergie angetriebene
Rotationsrichtungswechsler kann beispielsweise als nicht frei zugängliches
Anschauungsobjekt in einer verschlossenen Glasvitrine aufbewahrt
werden.
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Der
erfindungsgemäße Rotationsrichtungswechsler
kann aus verschiedenen Materialien gefertigt werden. Als bevorzugte
Werkstoffe zur Herstellung werden Holz oder Kunststoff gewählt. Selbstverständlich können auch
Werkstoffe mit einer höheren Dichte
eingesetzt werden, wobei die Effekte des Aufschaukelns und der Drehrichtungsumkehr
des Rotationsrichtungswechslers dann umso größer werden, wenn der Einfluss
der asymmetrischen Masseverteilung bei der Positionierung des ohnehin
relativ leichten massebehafteten Elements sehr groß ist.
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Die
signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem
Stand der Technik sind im Wesentlichen:
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- – massebehaftete
Elemente können
zum Zwecke der Verlagerung des Schwerpunktes des Rotationsrichtungswechslers
in, oberhalb oder unterhalb der Schnittfläche frei positioniert werden,
- – Elemente
mit unterschiedlicher Masse, die ein und dieselbe Position aufweisen,
demonstrieren eine unterschiedliche Wirkung hinsichtlich der Schaukelbewegung
und des Zeitpunktes der Drehrichtungsumkehr sowie
- – unterschiedlich
ausgebildete Schnittflächen
des Rotationsrichtungswechslers gestatten die wahlweise Positionierung
der massebehafteten Elemente in, oberhalb oder unterhalb der Schnittfläche.
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Die
Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium
der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der hier bevorzugten, aber nicht einschränkenden
Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen
besser zu verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:
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1: einen Querschnitt einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
mit Nuten,
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2: einen Längsschnitt
der ersten bevorzugten Ausführungsform
mit Nuten,
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3: einen Querschnitt einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
mit Bohrungen,
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4: einen Längsschnitt
der zweiten bevorzugten Ausführungsform
mit Bohrungen,
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5: einen Querschnitt einer
dritten bevorzugten Ausführungsform
mit ferromagnetischem Belag und
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6: einen Längsschnitt
der dritten bevorzugten Ausführungsform
mit ferromagnetischem Belag.
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Im
Vorfeld der detaillierten Beschreibung der Figuren wird die Wirkungsweise
eines gattungsgemäßen Rotationsrichtungswechslers 1 kurz
beschrieben. Durch das Platzieren eines massebehafteten Elements 5 auf,
in oder unterhalb der Schnittfläche 3 des
Rotationsrichtungswechslers 1 entsteht eine asymmetrische
Masseverteilung im Körper
des Rotationsrichtungswechslers 1. Damit sind die Achsen der
drei Hauptträgheitsmomente
gegenüber
den Halbachsen geneigt. Der Rotationsrichtungswechsler 1 hat
eine bevorzugte Drehrichtung, die von der jeweiligen Lage des Masseschwerpunkts
abhängt. Wird
der Rotationsrichtungswechsler 1 entgegen dieser Vorzugsrichtung
auf einer ebenen Fläche
gedreht, nimmt die Drehwinkelgeschwindigkeit ab. Statt dessen beginnt
der Rotationsrichtungswechsler 1 um seine längste Hauptachse 2.1 zu „wackeln". Nach einigen „Wackelbewegungen" beginnt der Rotationsrichtungswechsler 1 sich
entgegen der Anfangsdrehrichtung zu drehen.
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Die 1 und 2 illustrieren die erste bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rotationsrichtungswechslers 1.
Der aus einer Hälfte eines
Ellipsoiden erhältliche
Rotationsrichtungswechsler 1 weist drei Hauptachsen 2 auf,
wobei zwei der Hauptachsen 2 mit nahezu gleicher Länge und eine
dritte Hauptachse 2.1 mit einer davon verschiedenen Länge ausgebildet
sind. Durch die sich longitudinale Erstreckung in Richtung seiner
längsten Hauptachse 2.1 nimmt
der Rotationsrichtungswechsler 1 im dargestellten Beispiel im Querschnitt
eine Linsenform an. Auf der Schnittfläche 3 des Rotationsrichtungswechslers 1 sind
zwei parallel zur längsten Hauptachse 2.1 und
eine auf der längsten
Hauptachse 2.1 sich erstreckende Nuten 4 vorgesehen,
die an ihren jeweiligen Stirnseiten abgeschrägt bzw. sich verjüngend ausgebildet
sind. Auf der vom Betrachter aus gesehen oberen Nut 4 ist
im rechten Teilbereich ein als Messingschieber ausgebildetes massebehaftetes
Element 5 platziert, dass eine Stellschraube 5.1 zur
Arretierung aufweist. Beim Anziehen der Stellschraube 5.1 werden
zwei voneinander beabstandete Flügel
des massebehafteten Elements 5 nach außen gepresst, so dass das massebehaftete
Element 5 an den Flanken der Nut 4 fest anliegt
und damit in der Nut 4 arretiert wird Bei einer Rotationskraftbeaufschlagung
dreht sich zunächst
der erfindungsgemäße Rotationsrichtungswechsler 1 und
verliert auf Grund der Reibung an Drehgeschwindigkeit. Während der
Rotationsbewegung kippt der Rotationsrichtungswechsler 1 nach
seiner übergewichtigen
Seite. Zu einem späteren
Zeitpunkt beginnt der Rotationsrichtungswechsler 1 sich
entlang seiner längsten Hauptachse 2.1 auf-
und abzuschaukeln und beginnt, sich in entgegengesetzter Richtung
zu drehen. Dieses Aufschaukeln ist dann der Fall, wenn die Drehfrequenz
einen kleineren Wert annimmt als die Wackelfrequenz. Diese Effekte
werden dann sehr deutlich, wenn die Abweichung der Hauptträgheitsachse
von der geometrischen Achsen am größten ist, d. h. wenn das massebehaftete
Element 5 sehr weit vom Mittelpunkt entfernt sind. Im dargestellten
Beispiel der ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung lassen
sich durch das Versetzen des massebehafteten Elements 5 in verschiedene
Nuten 4 zwei Hauptträgheitsachsen
des Rotationsrichtungswechslers 1 verändern.
