RU2215567C1

RU2215567C1 - Top

Info

Publication number: RU2215567C1
Application number: RU2002119477A
Authority: RU
Inventors: С.Г. Лисицын; С.Я. Опарин
Original assignee: Опарин Сергей Яковлевич; Автономная некоммерческая организация "Челябинский предпринимательский дом"
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2003-11-10

Abstract

FIELD: toy production. SUBSTANCE: top has sharpened rod connected to symmetrical body, and support with cylindrical slot with permanent annular magnet located in bore made in slot wall. Sharpened end of rod is in contact with axial depression formed in slot bottom. Permanent magnet is fixed in sharpened rod above support. Permanent magnets have magnetization orientation of SN-NS or NS-SN. Such construction provides for static and dynamic balance at any inclination angle of support with respect to horizon. Apart from using as amusing toy, top may serve as means for increasing knowledge of physical phenomena. EFFECT: simplified manufacture process, enhanced reliability and convenient operation. 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к наглядным пособиям и может быть использовано для демонстрации физических явлений, а также в детских игрушках типа юлы, волчка и т.д. The present invention relates to visual aids and can be used to demonstrate physical phenomena, as well as in children's toys such as jule, spinning top, etc.

Аналогами предлагаемого изобретения является множество волчков различного вида (юла, кубарь и т.д.). У каждого из волчков конструктивно можно выделить симметричное тело-диск с заостренным стержнем, пронизывающим диск и скрепленным с ним неподвижно. При этом диск и заостренный стержень имеют общую ось материальной симметрии (она направлена вдоль оси стержня перпендикулярно плоскости диска). Волчок устанавливают заостренным стержнем на опорную поверхность и за стержень приводят в быстрое вращение. The analogues of the present invention are many tops of various kinds (yule, kubar, etc.). Each of the tops can structurally distinguish a symmetrical body-disk with a pointed rod piercing the disk and fixed with it motionless. In this case, the disk and the pointed rod have a common axis of material symmetry (it is directed along the axis of the rod perpendicular to the plane of the disk). The top is set with a pointed rod on the supporting surface and is brought into rapid rotation behind the rod.

Известен волчок, содержащий колоколообразное тело, заостренный стержень, юстировочные винты и подпятник. Юстировочные винты используют для приведения центра тяжести волчка к опорной точке. С помощью этого волчка можно демонстрировать устойчивое вращение свободного гироскопа вокруг неподвижной в пространстве динамической оси (К. Магнус. Гироскоп. Теория и применение. М., 1974, с.62). Known top, containing a bell-shaped body, a pointed rod, adjustment screws and a thrust bearing. Adjustment screws are used to bring the center of gravity of the top to the reference point. Using this top, you can demonstrate the steady rotation of a free gyroscope around a dynamic axis that is motionless in space (K. Magnus. Gyroscope. Theory and Application. M., 1974, p. 62).

Недостатком является конструктивная сложность устройства и ограниченные демонстрационные возможности. The disadvantage is the structural complexity of the device and limited demonstration capabilities.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является демонстрационный волчок (RU 2156502 от 02.11.98, опубл. 20.09.2000). The closest analogue of the invention is a demonstration top (RU 2156502 from 02.11.98, publ. 09/20/2000).

Волчок содержит подпятник, колоколообразное тело и заостренный стержень, подпятник. Колоколообразное тело и заостренный стержень соединены с возможностью перемещения острия вдоль оси симметрии диска и фиксации их взаимного расположения. Недостатком указанного устройства является механическое соединение между стержнем и опорой, что усложняет конструкцию. The top contains a thrust bearing, a bell-shaped body and a pointed rod, a thrust bearing. The bell-shaped body and the pointed rod are connected with the possibility of moving the tip along the axis of symmetry of the disk and fixing their relative position. The disadvantage of this device is the mechanical connection between the rod and the support, which complicates the design.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего статическое и, при вращении, динамическое равновесие волчка, за счет сохранения заостренным стержнем угла, близкого к прямому по отношению к плоскости опоры при любом угле наклона опоры по отношению к горизонту как в динамике, так и в статике. The technical task of the invention is to provide a device that provides static and, when rotating, dynamic equilibrium of the top, by maintaining a pointed rod angle that is close to straight with respect to the plane of the support at any angle of inclination of the support relative to the horizon both in dynamics and in statics.

