DE20303846U1 - Mechanical gyroscope for demonstrating interacting centrifugal force and gravitational force has cage movable on vertical pin, with mass pieces eccentrically fastened on gyroscope cage and mass component fitted on lower axial mounting - Google Patents

Mechanical gyroscope for demonstrating interacting centrifugal force and gravitational force has cage movable on vertical pin, with mass pieces eccentrically fastened on gyroscope cage and mass component fitted on lower axial mounting

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Abstract

The mechanical gyroscope is for the demonstrating of centrifugal force and gravitational force acting against each other. The gyroscope has a cage (2) movably suspended on a vertical pin (1), with mass pieces (6) eccentrically fastened on the gyroscope cage for the action of centrifugal force, and for gravitational force a mass component (7) fitted on the lower axial mounting (4) of the gyroscope cage which is axially movable on the pin.

Description

Mechanischer KreiselMechanical gyroscope

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Kreisel mit vertikaler Masseverschiebung. Dabei handelt es sich um ein physikalisches „Spielzeug" zur Demonstration von gegeneinander wirkender Zentrifugalkraft und Gravitationskraft. Derartiges „Spielzeug" mit einem physikalischen Hintergrund trägt zur Erklärung der Wirkungsweise physikalischer Grundprinzipien und der Ableitung von Anwendungsgebieten im Sinne der angewandten Physik bei.The invention relates to a mechanical gyroscope with vertical mass displacement. This is a physical "toy" for demonstrating the opposing effect of centrifugal force and gravitational force. Such a "toy" with a physical background contributes to explaining the way basic physical principles work and deriving areas of application in the sense of applied physics.

Physikalisches Spielzeug hat seit langer Zeit in vielen Ländern seinen Platz gefunden. Physikalisches Spielzeug wird in der Schule eingesetzt, um das Interesse für physikalische Fragen zu wecken und um mit seiner Vorführung zur Klärung der physikalischen Wirkungsweise beizutragen. Neben diesen eher Lehrmittelcharakter tragenden „Spielzeugen" gibt es auch Gegenstände, die bekannte Phänomene aus dem Bereich der Physik als sinnliches Erlebnis vorführen und zunächst Verblüffung auslösen. Manches Spiel lädt zu kleinen Wettkämpfen ein und wird als Herausforderung empfunden. Andere Spielgegenstände bestechen gleichzeitig durch wertvolles Design und dekorativen Charakter und wollen Aufmerksamkeit erzeugen.Physical toys have long been popular in many countries. Physical toys are used in schools to stimulate interest in physics questions and to help clarify the physical mechanism of action through demonstrations. In addition to these "toys" that are more of a teaching aid, there are also objects that demonstrate well-known phenomena from the field of physics as a sensory experience and initially cause astonishment. Some games invite small competitions and are perceived as a challenge. Other toys impress with their valuable design and decorative character and are intended to attract attention.

Der vorliegende erfinderische Gegenstand gehört insbesondere zur letztgenannten GruppeThe present inventive subject matter belongs in particular to the latter group

Aus DE 195 18 122 A1 ist ein Drehimpulskreisel bekannt, der als Spielzeug mit Lehrmodellcharakter dient. Über gelenkige Gestänge und Zugfedern sind die Massestücke zunächst in der Ausgangssituation weit außen von der Drehachse des Kreisels entfernt. Der Kreisel wird in Bewegung versetzt und rotiert mit einer bestimmten Drehzahl. Schlägt man nun auf eine spezielle axiale Schiebestange, werden die Massestücke dicht an die Drehachse gezogen und der Kreisel rotiert plötzlich mit wesentlich gesteigerter Drehzahl.DE 195 18 122 A1 describes an angular momentum gyroscope that serves as a toy with the character of a teaching model. The masses are initially positioned far away from the top's axis of rotation via articulated rods and tension springs. The top is set in motion and rotates at a certain speed. If you then hit a special axial push rod, the masses are pulled close to the axis of rotation and the top suddenly rotates at a significantly increased speed.

Mit dem hier beschriebenen Mechanismus kann nur die Wirkung der Zentrifugalkraft auf das Kreiselprinzip gezeigt werden.The mechanism described here can only demonstrate the effect of centrifugal force on the gyroscopic principle.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der an einem mechanischen Kreisel das Zusammenspiel von Zentrifugalkraft und Gravitationskraft demonstriert werden kann.The object of the invention is to develop a device with which the interaction of centrifugal force and gravitational force can be demonstrated on a mechanical gyroscope.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.An inventive solution to this problem is specified in claim 1. Further developments of the invention are characterized in the subclaims.