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Die 3 und 4 zeigen die zweite bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rotationsrichtungswechslers
1 im Querschnitt und Längsschnitt.
Der grundsätzliche
Aufbau entspricht dem der in 1 bzw. 2 gezeigten Ausführung. Die
Unterschiede dazu bestehen jedoch darin, dass auf der Schnittfläche 3 keine
Nuten 4, sondern Bohrungen 6 vorgesehen sind.
Die Bohrungen 6 sind willkürlich auf der Schnittfläche 3 angeordnet,
um eine etwaige Symmetrie bezüglich
der linken und rechten Hälfte
des Rotationsrichtungswechslers 1 zu vermeiden. Im Bereich
jeder Bohrung 6 ist zum Zwecke der Wiederholbarkeit der
Demonstration des Effekts des Rotationsrichtungswechsels 1 auf
der Schnittfläche 3 jeweils
eine Markierung 8 vorgesehen, die im dargestellten Beispiel
mit den Buchstaben „A" bis „D" gekennzeichnet ist.
Die Bohrungen 6 erstrecken sich, ausgehend von der Schnittfläche 3,
in den Körper des
Rotationsrichtungswechslers 1 hinein und sind gegenüber der
längsten
Hauptachse 2.1 orthogonal ausgerichtet. Die Bohrungstiefe
ist ebenso wie die Platzierung der Bohrungen 6 auf der
Schnittfläche 3 willkürlich gewählt, um
verschiedene Effekte hinsichtlich der Intensität und des Zeitpunktes des Aufschaukelns
und der sich daran anschließenden
Drehrichtungsumkehr des Rotationsrichtungswechslers 1 demonstrieren
zu können.
In die Bohrungen 6 können ein
oder mehrere massebehaftete Elemente 5 formschlüssig eingebracht
werden, die bevorzugt eine Zylinderform sowie eine dem Durchmesser
der Bohrung 6 angepassten Querschnitt aufweisen. Optional können die
massebehafteten Elemente 5 an der zur Schnittfläche 3 weisenden
Stirnseite ein als Haken ausgebildetes Griffstück aufweisen, mit dem sie sehr handlich
in die Bohrungen 6 eingebracht . und aus ihnen wieder entnommen
werden können.
Die massebehafteten Elemente 5 können eine unterschiedliche Masse
aufweisen, indem sie beispielsweise aus einem unterschiedlichen
Material gefertigt sind.
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Die 5 und 6 illustrieren einen Querschnitt und
einen Längsschnitt
der dritten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rotationsrichtungswechslers 1.
Der grundsätzliche
Aufbau entspricht wiederum dem der 1 bzw. 2. Anstelle der Nuten 4 bzw.
der Bohrungen 6 ist ein ferromagnetischer Belag 7 vorgesehen,
der sich teilweise über
die Schnittfläche 3 des
Rotationsrichtungswechslers erstreckt. Der ferromagnetische Belag 7 besteht
aus mehreren Streifen, die parallel zueinander und schräg zur längsten Hauptachse 2.1 des
Rotationsrichtungswechsler 1 ausgerichtet sind. Der ferromagnetische
Belag 7 sichert in Wechselwirkung mit den als Magnet ausgebildeten
massebehafteten Elementen 5 den magnetischen Kraftschluss
mit dem massebehafteten Element 5. Naturgemäß weisen der
ferromagetische Belag 7 und die den ferromagnetischen Belag 7 kontaktierende
Seite des massebehafteten Elements 5 eine unterschiedliche
Polarität
auf. Auf den einzelnen Streifen des ferromagnetischen Belags 7 sind
ein oder mehrere Markierungen 8 vorgesehen, die zur wiederholungsfähigen Platzierung
der massebehafteten Elemente 5 dienen.
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- 1
- Rotationsrichtungswechsler
- 2
- Hauptachsen
des Rotationsrichtungswechslers
- 2.1
- längste Hauptachse
- 3
- Schnittfläche
- 4
- Nut
- 5
- massebehaftetes
Element
- 5.1
- Arretierungsmittel
- 6
- Bohrungen
- 7
- ferromagnetischer
Belag
- 8
- Markierungen