DE202004013872U1 - Hauptachsenkreisel - Google Patents

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Abstract

Hauptachsenkreisel (1), bestehend aus einer sich longitudinal erstreckenden und angetriebenen Rotationsachse (2) und einem unsymmetrisch ausgebildeten massebehafteten Element (4), das zum Zwecke der Masseschwerpunktsverlagerung des Hauptachsenkreisels (1) zwischen einer Ausgangslage und einer Endlage kippbeweglich an der Rotationsachse (2) befestigt ist, wobei das massebehaftete Element (4) derart zwischen der Ausgangslage und der Endlage beliebig positionierbar ausgebildet ist, dass mindestens in einer Position eine von der Rotationsachse (2) gebildete erste Hauptachse (5.1) und eine von dem massebehafteten Element (4) gebildete zweite Hauptachse (5.2) durch den Masseschwerpunkt des Hauptachsenkreisels (1) verlaufen und dabei das gleiche Trägheitsmoment aufweisen, so dass bei einer Rotationskraft-Beaufschlagung der Rotationsachse (2) der Hauptachsenkreisel (1) eine stabile Rotationsbewegung ausführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein physikalisches Spielzeug in Form eines Hauptachsenkreisels, der zur Demonstration der Wirkung unterschiedlicher Stabilitätskriterien bei eine Rotationskraftbeaufschlagung zu Ausbildungs- und Lehrzwecken eingesetzt werden kann.
  • Jeder starre Körper besitzt drei Hauptträgheitsachsen, die durch den Schwerpunkt des Körpers gehen. Es gibt als drei Möglichkeiten einen Körper ohne Unwucht kreiselartig rotieren zu lassen. Versetzt man diesen Körper in Rotation so ist zu erkennen, dass dieser nur dann störungsfrei und stabil rotiert, wenn die Achse, auf die der Drehimpuls ausgeübt wird, eine der drei Hauptträgheitsachsen ist, wobei Drehungen um Achsen mit dem größten und kleinsten Trägheitsmoment stets stabil und Drehungen um Achsen mit dem mittleren Trägheitsmoment instabil sind. Bei einer Verlagerung des Massenschwerpunkts des rotierenden Körpers verlagern sich folglich die Hauptträgheitsachsen, so dass ggf. die Stabilitätskriterien für eine stabile Rotation nicht mehr erfüllt sind.
  • Das vorliegende „Spielzeug" basiert auf diesem physikalischen Hintergrund und trägt zur Erklärung der Wirkungsweise des zugrundeliegenden physikalischen Prinzips und der Ableitung von Anwendungsgebieten im Sinne der angewandten Physik bei.
  • 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.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hauptachsenkreisel zu entwickeln, dessen Massenschwerpunkt verlagerbar ist und damit die Wirkung unterschiedlicher Stabilitätskriterien anschaulich demonstriert werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem der Hauptachsenkreisel aus einer sich longitudinal erstreckenden und angetriebenen Rotationsachse und einem unsymmetrisch ausgebildeten massebehafteten Element, das zum Zwecke der Masseschwerpunktsverlagerung des Hauptachsenkreisels zwischen einer Ausgangslage und einer Endlage kippbeweglich an der Rotationsachse befestigt ist, aufgebaut ist. Das massebehaftete Element ist dabei derart zwischen der Ausgangslage und der Endlage beliebig positionierbar ausgebildet, dass mindestens in einer Position eine von der Rotationsachse gebildete erste Hauptachse und eine von dem massebehafteten Element gebildete zweite Hauptachse durch den Masseschwerpunkt des Hauptachsenkreisels verlaufen und dabei das gleiche Trägheitsmoment aufweisen. Im Ergebnis der Positionierung des massebehafteten Elements führt der Hauptachsenkreisel bei einer Rotationskraftbeaufschlagung der Rotationsachse eine stabile Rotationsbewegung aus.
  • Der Hauptachsenkreisel ist nach entsprechender Ausrichtung des massebehafteten Elements gegenüber der Rotationsachse ein dynamisch symmetrischer Kreisel mit einer geometrischen Unsymmetrie. Der eine permanente Rotation ausführende Hauptachsenkreisel weist zwei Hauptachsen mit gleichem Trägheitsmoment auf und erfüllt damit ein Stabilitätskriterium in Bezug auf eine stabile Rotation.
