ぶらんこ装置(ソレノイド＆リードスイッチ利用)

最近、Facebookで「ぶらんこがどうして揺れ続けるのか？」

ということが話題になっていたので、

私も「ぶらんこ装置」に挑戦してみました。

まず、ソレノイドとリードスイッチを利用したものです。

ある一定のところで、ソレノイドの中心穴に差し込んだ磁石が上昇し

ある一定のところで、磁石が下降します。

磁石が上昇するときに位置エネルギーを蓄え、

下降するときに運動エネルギーに変換することで

揺れ続けることが出来るようです。

映像です。

 
最初は手でコイルを持ち上げますが、
その後は電池の寿命の続く限り、揺れ続けます。
私のこの装置では、どんどん加速することはなく
一定の振幅で揺れ続けました。

＜作成した装置＞

ダイソーのハンダの入っていた透明プラスチックケースにコイルを巻いています。

コイルは ⌀ 0.3mmのAIWを1300回巻き、抵抗分は23.7Ωです。

ソレノイド中心穴の下半分には詰め物をし、

上半分に磁石( ⌀ 12mm×3mmネオジム磁石7個)

を入れています。

電池はリポパック(250mAh)を使用しました。
電池～リードスイッチ～コイルを直列に接続、
さらにコイルに並列にLEDを接続しています。
(LEDのカソードを電池のプラス側)

★磁石は鉄製定規に3個貼っています。(極性は同じ向き)

この3個を通り抜ける間、リードスイッチがオフになることはありません。

★磁石1個でも揺れ続けますが、左右に揺れる幅は少し小さくなります。

★ 磁石5個にすると、だんだん減衰していき、止まってしまいました。

磁石5個のときのスロー映像です。

最初はうまく揺れていますが、次第に減衰し、

映像の後半では、磁石がずっと持ち上がった状態で止まってしまいました。
磁石が中心位置よりも手前の方から持ち上がることが原因でしょうか？
よくわかりません。

 ★磁石を中心に置かず、左右に分けた場合も止まってしまいます。

磁石2個ずつを両端に置いたときのスロー映像です。

中心あたりと両端の 計3か所で磁石が持ち上がっていて、次第に止まってしまいました。

＜2018年10月14日 追記＞

コイルの巻き数を増やし、

電源は3.7V、250mAhのリポパック2個を直列にしてみました。

磁石も前回のものより直径が1mm大きなものを10個使用しています。

①上で紹介したものより揺れる幅は大きくなり、

加速していく様子もわかるようになりました。

②上で紹介したものでは気が付きませんでしたが、

LEDが片側だけで2回光ります。

コイルの電流が切られたときの逆起電力によるものと、

磁石がソレノイドの中に引き込まれる時の発電によるものかと思います。

ぶらんこが揺れ続けるのは、
係数が周期的に変化することで振動現象が起こる「パラメーター励振」という現象だそうです。

簡易ブランコを作成され、シュミレーションで検証されている映像を紹介して頂きました。
https://www.youtube.com/watch?v=OhR1O1kQvi4&t=951s

この映像から画面を1枚キャプチャーさせて頂きました。

理想的な重心の軌跡は

左へ行くときは青線のように持ち上がり、端でストンと落ちて
右へ行くときは、赤線のように持ち上がり、端でストンと落ちる。
といった感じのようです。
また、紐を遅く引いたり、早く引くとぶらんこの振り上がりの時間に影響するようです。

私の装置の重心の軌跡は、映像からするとこのような感じでしょうか・・・
赤線のように持ち上がり、一度落ちて少し跳ね、
点線のように戻ってきます。
上の図の理想形とは少し違いますが、割と似ているように見えます。

私の使用したリードスイッチの動作時間は0.5秒、復旧時間は0.3秒です。

動作時間は リードスイッチが磁石を認識してから
ソレノイドコイルに電流が流れ始めるまでの時間でしょうか？
動作時間に0.5秒要するため、
磁石が持ち上がるタイミングは中心位置に近くになると推測しました。

またリードスイッチが磁石を認識しなくなってから
ソレノイドコイルに流れる電流が切れるまでの時間を
復旧時間と思い、0.3秒間は持ち上がった状態が続き、
その後下降すると推測しました。

また落ちたはずみで磁石が少しバウンドしているように見えます。

ソレノイド装置＆リードスイッチだけではここまでが精一杯で、
やはりマイコン等で制御した方が良さそうですね(^^;
いずれ挑戦してみたいですね。

近いうちに手動方式の「ぶらんこ装置」をアップしようと思っています。
こちらもまた見て下さいね ♪