Energie in Magnetische Velden Aantonen Met Een Gaussrifle

Hoe kan een stalen balletje door botsingen met magneten, hoger op een helling aan de andere kant komen, dan de hoogte waarop hij los gelaten wordt? Is er dan nog wel behoud van energie. Met deze instructable kan je zelf een helling maken, waarop je met enkel magneetjes stalen kogels kan versnellen. Vervolgens kan jezelf onderzoeken met welke positionering en hoeveelheid magneten en balletjes de grootste versnelling wordt behaald.

Step 1: Benodigde Materialen En Gereedschap

Materialen:

- Deuvel (6 mm dik) . https://www.gamma.nl/assortiment/gerilde-stok-deuvel

- 3 Schijfmagneten Ø 20 mm, hoogte 5 mm. https://www.supermagnete.nl/schijfmagneten-neodymium

- 15 Stalen kogels Ø 20 mm. https://www.conrad.nl/p/modelcraft-stalen-kogels-20-mm

- Perspex platen van 3 mm dik, 900x600mm.

- Perspex plaat van 6 mm dik, 300x400mm

- Secondelijm, cyanoacrylaat 6g

- Ijzeren plaat 1-2 mm dik, 50x50mm

Gereedschap:

- Laserprinter

- Zaag

- Schuurpapier zeer fijn (K220)

- Lijmklem

- Kolomboor met klokboor met binnendiameter 20 mm

- Ijzervijl

Opmerkingen:

Als voor andere magneten en kogels wordt gekozen, moet opgelet worden dat de diameter van de schijfmagneetjes overeenkomt met de diameter van de stalen kogels. Verder zijn er dan aanpassingen nodig in de dikte van de tussen blokjes, dus zal een andere dikte perplex plaat gebruikt moeten worden en moet het lasersnijdontwerp voor de magneethouders aangepast worden. Verder is het van belang dat de magnetiseer richting van de magneet loodrecht op het platte deel van de schijf staat.

Step 2: Lasersnijden

De hellingbaan kan geproduceerd worden door middel van lasersnijden. In de bijlage staat een bestand die direct naar een lasersnij bedrijf gestuurd kan worden. Dit bestand voldoet aan de eisen van 'Laserbeast', voor andere bedrijven kunnen de eisen verschillen en zal het bestand nog aangepast moeten worden. Bij dit project is gebruik gemaakt van 3mm dik Acrylaat Helder (perplex). Wanneer er geen beschikking is over een lasersnijder, zou de hellingbaan ook zelf uitgezaagd kunnen worden.

Website 'Laserbeest': https://www.laserbeest.nl/

Om de delen van de baan aan elkaar te bevestigen worden perspex blokjes gebruikt, deze worden met een lasersnijder uit een 6 mm dik Acrylaat plaat gesneden. In de bijlage is een bestand toegevoegd, waarin de afmetingen van de verschillende onderdelen staan. Dit bestand voldoet aan de eisen van de meeste laserprinters en kan direct gebruikt worden. Wanneer de laserprinter een .dxf file gebruikt, kunnen de losse bestanden gebruikt worden, hierbij moeten de onderdelen nog vermenigvuldigd worden, zie .ai bestand voor de aantallen. De afmetingen en vorm van de andere onderdelen zoals de magneethouder staan ook in dit bestand.

Step 3: Schuren

Door de hoge temperaturen bij het lasersnijden kunnen de extra onderdelen licht verbrand zijn, en een ruw oppervlak hebben. Om dit weg te werken worden de tussen blokjes en magneethouders bewerkt met schuurpapier. Voor alle oppervlakken die gelijmd moeten worden is het van essentieel belang dat de oppervlakken eerst glad geschuurd worden en vervolgens regelmatig krasjes in worden aangebracht, zodat de seconde lijm beter hecht. Voor oppervlaktes die niet gelijmd worden is het aan te raden de zwarte aanslag weg te schuren, i.v.m. brandgeur.