Nach der Konzeption der Erfindung besteht die Vorrichtung zur Demonstration des Zusammenspiels von Zentrifugalkraft und Gravitationskraft aus einem an einem senkrechten Stift beweglich aufgehängten Kreiselkäfig mit exzentrisch am Kreiselkäfig befestigten Massestücken für die Wirkung der Zentrifugalkraft und mit einem an der unteren, auf dem Stift axial verschiebbaren Achshalterung des Kreiselkäfigs aufsitzenden Massekörper für die GravitationskraftAccording to the concept of the invention, the device for demonstrating the interaction of centrifugal force and gravitational force consists of a gyroscopic cage movably suspended on a vertical pin with mass pieces eccentrically attached to the gyroscopic cage for the effect of the centrifugal force and with a mass body for the gravitational force sitting on the lower axle holder of the gyroscopic cage, which can be axially moved on the pin.

Der Kreiselkäfig besteht einmal aus der oberen, drehbar auf dem feststehenden Stift, also der Kreiselachse aufsitzenden Achshalterung, über die auch mittels eines axial nach oben verlängerten Griffstücks der manuelle Antrieb des Kreisel erfolgt. Zum anderen besteht der Kreiselkäfig aus mindestens zwei paar Käfigarmen, die sowohl an der oberen Achshalterung als auch an der unteren, axial auf der Kreiselachse verschiebbaren Achshalterung beweglich gelagert und über Gelenke miteinander verbunden sind. An der Gelenkverbindung zwischen den jeweils oberen und unteren Käfigarmen sind die Massestücke für die Zentrifugalkraft befestigt.The gyro cage consists of the upper axle holder, which is rotatable on the fixed pin, i.e. the gyro axis, and which is used to manually drive the gyro using a handle that is extended axially upwards. The gyro cage also consists of at least two pairs of cage arms, which are movably mounted on both the upper axle holder and the lower axle holder, which can be moved axially on the gyro axis, and are connected to one another via joints. The mass pieces for the centrifugal force are attached to the joint connection between the upper and lower cage arms.

Die oberen und unteren Käfigarme sind rotationssymmetrisch angeordnet, so dass sie sich bei der Drehbewegung zu einem Rotationskörper mit annähernd Kugel- bis Ellipsiodform ergänzen. Der Massekörper für die Gravitationskraft ist mit der unteren Achshalterung verbunden und wird bei der KreiselbewegungThe upper and lower cage arms are arranged rotationally symmetrically, so that they complement each other during the rotational movement to form a rotating body with an almost spherical to elliptical shape. The mass body for the gravitational force is connected to the lower axle mount and is

zusammen mit der unteren Achshalterung - axial auf dem Stift/der Kreiselachse gleitend - entgegen der Schwerkraft verschoben.together with the lower axle bracket - sliding axially on the pin/gyro axis - moved against gravity.

Wird der Kreisel nun durch kräftige manuelle Drehbewegung in Rotation versetzt, so streben die an den Gelenken der Käfigarme befestigten exzentrischen Massestücke, angetrieben durch die Zentrifugalkraft, nach außen. Die Käfigform verändert sich mit steigender Drehzahl zu einem zunehmend flachen Rotationsellipsoid, wobei der Massekörper entgegen der Schwerkraft angehoben wird.If the gyroscope is now set in rotation by a strong manual rotation, the eccentric masses attached to the joints of the cage arms strive outwards, driven by centrifugal force. As the speed increases, the cage shape changes to an increasingly flat ellipsoid of rotation, with the mass body being lifted against gravity.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung.
Hier zeigt Fig. 1 die Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen mechanischen Kreisels.Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the accompanying drawing.
Here, Fig. 1 shows the principle diagram of the mechanical gyroscope according to the invention.

Der Kreisel steht auf einem massiven Sockel 9 und ist zur Ausübung der Drehbewegung an einem senkrechten Stift 1 aufgehängt, der gleichzeitig die feststehende Achse des rotierenden Kreiselkäfigs 2 bildet.The gyroscope stands on a solid base 9 and is suspended from a vertical pin 1 to perform the rotary movement, which at the same time forms the fixed axis of the rotating gyroscope cage 2.

Der Kreiselkäfig 2 besitzt eine obere, fest mit dem Griffstück 8 zum manuellen Antrieb des Kreisels verbundene Achshalterung 3. In dieser Achshalterung 3 sind höhenbeweglich die oberen Käfigarme 2.1 arretiert. Die oberen Käfigarme 2.1 bilden zusammen mit den über jeweils ein Gelenk 5 angeschlossenen unteren Käfigarmen 2.2 den eigentlichen Kreiselkäfig 2, der sich im unteren Kontaktbereich mit dem feststehenden Stift (der Kreiselachse) über eine auf dem Stift 1 während der Drehbewegung des Kreisel leicht höhenverschiebbare untere Achshalterung 4 abstützt.The gyro cage 2 has an upper axle holder 3 which is firmly connected to the handle 8 for manually driving the gyro. The upper cage arms 2.1 are locked in this axle holder 3 so that they can be moved in height. The upper cage arms 2.1, together with the lower cage arms 2.2, each connected via a joint 5, form the actual gyro cage 2, which is supported in the lower contact area with the fixed pin (the gyro axis) via a lower axle holder 4 which can be easily moved in height on the pin 1 during the rotation of the gyro.