  • Mit der vorliegenden Erfindung kann ein Anwender die Lage der Hauptachsen des Hauptachsenkreisels zueinander empirisch ermitteln. Aufgrund des ausgeprägten Symmetrieempfindens des Anwenders würde es wenig Sinn machen, einen regelmäßiges bzw. spiegelsymmetrisches massebehaftetes Element für den Hauptachsenkreisel zu verwenden. Daher wurde für das massebehaftete Element eine unsymmetrische Form gewählt, so dass der Anwender mehrere Versuche benötigt, um die „richtige" Verschwenkposition bzw. Ausrichtung des massebehafteten Elements gegenüber der Rotationsachse zu finden. Wenn der Hauptachsekreisel nunmehr in Rotation versetzt wird, kann der Anwender feststellen, ob seine Prognose den Gesetzen der Physik entspricht: dreht sich der Hauptachsenkreisel stabil, so hat sich seine Vermutung bewahrheitet, andernfalls wird der Hauptachsenkreisel kurzzeitig auf der Aufstellebene tanzen und sich auf Grund seiner instabilen Schwingungen sehr bald auf die Seite legen.
  • Nach der Konzeption der Erfindung ist das massebehaftete Element in einem definierbaren Winkelbereich zwischen der Ausgangslage und der Endlage gegenüber der Rotationsachse des Hauptachsenkreisels verstellbar bzw. verschwenkbar ausgebildet. Das massebehaftete Element entspricht dabei derjenigen Hauptachse des Hauptachsenkreisels, die als einzigste verstellbar ist.
  • Es hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das massebehaftete Element in einem Winkelbereich von bis zu 30° kippbeweglich verstellt werden kann. Das massebehaftete Elements ist dabei in jeder Position zwischen der Ausgangslage und der Endlage fixierbar.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein mit dem massebehafteten Element kippbeweglich verbundenes Koppelelement vorgesehen, dass auf der Rotationsachse beliebig positionierbar und fixierbar ausgebildet ist. Unter Verwendung dieses Koppelelements können geometrisch verschiedenartig ausgebildete massebehaftete Elemente mit der Rotationsachse verbunden werden. Die Anwendung von massebehafteten Elementen mit verschiedenen Geometrien ist dann sinnvoll, wenn empirische Versuchsreihen zur Ermittlung der unterschiedlichen Lage der Hauptachsen durchgeführt werden sollen.
  • Das Koppelelement kann beliebig ausgebildet sein, weist jedoch bevorzugt eine scheibenförmige Gestalt auf. Über den Durchmesser des Koppelelements verlaufend ist eine dem Durchmesser der einteilig ausgebildeten Rotationsachse angepasste Bohrung vorgesehen, durch welche die Rotationsachse geführt und nachfolgend in einer gewünschten Position fixiert wird. Zur Befestigung des massebehafteten Elements mit dem Koppelelement sind entsprechende Mittel vorgesehen. Als geeignete Mittel sind hierbei eine Schraub-, Steck- oder Klemmverbindung vorgesehen.
  • Die Rotationsachse kann ebenso zweiteilig ausgebildet sein. Für diesen Fall sind die beiden axial zueinander ausgerichteten Teile der Rotationsachse in zwei Öffnungen an den Stirnseiten des Koppelelements eingebracht, die bevorzugt diametral zueinander platziert sind.
  • Das eine unsymmetrische geometrische Form aufweisende massebehaftete Element könnte beispielsweise als Bügel ausgebildet sein, dessen Bügelarme sich ausgehend vom Koppelelement beidseitig in einer gemeinsamen Koordinatenebene erstrecken. Es ist aber durchaus auch möglich, auch Bügel als massebehaftetes Element einzusetzen, dessen voneinander unabhängig einstellbare Bügelarme sich nicht in einer gemeinsamen Koordinatenebene erstrecken. Dies führt in der Praxis allerdings zu erheblichen Problemen bei der empirischen Ermittlung der Hauptachsen, da durch die kippbewegliche Verstellung des massebehafteten Elements gleichzeitig zwei Hauptachsen zur Erfüllung des für eine permanente Rotation notwendigen Stabilitätskriteriums, nämlich dass zwei von drei Hauptachsen das gleiche Trägheitsmoment aufweisen und durch den Masseschwerpunkt verlaufen, richtig positioniert werden müssen.