Поставленная задача достигается тем, что в волчке, содержащем опору, заостренный стержень, связанный с симметричным телом, согласно изобретению в опоре выполнена цилиндрическая выемка, в проточке боковой стенки которой установлен постоянный кольцевой магнит, в донной части выемки по оси выполнено углубление, с которым контактирует острие стержня, а в заостренном стержне установлен постоянный магнит, расположенный над опорой, при этом магниты имеют ориентацию намагниченности SN-NS или NS-SN. The task is achieved in that in the top containing the support, a pointed rod connected with a symmetrical body, according to the invention, a cylindrical recess is made in the support, in the groove of the side wall of which there is a permanent ring magnet, an indentation is made along the axis in the bottom of the recess the tip of the rod, and in the pointed rod there is a permanent magnet located above the support, while the magnets have the magnetization orientation SN-NS or NS-SN.

Установка в заостренном стержне постоянного магнита, а в цилиндрической выемке опоры - кольцевого магнита, создает магнитные поля, за счет взаимодействия которых обеспечивается статическое и динамическое равновесие заостренного стержня относительно опоры. The installation of a permanent magnet in the pointed rod, and in the cylindrical recess of the support — the ring magnet — creates magnetic fields, due to the interaction of which the static and dynamic equilibrium of the pointed rod relative to the support is ensured.

Заявляемая ориентация полюсов SN-NS обеспечивает сначала отталкивание, а затем втягивание магнита, установленного в заостренном стержне в кольцевой магнит, что позволяет сохранять статическое и динамическое равновесие заостренного стержня относительно опоры. The claimed orientation of the poles of the SN-NS provides the first repulsion, and then retraction of the magnet installed in the pointed rod in the ring magnet, which allows you to maintain static and dynamic equilibrium of the pointed rod relative to the support.

Заявляемая ориентация полюсов NS-SN также обеспечивает сначала отталкивание, а затем втягивание магнита, установленного в заостренном стержне в кольцевой магнит, что позволяет сохранять статическое и динамическое равновесие заостренного стержня относительно опоры. The claimed orientation of the NS-SN poles also provides first repulsion, and then retraction of the magnet mounted in the pointed rod in the ring magnet, which allows you to maintain static and dynamic balance of the pointed rod relative to the support.

Для расчета поля кольца мысленно разбиваем его на множество малых секторов. To calculate the field of a ring, mentally divide it into many small sectors.

Каждый такой сектор является элементарным магнитом с бесконечно малым магнитным моментом dm=I•dV (I - вектор намагниченности, dV - объем сектора), а потенциал всего кольца есть сумма потенциалов этих моментов:

r²=R²+z², m - магнитный момент на единицу длины кольца,

Здесь M=2πRm - магнитный момент всего кольца. Потенциал кольца:

Напряженность магнитного поля на оси кольца:

Зная поле на оси кольца, можно найти поле и около оси (далее через r обозначено расстояние от оси кольца):

Обозначив ψ = φ″, находим lnψ, ψ′/ψ, ψ″, а затем потенциал и напряженность поля:

График H_z(z) при r=0 изображен на фиг.3. По оси абсцисс отложены значения z/R, a по оси ординат - Н_х/М.Each such sector is an elementary magnet with an infinitely small magnetic moment dm = I • dV (I is the magnetization vector, dV is the volume of the sector), and the potential of the entire ring is the sum of the potentials of these moments:

r ² = R ² + z ² , m is the magnetic moment per unit length of the ring,

Here M = 2πRm is the magnetic moment of the entire ring. Ring potential:

Magnetic field strength on the axis of the ring:

Knowing the field on the axis of the ring, we can find the field near the axis (hereinafter, r denotes the distance from the axis of the ring):

Denoting ψ = φ ″, we find lnψ, ψ ′ / ψ, ψ ″, and then the potential and field strength:

The graph of H _z (z) at r = 0 is shown in FIG. 3. The abscissa shows the z / R values, and the ordinate represents H _x / M.

Как видно из графика, поле имеет минимум в центре кольца (z=0) и максимум на расстоянии ~1,2R от центра. Точное положение максимума можно определить по обычным правилам:

Поместим теперь в магнитное поле кольца магнитный момент (диполь) с моментом m. Тогда

энергия диполя в магнитном поле. Если момент ориентирован вдоль оси кольца, то график его потенциальной энергии совпадает с графиком H_z, отличаясь от него лишь знаком. Сила же, действующая на диполь, тогда равна
F_z=m•dH_z/dz.As can be seen from the graph, the field has a minimum in the center of the ring (z = 0) and a maximum at a distance of ~ 1.2R from the center. The exact position of the maximum can be determined by the usual rules:

We now place the magnetic moment (dipole) with the moment m in the magnetic field of the ring. Then

dipole energy in a magnetic field. If the moment is oriented along the axis of the ring, then the graph of its potential energy coincides with the graph of H _z , differing only in sign from it. The force acting on the dipole is then equal to
F _z = m • dH _z / dz.

