DE29502072U1

DE29502072U1 - Mehrfachpendel

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Publication number: DE29502072U1
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Priority date: 1995-02-08
Filing date: 1995-02-08
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2005-02-09

Description

Mehrfachpendel

Mehrgliedrige Pendelanorndnungen weisen bei geeignetem Entwurf chaotisches Bewegungsverhalten auf, das auf nichtlinearen Kopplungserscheinungen beruht. Eine erste Beschreibung dieses Sachverhalts findet sich bei Rott [1], Simulationen und eine Signalanalyse der chaotischen Bewegungen hat Schiehlen [2] veröffentlicht. Im Experiment sind die chaotischen Bewegungen nur kurz zu beobachten, da die Lagerreibung die Bewegungen schnell abbremst. Durch einen elektromagnetischen Antrieb sollen die mechanischen Verluste, die in den Lagern des Pendels auftreten, ausgeglichen werden, so daß das chaotische Bewegungsverhalten des Pendels auf Dauer aufrechterhalten bleibt. Um die Pendelanordung besser verstehen zu können, wird durch Skizzen das Schwingungsverhalten des Mehrfachpendels erläutert, Figur 1.

Den prinzipiellen Aufbau des Pendels zeigt Figur 2.

Das große T-Stück 1 stellt das Hauptpendel dar und ist über eine drehbar gelagerte Achse 2 an einer Wand 5 befestigt. An den beiden Armen des T's sind zwei einfache, kleinere Pendel 3, 4 angebracht, die frei schwingen können. Bei jedem einzelnen Schwinger 1,3, 4 sind Überschläge kinematisch möglich und zulässig.

Die Pendelanordnung läßt sich in die Sensorik, die Steuerung/Regelung und den Antrieb zu unterteilen. Dabei soll der Antrieb für den Betrachter nicht sichtbar sein, das Pendel soll also so aussehen, als ob es ganz von alleine schwingt. Diese Eigenschaft schränkt die Auswahl möglicher Sensoren und Antriebe ein.

Das Pendel schwingt vor einer Wand 5 und der elektromagnetische Antrieb 6 wird in der Grundplatte versenkt. Da sowohl optische als auch akustische Sensoren aus den oben beschriebenen Gründen ausscheiden, werden die elektromagnetischen Lagesensoren 7 in der Rückwand angebracht, um eine Rückkopplung mit dem Antrieb zu verhindern.

1) Für die Sensorik kommen verschiedene Methoden in Betracht, z.B.,

a) Wirbelstromverfahren mit einer Wechselstrombrücke,

b) Hallsensoren,

c) Drehwinkelgeber,

d) Reedkontakte,

e) Magnet mit Spule (mit oder ohne ferromagnetischem Kern).

2) Zum Entwurf einer Steuerung/Regelung muß das Verhalten des angetriebenen Pendels, z.B. durch eine geeignete Simulation, erst genauer spezifiziert werden. Doch auch hier gibt es mehrere Ansätze, die grundsätzlich geeignet sind, das Problem zu lösen:

a) Analoge Steuerung,

b) Digitale Lösung, aufgebaut aus einzelnen, diskreten Logikgattern,

c) Mikroprozessorsteuerung.

Die Steuerung muß flexibel genug sein, um sich dem chaotischen Schwingungsverhalten selbständig anzupassen. Die Lager 2, 8 der Pendel dürfen verständlicherweise nicht durch die Bewegungen überbeansprucht werden, dem Pendel muß auf der anderen Seite aber

auch genügend Energie zugeführt werden, um die mechanischen Verluste der Lager auszugleichen. Außerdem erkennt die Steuerung einen Überschlag des Schwingers.
Da das Mehrfachpendel später auch in verschiedenen Ausfuhrungen, Größen und Proportionen verwendet werden soll, wird der Antrieb flexibel gestaltet. Vor allem die Regelung, die unterschiedliche Akruatoren ansteuert, muß leicht veränderbar sein und ohne größeren Aufwand an verschiedene Verhältnisse angepaßt werden können.