  • Die Rotationsachse des Hauptachsenkreisels kann mit oder ohne Hilfsenergie angetrieben und dabei in Rotation versetzt werden. Bevorzugt weist die Rotationsachse jedoch an ihrem dem Drehpunkt abgewandten Ende Mittel zum manuellen Antrieb auf. Als geeignete Mittel sind dazu eine Rändelmutter oder Flügelmutter vorgesehen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann anstelle eines geometrisch unsymmetrisch ausgebildeten massebehafteten Elements eine Kugel eingesetzt werden, die eine ungleiche Masseverteilung hat. Eine ungleiche Masseverteilung wird beispielsweise dadurch erzielt, indem die Kugel aus unterschiedliche Werkstoffen, jedoch mit einer einheitliche Mantel- bzw. Kugeloberfläche gefertigt ist. Eine weitere Variante zur Fertigung einer Kugel mit unsymmetrischer Masseverteilung besteht darin, dass die aus einem einzigen Werkstoff bestehende Kugel aus mehreren Segmenten gebildet wird, die jeweils eine unterschiedliche Dichte aufweisen. Eine bestimmungsgemäße Kugel weist zudem mehrere sie durchdringende Bohrungen auf, in welche wahlweise die Rotationsachse fixierbar eingesteckt ist. Die Bohrungen können sich hierbei über dem Durchmesser der Kugel erstrecken oder einer beliebigen Sehne der im Querschnitt kreisförmigen Kugel entsprechen.
  • Als bevorzugtes Material für den Hauptachsenkreisel wird Aluminium und/oder Kunststoff und/oder Glas und/oder Kunstglas verwendet. Zur besseren Demonstration des Effekts der instabilen oder stabilen Rotationen des Hauptachsenkreisels werden für das massebehaftete Element und die Rotationsachse unterschiedlichen Materialien eingesetzt.
  • Die Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit der zugehörigen Zeichnung besser zu verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:
  • 1: die Draufsicht auf den Hauptachsenkreisel,
  • 2: eine perspektivische Darstellung des Hauptachsenkreisels sowie
  • 3: eine Explosionsdarstellung des Hauptachsenkreisels.
  • Die 1 bis 3 illustrieren ein und denselben erfindungsgemäßen Hauptachsenkreisel 1 in verschiedenen Ansichten unter Verwendung identischer Bezugszeichen. Der in den 1 bis 3 dargestellte Hauptachsenkreisel 1 besteht aus einer Rotationsachse 2, die an dem vom Betrachter gesehen linken Ende eine Spitze aufweist. Diese Spitze entspricht dem Drehpunkt 2.1 eines vertikal auf einer Aufstellebene aufsitzenden Hauptachsenkreisels 1. An dem der Spitze gegenüberliegenden Ende der Rotationsachse 2 ist zum Zwecke des manuellen Antriebs des Hauptachsenkreisels 1 eine Flügelschraube 2.2 platziert. Die Rotationsachse 2 entspricht einer ersten Hauptachse 5.1. In Bereich der Spitze der Rotationsachse 2 ist eine im Querschnitt kreisförmig ausgebildete Scheibe als Koppelelement 3 lösbar auf der Rotationsachse 2 angeordnet. Das Koppelement 3 weist zwei diametral zueinander ausgerichtete Öffnungen bzw. Bohrungen 3.1 auf, die an der Stirnseite des Koppelelements 3 platziert sind. Wie in der 3 ersichtlich, besteht die Rotationsachse 2 aus zwei Teilen, die jeweils in eine der genannten Bohrungen 3.1 des Koppelelements 3 eingebracht sind. Beide Teile der Rotationsachse 2 verlaufen folglich axial zueinander. Das Koppelelement 3 weist ferner eine Schwenkachse 3.2 auf, an der ein massebehaftetes Element 4 schwenkbar befestigt ist. Das massebehaftete Element 4 weist gemäß den vorliegenden 1 bis 3 eine Bügelform auf, wobei sich die Bügelarme 4.1 ausgehend von dem Koppelelement 3 beidseitig in einer gemeinsamen Koordinatenebene erstrecken. Wie in 3 ersichtlich, umfasst das massebehaftete Element 4 aus fertigungstechnischen Gründen zwei identisch ausgebildete Randstreifen 4.2, zwischen denen bis auf einen Verschwenkbereich Mittelstege 4.3 sandwichartig eingeschlossen sind. Die Mittelstege 4.2 dienen zur Stabilisierung des massebehafteten Elements 4 und verbinden die beiden Randstreifen 4.2 formschlüssig miteinander. In Abhängigkeit eines gewünschten Verschwenkbereiches für das massebehaftete Element 4 um die Schwenkachse 3.2, der bevorzugt 30° beträgt, ist die Aussparung