Der Kreiselkäfig 2 wird durch mindestens zwei paar, jeweils über ein Gelenk 5 beweglich gekoppelte Käfigarme 2.1, 2.2 gebildet.The gyro cage 2 is formed by at least two pairs of cage arms 2.1, 2.2, each movably coupled via a joint 5.

Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel besteht der Kreiselkäfig 2 aus zwei paar einander gegenüber liegenden Käfigarmen 2.1, 2.2 . Der Abstand der Käfigarmpaare zueinander ist immer etwa gleich, d.h. er beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 180° und bei einem Kreiselkäfig mit drei Käfigarmpaaren 120°.In the selected embodiment, the gyro cage 2 consists of two pairs of cage arms 2.1, 2.2 lying opposite one another. The distance between the pairs of cage arms is always approximately the same, i.e. in the embodiment it is approximately 180° and in a gyro cage with three pairs of cage arms it is 120°.

Die einander entgegen wirkenden Massen sind als Massestücke 6 zur Nutzung der Zentrifugalkraft an den Gelenken 5 und als Massekörper 7 für die Gravitationskraft an der unteren höhenverschiebbaren Achshalterung 4 angeordnet.The opposing masses are arranged as mass pieces 6 for utilizing the centrifugal force on the joints 5 and as mass bodies 7 for the gravitational force on the lower height-adjustable axle bracket 4.

Zur Gelenkverbindung ist beispielsweise eine horizontale Gelenkachse 5.1 vorgesehen, auf die die betreffenden Enden von jeweils zwei Käfigarmen 2, die eine passfähige Lochbohrung aufweisen, und vorzugsweise beidseitig je ein zylindrisches Massestück 6 mit axialer Bohrung aufgeschoben ist.For the joint connection, for example, a horizontal joint axis 5.1 is provided, onto which the respective ends of two cage arms 2, each of which has a suitable hole, and preferably a cylindrical mass piece 6 with an axial hole on both sides are pushed.

Wird der Kreisel manuell in Drehung versetzt, streben die schon im Ruhezustand exzentrisch liegenden Massestücke 6 aufgrund der Fliehkräfte noch weiter nach außen. Über die zugehörigen Käfigarme 2.1, 2.2 und Gelenke 5 wird die Fliehkraft in Zugkraft umgewandelt, mit der der größere Massekörper 7 entgegen der Erdanziehungskraft angehoben wird. Je größer nun die Rotationsgeschwindigkeit wird, desto höher wird der Massekörper 7 gehoben und desto flacher ist das Erscheinungsbild des Kreiselkäfigs 2 als Rotationsellipsoid. Mit Verlangsamung der Rotation stellt sich schließlich das Ausgangsbild wieder ein.If the gyroscope is manually rotated, the mass pieces 6, which are already eccentrically positioned when at rest, strive even further outwards due to the centrifugal forces. The associated cage arms 2.1, 2.2 and joints 5 convert the centrifugal force into tensile force, which lifts the larger mass body 7 against the force of gravity. The greater the rotation speed, the higher the mass body 7 is lifted and the flatter the appearance of the gyroscope cage 2 as a rotational ellipsoid. When the rotation slows down, the original image is finally restored.

Die Einzelteile des Kreisels werden vorzugsweise aus Metall gefertigt, für die Herstellung des Kreiselkäfigs 2 können aber auch andere Werkstoffe, beispielsweise geeignete Kunststoffe, eingesetzt werden.The individual parts of the gyro are preferably made of metal, but other materials, such as suitable plastics, can also be used to manufacture the gyro cage 2.

Der „Mechanische Kreisel" ist ein etwa 45 cm hohes Tischobjekt, welches auf interessante Art das bekannte Phänomen der Fliehkräfte und die Umlenkung in eine Zugkraft auf den Massekörper 7 verdeutlicht.The "Mechanical Gyroscope" is a table object about 45 cm high, which illustrates in an interesting way the well-known phenomenon of centrifugal forces and the redirection into a tensile force on the mass body 7.