График F_z/m от z/R приведен на фиг.4. Как видим, вблизи центра кольца сила положительна, т. е. направлена в сторону оси ОХ, а на расстояниях, превышающих ~1,2R она меняет свое направление и становится силой притяжения. Положение точки равновесия мы нашли раньше, это точка

Если аналогичным образом проанализировать величину и направление сил, действующих на диполь в радиальном направлении, то оказывается, что вблизи центра кольца радиальная сила направлена к оси, а на расстояниях, где z≥0,5•R, радиальная сила направлена от оси. Это означает, что диполь нигде не имеет устойчивого равновесия: там, где он уравновешен в осевом направлении, там он неустойчив в радиальном, и наоборот. На фиг.4 приведен график зависимости отношения F_r/r от z/R, иллюстрирующий сказанное.The graph of F _z / m from z / R is shown in Fig.4. As you can see, near the center of the ring, the force is positive, i.e., directed towards the OX axis, and at distances exceeding ~ 1.2R it changes its direction and becomes an attractive force. The position of the equilibrium point we found earlier is the point

If we similarly analyze the magnitude and direction of the forces acting on the dipole in the radial direction, it turns out that near the center of the ring the radial force is directed to the axis, and at distances where z≥0.5 • R, the radial force is directed from the axis. This means that the dipole has no stable equilibrium anywhere: where it is balanced in the axial direction, there it is unstable in the radial and vice versa. Figure 4 shows a graph of the relationship of the ratio F _r / r from z / R, illustrating the foregoing.

Факт неустойчивости равновесия диполя является прямым следствием того, что постоянное магнитное поле в отсутствие токов является потенциальным. Для таких полей, как известно, существует теорема, утверждающая, что минимальное и максимальное значение для них не может быть достигнуто нигде внутри области, в которой эти поля потенциальны. Этот факт означает, что одними лишь силами со стороны магнитного поля неподвижный диполь не может быть уравновешен. Для уравновешивания следует применить в дополнение к магнитному полю иные силы, например силы тяжести, силы реакции каких-либо стенок и т.п., в нашем случае это точечный контакт острия стержня и углубления опоры. The fact of instability of the dipole equilibrium is a direct consequence of the fact that a constant magnetic field in the absence of currents is potential. For such fields, as you know, there is a theorem that states that the minimum and maximum values for them cannot be achieved anywhere inside the region in which these fields are potential. This fact means that a stationary dipole cannot be balanced only by forces from the magnetic field. For balancing, in addition to the magnetic field, other forces should be applied, for example, gravity, reaction forces of any walls, etc., in our case, this is the point contact of the tip of the rod and the recess of the support.

В результате проведенных патентных исследований не выявлено аналогичных технических решений, что позволяет предположить соответствие предлагаемого изобретения критерию "новизна" и "изобретательский уровень". Может найти применение в промышленности, т.е. считается "промышленно применимым". As a result of the patent research, no similar technical solutions have been identified, which suggests that the proposed invention meets the criteria of "novelty" and "inventive step". May find application in industry, i.e. considered "industrially applicable".

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - представлен общий вид волчка в разрезе, на фиг.2 - схематическое изображение магнитного поля кольца, на фиг.3 - график напряженности магнитного поля на оси кольца, на фиг.4 - график силы, действующей на диполь со стороны кольца, на фиг. 5 - график радиальной силы в поле кольца, на фиг.6 - схема расположения волчка при различных углах наклона опоры. The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 - shows a General view of the top in section, Fig.2 is a schematic representation of the magnetic field of the ring, Fig.3 is a graph of the magnetic field on the axis of the ring, Fig.4 is a graph of the acting on the dipole from the ring side, in FIG. 5 is a graph of the radial force in the field of the ring, FIG. 6 is a diagram of the location of the top at different angles of inclination of the support.