Op plaatsen waar de tussen blokjes op de helling baan (3 mm perplexplaat) gelijmd worden, moeten ook regelmatige krassen aangebracht worden, zie foto 'regelmatige krassen'.

Step 4: Hellingbaan Lijmen

De hellingbaan bestaat uit vier delen, twee identieke en twee gespiegelde. Twee verschillende delen moeten met tussen blokjes aan elkaar bevestigd worden, zodat een rails ontstaat waarover de stalen kogels kunnen rollen. Houdt hiermee rekening dat de ingegraveerde meetlat aan de buitenkant zit.

Eerst worden de perplex blokjes aan de binnenkant van één van de vier delen van de hellingbaan bevestigd met secondelijm. Het is hier wel belangrijk dat er eerst wordt geschuurd op de plek op de hellingbaan waar de blokjes bevestigt worden. Verder moeten de aan elkaar te lijmen oppervlaktes droog, vet vrij en stof vrij zijn. Dit is noodzakelijk om ervoor te zorgen dat ze goed blijven zitten. Zie de foto voor de positionering van de blokjes. Let op bij het lijmen dat de zijkant van de blokjes niet te dicht tegen de rand waar de balletjes over rollen komt, houd een minimale afstand van 1.5 mm aan. Dit is om te voorkomen dat de kogels de blokjes raken wanneer ze over de baan rollen. Wanneer de blokjes op de lijm geplaatst worden zitten na een seconde vast en krijg je ze niet meer los! De blokjes moeten dus meteen goed gepositioneerd en aangedrukt worden.

Nu wordt het gespiegelde deel met zijn binnenkant aan de blokjes bevestigd met seconde lijm. Weer wordt de binnenkant geschuurd op de plekken waar de blokjes worden vastgelijmd. Om de twee delen nu zo recht mogelijk aan elkaar vast te lijmen worden de platen eerst op elkaar gelegd en goed uitgelijnd. Dit kan het best gedaan worden door de baan recht op te zetten op een papiertje met daarop een rechte hoek getekend. Hierdoor is de onderkant zeker goed uitgelijnd en kan de zijkant uitgelijnd worden door te schuiven totdat de uiteindes beide tegen de getekende lijn aanstaan, zie foto 'helling uitlijnen'. Zet vervolgens de hoek vast met een lijmklem, let hierbij op dat de platen niet verschuiven en nog uitgelijnd staan. Door het buigen van de baan kunnen nu eerst de blokjes aan de smalle zijde worden gelijmd. Begin hierbij aan de kant van de lijmklem, bij het vierkante blokje van 2 cm het dichts bij het smalle uiteinde, zie nummering foto 'positionering blokjes'. Als blokjes 1 tot en met 7 vastzitten kan de lijmklem losgehaald worden en kan de andere kant gelijmd worden. Hierbij is het verstandig om de helling op de verticale zijkant te leggen, zodat deze tijdens het lijmen uitgelijnd blijft.

Herhaal nu hetzelfde proces voor de andere twee delen. Let hierbij op dat slecht één van de twee baanhelften een lang blokje van 34mm uitstekend aan het korte uiteinde bevestigd heeft, zie foto 'positionering blokjes' nummer 7.

Step 5: Magneethouders Assembleren

De magneethouders bestaan uit perplex, twee deuvels, een magneet en een ijzeren schijfje. Zaag de deuvel stok in stukjes van ongeveer 3 cm en schuur de randjes vlak. De drie perplex onderdelen moeten net als de tussen blokjes worden laser gesneden en daarna worden geschuurd. Breng weer regelmatige krassen aan op de plaatsen waar gelijmd moet worden. Teken op de buitenkant 21 mm vanaf een zijkant een hulplijn. Zorg dat de kant van het blokje met meer afstand (4.5 mm) tussen rand en gaatjes aan de bovenkant zit. Bevestig met de deuvels aan beide kant van de baan een blokje met de hulplijn aan de buitenkant, zie foto 'zijkanten op rails'. De bovenkant van de blokjes is op gelijke hoogte met de rails. Breng lijm aan naast de hulp lijn op beide blokjes en ook aan de bovenkant van het blokje. Let hierbij op dat er geen lijm op de hellingbaan komt. Schuif het magneetpoortje hierop en gebruik de hulplijnen om hem recht uit te lijnen, druk stevig aan vanaf de bovenkant.