Liste der BezugszeichenList of reference symbols

11 Stift, KreiselachsePin, gyro axis 22 KreiselkäfigGyro cage 2.1 obere Käfigarme2.1 upper cage arms 2.2 untere Käfigarme2.2 lower cage arms 33 obere Achshalterungupper axle bracket 44 untere Achshalterunglower axle mount 55 Gelenkjoint 5.1 Gelenkachse5.1 Articulated axis 66 MassestückeMass pieces 77 MassekörperMass body 88th GriffstückHandle 99 Sockelbase

Claims (5)

1. Mechanischer Kreisel zur Demonstration von gegeneinander wirkender Zentrifugalkraft und Gravitationskraft, gekennzeichnet durch einen an einem senkrechten Stift (1) beweglich aufgehängten Kreiselkäfig (2) mit exzentrisch am Kreiselkäfig (2) befestigten Massestücken (6) für die Wirkung der Zentrifugalkraft und einem an der unteren, auf dem Stift (1) axial verschiebbaren Achshalterung (4) des Kreiselkäfigs (2) aufsitzenden Massekörper (7) für die Gravitationskraft. 1. Mechanical gyroscope for demonstrating counteracting centrifugal force and gravitational force, characterized by a gyroscope cage ( 2 ) movably suspended on a vertical pin ( 1 ) with mass pieces ( 6 ) eccentrically attached to the gyroscope cage ( 2 ) for the effect of the centrifugal force and a mass body ( 7 ) for the gravitational force sitting on the lower axle holder ( 4 ) of the gyroscope cage ( 2 ) which can be axially displaced on the pin ( 1 ). 2. Mechanischer Kreisel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden Aufbau - einer oberen Achshalterung (3), die drehbar auf dem feststehenden Stift (1), also der Kreiselachse aufsitzt und die nach oben in axialer Verlängerung in einem Griffstück (8) endet, - dem an der oberen Achshalterung (3) angreifenden Kreiselkäfig (2), der mindestens aus zwei paar Käfigarmen (2.1, 2.2) besteht, die sowohl an der oberen Achshalterung (3) als auch an der unteren, axial verschiebbaren Achshalterung (4) beweglich gelagert und über Gelenke (5) miteinander verbunden sind, wobei an der Gelenkverbindung (5) zwischen den jeweils oberen und unteren Käfigarmen (2.1, 2.2) die gegen den mit der unteren beweglichen Achshalterung (4) verbundenen Massekörper (7) für die Gravitationskraft arbeitenden Massestücke (6) für die Zentrifugalkraft befestigt sind. 2. Mechanical gyroscope according to claim 1, characterized by the following structure - an upper axle holder ( 3 ) which is rotatably mounted on the fixed pin ( 1 ), i.e. the gyro axle, and which ends in an axial extension at the top in a handle ( 8 ), - the gyroscopic cage ( 2) engaging the upper axle holder (3 ) , which consists of at least two pairs of cage arms ( 2.1 , 2.2 ) which are movably mounted on both the upper axle holder ( 3 ) and the lower, axially displaceable axle holder ( 4 ) and are connected to one another via joints ( 5 ), wherein the mass pieces ( 6 ) for the centrifugal force, which work against the mass body ( 7 ) for the gravitational force connected to the lower movable axle holder ( 4 ), are fastened to the joint connection ( 5 ) between the upper and lower cage arms ( 2.1 , 2.2 ). 3. Mechanischer Kreisel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen und unteren Käfigarme (2.1, 2.2) symmetrisch zueinander und rotationssymmetrisch angeordnet sind. 3. Mechanical gyroscope according to claim 1 or 2, characterized in that the upper and lower cage arms ( 2.1 , 2.2 ) are arranged symmetrically to each other and rotationally symmetrically. 4. Mechanischer Kreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigarme (2) zum Einnehmen einer Kugel- bis Ellipsoidform des Rotationskörpers eine geeignete konvexe Krümmung aufweisen. 4. Mechanical gyroscope according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cage arms ( 2 ) have a suitable convex curvature for assuming a spherical to ellipsoidal shape of the rotating body. 5. Mechanischer Kreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gelenkverbindung jedes Käfigarmpaares (2.1, 2.2) eine horizontale Gelenkachse (5.1) vorgesehen ist, auf die die betreffenden Enden der Käfigarme 2, die eine passfähige Lochbohrung aufweisen, und vorzugsweise beidseitig je ein zylindrisches Massestück 6 mit axialer Bohrung aufgeschoben ist. 5. Mechanical gyroscope according to one of claims 1 to 4, characterized in that a horizontal joint axis ( 5.1 ) is provided for the joint connection of each pair of cage arms ( 2.1 , 2.2 ), onto which the respective ends of the cage arms 2 , which have a suitable hole, and preferably on both sides a cylindrical mass piece 6 with an axial hole are pushed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2894706A1 (en) * 2005-12-13 2007-06-15 Elisee Evrard Apparatus for checking the existence of gravitational centrifugal acceleration, as in a gravitational centrifugal converter, comprises a motorised rotating head with two carousels, each with four suspended pendulums
CN103028254A (en) * 2012-12-19 2013-04-10 西南交通大学 Gyroscope
PL423948A1 (en) * 2017-12-19 2019-07-01 Uniwersytet Łódzki Device for testing centrifugal force and the buoyant force

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