Волчок содержит заостренный стержень 1, связанный с симметричным телом 2, опору 3. В стержне 1 на расстоянии Н от острия установлен магнит 4. В опоре в боковой стенке цилиндрической выемки 5 в проточке 6 установлен кольцевой магнит 7. В донной части выемки 5, на расстоянии h от плоскости опоры 3, обращенной к заостренному стержню 1, выполнено небольшое углубление 8. The top contains a pointed rod 1, connected with a symmetrical body 2, a support 3. In the rod 1, a magnet 4 is installed at a distance H from the tip 4. An annular magnet 7 is installed in the support in the side wall of the cylindrical recess 5 in the groove 6. In the bottom of the recess 5, the distance h from the plane of the support 3, facing the pointed rod 1, made a small recess 8.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Заостренный стержень 1 острием устанавливают в углубление 8, расположенное в донной части выемки 5. В результате взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов 4 и 7 достигается статическое и, при вращении стержня 1, динамическое равновесие относительно опоры 3. Волчок приводится во вращение вручную, и в результате достигнутого равновесия, при любом угле наклона опоры по отношению к горизонту, волчок продолжает вращаться не опрокидываясь. The pointed rod 1 with the tip is installed in the recess 8 located in the bottom of the recess 5. As a result of the interaction of the magnetic fields of the permanent magnets 4 and 7, a static and, when the rod 1 is rotated, dynamic equilibrium with respect to the support 3. The top is rotated manually, and as a result achieved equilibrium, at any angle of inclination of the support relative to the horizon, the top continues to rotate without tipping over.

Как видно из приведенных выше и подтвержденных экспериментально расчетов, на оси намагниченности имеется точка равновесия z, в которой сила взаимодействия магнитных полей кольца и цилиндрического магнита меняет знак на противоположный. При заявляемых ориентациях намагниченности кольца и цилиндрического магнита (SN-NS или NS-SN) до указанной точки происходит отталкивание, а после прохождения этой точки - притяжение (втягивание) цилиндрического магнита в кольцо. Для достижения устойчивого равновесия применен точечный физический контакт острия стержня и углубления опоры. As can be seen from the above calculations and experimentally confirmed, on the axis of magnetization there is an equilibrium point z at which the interaction force of the magnetic fields of the ring and the cylindrical magnet reverses its sign. With the claimed orientations of the magnetization of the ring and the cylindrical magnet (SN-NS or NS-SN), repulsion occurs to the indicated point, and after passing through this point, the cylindrical magnet is attracted (retracted) into the ring. To achieve stable equilibrium, point physical contact of the tip of the rod and the recess of the support are used.

При изменении ориентации намагниченности, например, на SN-SN или NS-NS до указанной точки происходит втягивание цилиндрического магнита в кольцо, а после прохождения этой точки - отталкивание, что не позволяет достичь устойчивого равновесия, несмотря на точечный физический контакт острия стержня и углубления опоры. When the orientation of the magnetization, for example, on SN-SN or NS-NS, changes to the indicated point, the cylindrical magnet is drawn into the ring, and after passing through this point, repulsion occurs, which does not allow to achieve stable equilibrium, despite the point physical contact of the rod tip and the support deepening .

Разница размеров (Н-h) определяет точку равновесия z, находящуюся на оси магнитов выше кольцевого магнита, причем z должно быть больше (Н-h). Поэтому в зависимости от необходимой силы втягивания стержня в кольцо (см. графики), расстояние (Н-h) может быть различным, но не более z, т.е. магнит не должен находиться ниже верхней плоскости подставки (входить в кольцо) и выше z. Если сила втягивания больше веса волчка, то устройство может работать при любом угле наклона. Это достигается уменьшением размера (Н-h), т.е. чем ближе магнит к кольцу, тем больше сила взаимодействия. Поэтому в зависимости от размеров магнитов и силы их взаимодействия и рассчитывается вес стержня. The difference in size (H-h) determines the equilibrium point z located on the axis of the magnets above the ring magnet, and z must be larger (H-h). Therefore, depending on the required force of retraction of the rod into the ring (see graphs), the distance (H-h) can be different, but not more than z, i.e. the magnet should not be below the upper plane of the stand (enter the ring) and above z. If the retraction force is greater than the weight of the top, then the device can work at any angle. This is achieved by reducing the size (H-h), i.e. the closer the magnet is to the ring, the greater the interaction force. Therefore, depending on the size of the magnets and the strength of their interaction, the weight of the rod is calculated.

Таким образом, заявляемый волчок прост в изготовлении, надежен, удобен в эксплуатации, так как сохраняет статическое и динамическое равновесие при любом угле наклона опоры по отношению к горизонту. Thus, the inventive spinning top is easy to manufacture, reliable, easy to use, as it maintains a static and dynamic balance at any angle of inclination of the support relative to the horizon.

Claims

A top containing a pointed rod connected with a symmetrical body and a support, characterized in that a cylindrical recess is made in the support, in the side wall of which a permanent ring magnet is installed in the groove, a recess is made along the axis along the axis of the bottom of the recess, while in the pointed rod there is a permanent magnet located above the support, and the magnets have the magnetization orientation SN-NS or NS-SN.