3) Für den Antrieb gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten, die nicht mechanisch in das System eingreifen,

a) ein Elektromagnet

b) ein Linearmotor

Konstruktionsbedingt wird der Antrieb während der Bewegung durch die Regelung zu- und abgeschaltet.

Literatur:

[ 1 ] Rott, N.: A Multiple Pendulum for the Demonstration of Nonlinear Coupling.
Z. Angew. Math. Phys 21 (1970) ,S. 570-582.

[ 2 j Schiehlen, W.: Nonlinear Phenoma in Multibody Systems.
Delft Progress Report 10 (1985) , Nr.2, S. 105-120.

[ 3 ]Rott, D.P., Pendulum Principle Demonstration Apparatus.

Smith, J.C. United States Patent Nr. 5,145,378 (1992)

Claims

Ansprüche

ANSPRUCH 1

Mehrgelenkige Pendelanordnung, mit mindestens einem Hauptpendel und mindestens zwei oder mehreren Hilfspendeln beliebiger Gestalt, dadurch gekennzeichnet, daß das Pendel durch einen Antrieb in Bewegung gehalten wird, und daß die Eigenfrequenzen des Hauptpendels zu den Hilfspendeln in einem ganzzahligen Verhältnis, z.B. 1:2, stehen.

ANSPRUCH 2

Pendelanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Hauptpendel in der unteren Gleichgewichtslage elektromagnetisch in Bewegungsrichtung angetrieben oder gebremst werden.

ANSPRUCH 3

Pendelanordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Lagesensoren die Auslenkung des oder der Hauptpendel(s) messen und daß Antriebskraft und/oder -richtungssinn gesteuert werden.

ANSPRUCH 4

Pendelanordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Lagesensoren die Auslenkung des oder der Hauptpendel(s) messen und nahe dem oberen Totpunkt durch Abschalten des Antriebs begrenzen.

ANSPRUCH 5

Pendelanordnung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Stromversorgung der Antrieb aufrechterhalten bleibt.

ANSPRUCH 6

Pendelanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine programmierbare Steuereinrichtung das Mehrfachpendel einen chaotischen Bewegungszustand einnimmt und aufrechterhält

ANSPRUCH 7

Pendelanordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Hauptpendel mit einem oder mehreren Ankern ausgestattet ist/sind, der/die über seine/ihre Polung die Übertragung der Antriebskraft ermöglicht.

ANSPRUCH 8

Pendelanordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen sichtbaren Rahmen um die Anordnung der Eindruck eines flächigen Mobiles erweckt wird.

ANSPRUCH 9

Pendelanordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch Hintergrundbeleuchtung die angestrahlten Pendel einen künstlerisch ansprechenden Eindruck erwecken.

ANSPRUCH 10

Pendelanordnung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Aufhängevorrichtung das Mehrfachpendel, welches in verschiedenen Größen ausgeführt sein kann, an jeder senkrechten Wand aufgehängt werden kann (z.B. in Rathäusern, Arztpraxen und Privaträumen).

ANSPRUCH 11

Pendelanordnung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Abmessungen und Formen der Pendel beliebig gestaltet werden können. Zur Einhaltung der Eigenfrequenzverhältnisse werden Ausgleichsgewichte an den Pendeln angebracht, die in geeigneter Weise berechnet werden müssen.

ANSPRUCH 12

Pendelanordnung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Hauptpendel mit einem oder mehreren Permanentmagneten ausgestattet ist/sind, der/die über seine/ihre Polung die Übertragung der Antriebskraft ermöglicht.

ANSPRUCH 13

Pendelanomung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Frequenzen im Bereich von 0,1 bis 10 Hz liegen, um mit dem Auge verfolgbar einen ansprechenden künstlerischen Eindruck zu erwecken.