De magneten zijn gemaakt van neodymium. Deze magneten veroorzaken een sterk magneetveld, maar hebben het nadeel dat ze gemakkelijk breken. Om te voorkomend de magneten breken bij de botsing met de stalen kogels zijn ijzeren schijfjes nodig die de klap 'opvangen' en de magneet bij elkaar houdt. Hiervoor moeten magnetiseerbare ijzeren schijfjes uit een metalen plaat geboord worden. De schijfjes moeten ongeveer dezelfde diameter als de magneten hebben. Let op dat de maat op de klokboorkop de buitenmaat is, terwijl de binnen maat overeen moet komen met de diameter van de magneet Ook is het van belang dat zonder centreer boortje gewerkt wordt. Anders zit er een gat in je schijfje. Er wordt aangeraden om een kolomboor te gebruiken. Na het boren zullen er nog scherpe randjes aan de schijfjes zitten, zie foto 'metalen schijfje onbewerkt'. Zorg er met de ijzervijl voor dat de schijfjes een gladde rand hebben en gebruik de vijl eventueel om te zorgen dat de diameter van de schijf overeenkomt met de diameter van de magneet. Let er op het ijzervijlsel van de schijfjes af te halen voordat deze in contact met de magneet worden gebracht.

Haal de perplex delen los van de rails. Breng lijm aan op het ronde deel en plaats de magneet in het perplex. Zorg dat een kant van de magneet uitgelijnd is met het perplex, of zorg dat de magneet een klein beetje uitsteekt. Plaats een ijzeren schijfje aan de uitstekende kant van de magneet. Het schijfje wordt op zijn plaats gehouden door de magneet en hoeft hierdoor niet vastgelijmd te worden.

Step 6: Baan in Elkaar Zetten

Plaats de twee delen in een lijn achter elkaar. Schuif tussen blokje 7, (Zie foto 'positionering blokjes') in het andere deel. Zorg dat de overgang tussen de twee delen zo glad mogelijk is door eventueel de baan rond en blokje 7 bij te vijlen. De twee banen kunnen hier aan elkaar vast gelijmd worden. Wanneer de banen niet vast gelijmd worden is de baan makkelijker te transporteren en op te slaan.

Zet de magneethouders met de deuvels op de gewenste plaats vast op de baan. Zorg ervoor dat de kant van de magneethouder met het metalen schijfje aan de kant zit waar het balletje komt aanrollen, zodat het inkomende balletje tegen het metalen plaatje botst en niet tegen de magneet. Er wordt aangeraden een magneethouder over de koppeling tussen twee baandelen te plaatsen, zie foto 'koppeling baandelen'. De magneethouder houd de banen bij elkaar en het balletje rolt niet over de onregelmatigheid bij de koppeling tussen de twee banen.

Wanneer de baan niet stevig genoeg staat en makkelijk naar de zijkant omvalt kunnen aan de zijkant van de baan, perplex blokjes gelijmd worden, zie foto 'pootjes'.

De baan is klaar voor gebruik; Plaats achter iedere magneethouder een hoeveelheid stalen balletjes. Laat aan de kant waar het ijzen schijfje is bevestigd een balletje vanaf bijvoorbeeld ongeveer 2 cm hoogte los (zie meetlat op baan) en kijk hoe hoog het balletje aan de andere kant van de baan komt. Experimenteer door het aantal magneethouders en balletjes erachter te veranderen. Met welke opstelling komt het laatste balletje het hoogst?