zwischen zwei Mittelstegen 4.3 mehr oder weniger groß bemessen. Dadurch kann das massebehaftete Element 4 zum Zwecke der Schwerpunktsverlagerung des Hauptachsenkreisels 1 gegenüber der Rotationsachse 2 verschwenkt werden. Das massebehaftete Element 4 entspricht hierbei der zweiten Hauptachse 5.2. Es existiert mindestens eine Position, in der die beiden Hauptachsen 5.1, 5.2 ein gleiches Trägheitsmoment aufweisen und dabei durch den Masseschwerpunkt des Hauptachsenkreisels 1 verlaufen. Genau in dieser Position rotiert der Hauptachsenkreisel 1 stabil. Um ungeübte Anwender nach ergebnislosen und ggf. demoralisierenden Versuchen – nämlich die beiden Hauptachsen in der erforderlichen Weise richtig zueinander auszurichtendennoch für das Kreiselphänomen zu begeistern, wird ergänzend zu dem Hauptachsenkreisel 1 eine nicht dargestellte matrizenartige Vorlage mitgeliefert. Auf dieser Vorlage ist diejenige Stellung der Rotationsachse 2 zu dem massebehafteten Element 4 bzw. diejenige Verschwenkposition aufgeprägt oder aufgezeichnet, bei der der erfindungsgemäße Hauptachsenkreisel 1 während seiner Rotation ein Stabilitätskriterium erfüllt.
  • 1
    Hauptachsenkreisel
    2
    Rotationsachse
    2.1
    Drehpunkt
    2.2
    Flügelschraube
    3
    Koppelelement
    3.1
    Öffnungen/Bohrungen
    3.2
    Schwenkachse
    4
    massebehaftetes Element
    4.1
    Bügelarme
    4.2
    Randstreifen
    4.3
    Mittelstege
    5
    Hauptachsen
    5.1
    erste Hauptachse
    5.2
    zweite Hauptachse

Claims (7)

  1. Hauptachsenkreisel (1), bestehend aus einer sich longitudinal erstreckenden und angetriebenen Rotationsachse (2) und einem unsymmetrisch ausgebildeten massebehafteten Element (4), das zum Zwecke der Masseschwerpunktsverlagerung des Hauptachsenkreisels (1) zwischen einer Ausgangslage und einer Endlage kippbeweglich an der Rotationsachse (2) befestigt ist, wobei das massebehaftete Element (4) derart zwischen der Ausgangslage und der Endlage beliebig positionierbar ausgebildet ist, dass mindestens in einer Position eine von der Rotationsachse (2) gebildete erste Hauptachse (5.1) und eine von dem massebehafteten Element (4) gebildete zweite Hauptachse (5.2) durch den Masseschwerpunkt des Hauptachsenkreisels (1) verlaufen und dabei das gleiche Trägheitsmoment aufweisen, so dass bei einer Rotationskraft-Beaufschlagung der Rotationsachse (2) der Hauptachsenkreisel (1) eine stabile Rotationsbewegung ausführt.
  2. Hauptachsenkreisel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das massebehaftete Element (4) in einem Winkelbereich von bis zu 30° zwischen der Ausgangslage und der Endlage gegenüber der Rotationsachse (2) des Hauptachsenkreisels (1) verstellbar ausgebildet ist.
  3. Hauptachsenkreisel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem massebehafteten Element (4) kippbeweglich verbundenes Koppelelement (3) vorgesehen ist, dass auf der Rotationsachse (2) beliebig positionierbar und fixierbar ausgebildet ist.
  4. Hauptachsenkreisel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass geometrisch verschiedenartig ausgebildete massebehaftete Elemente (4) mit dem Koppelelement (3) verbunden werden können.
  5. Hauptachsenkreisel (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das massebehaftete Element (4) eine unsymmetrische geometrische Bügelform aufweist, wobei sich die Bügelarme (4.1) ausgehend vom Koppelelement (3) beidseitig in einer gemeinsamen Koordinatenebene erstrecken.
  6. Hauptachsenkreisel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (2) an ihrem dem Drehpunkt (2.1) abgewandten Ende Mittel, beispielsweise eine Flügelschraube (2.2), zum manuellen Antrieb aufweist.
  7. Hauptachsenkreisel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das massebehaftete Element (4) als Kugel mit unsymmetrischer Masseverteilung ausgebildet ist, und die Kugel durchführende Bohrungen aufweist, in die wahlweise die Rotationsachse (2) eingeführt und fixiert werden kann.
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