3.1.2.1 Các bƣớc tiến hành.
Bƣớc 1: Chuẩn bị vật liệu.
- Xe: 2 miếng mica (10cmx8cm). - Ray: 2 miếng mica (10cmx30cm).
- Nam châm các loại: nam châm đen khối (2,5cmx6cmx1cm); nam châm tròn đen (d=2cm); nam châm tròn trắng với các kích thước d=1cm, d=2cm, d=3cm.
Bƣớc 2: Lựa chọn nam châm phù hợp cho cấu hình trên.
Trong bước này, đầu tiên tôi khảo sát khối lượng của từng loại nam châm. Sau đó, tôi tính toán khối lượng của xe, lực đẩy của của hệ thống đối với xe ứng với mỗi loại và số lượng nam châm khác nhau. Cuối cùng, dựa trên những thông tin trên, tôi đưa ra phương án sử dụng nam châm nào cho xe là hợp lý: tổng lực nâng theo phương thẳng đứng lớn hơn trọng lực của xe.
Bảng 2. Khối lựợng của mỗi viên nam châm và xe. Khối lượng (g).
Xe 109,00
Nam châm tròn trắng (d=2cm) 6,03 Nam châm tròn trắng (d=3cm) 10,52 Nam châm tròn đen (d=2cm) 4,34 Nam châm đen vuông (2cmx2,5cm) 9,16 Nam châm đen lớn
(2,5cmx6cmx1cm)
10,63
Giả sử xe được nâng lên cách ray 1cm, khi đó độ lớn trọng lượng của xe, giá trị 21
F , giá trị lực đẩy tổng hợp F tác dụng lên xe được thể hiện trong bảng 3.
Bảng 3. Các thông số của cấu hình ứng với từng trường hợp sử dụng nam châm khác nhau.
Loại nam châm trên xe Số lượng nam châm trên xe Trọng lượng của xe F21 F Tròn trắng (d=2cm) 4 viên 1,33N 1.08N 1.53N Tròn đen (d=2cm) 8viên 1,44N 0,94N 1,33N
Nam châm đen vuông (2cmx2,5cm)
8 viên 1,82N 1.33N 1,88N
Sau khi so sánh trọng lượng của xe và độ lớn lực đẩy, tôi thấy có thể sử dụng nam châm trắng (d=2cm) và nam châm đen vuông (2cmx2,5cm). Tuy nhiên, giá thành của nam châm trắng cao. Do đó, tôi dùng nam châm đen vuông (2cmx2,5cm) để lắp ráp trên xe.
Bƣớc 3: Lắp ráp.
3.1.2.2 Khảo sát mô hình.
- Xe: trên mỗi bên của xe có gắn 4 nam châm đen vuông (2cmx2,5cm) tạo thành một hàng. Bố trí sao cho hai hàng nam châm trên xe đối xứng nhau qua trục của xe.
- Hệ thống ray: gồm 2 hàng nam châm đen lớn (2,5cmx6cmx1cm) cũng được bố trí sao cho đối xứng nhau qua trục của hệ thống.
Kết quả sau khi lắp ráp.
Hình 3.4 Hàng ray mô hình 1.
Hình 3.6 Xe bị hút lệch về một bên hàng ray. Hiện tƣợng quan sát đƣợc.
- Xe không nổi được trên hệ thống ray mà bị hút lệch sang một bên ray.
- Nếu dùng tay tác dụng lên xe một lực hướng xuống, ta thấy xe chịu một lực nâng tổng hợp lớn.
Nguyên nhân dẫn đến hiện tƣợng trên.
Ta có thể coi cơ chế xe nổi trên đệm từ như cơ chế vật nổi chịu tác dụng của hai lực: trọng lực và lực nâng. Khi đó, xe sẽ chịu tác dụng của hai lực: trọng lượng của xe có điểm đặt tại khối tâm xe và lực đẩy có điểm đặt tại giao điểm của F21 và F31. Ta có:
- Xe ở trạng thái cân bằng khi: lực đẩy và trọng lực cân bằng với nhau. - Xe sẽ có xu hướng quay khi khối tâm ở vị trí cao hơn điểm đặt của lực đẩy. - Xe có khối tâm đặt càng thấp thì xe càng được cân bằng bền.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
a. b. c.
Hình 3.7: Các trạng thái của vật: (a) vật đang ở vị trí cân bằng; (b) vật có xu hướng xoay nếu giá của lực F và P không trùng nhau; (c) vật ở vị trí cân bằng bền. Trên thực tế, lực đẩyF21vàF31 có độ lớn khác nhau vì từ trường do nam châm trên hai ray không giống nhau. Do đó, giá của véctơ trọng lực và giá của véctơ lực đẩy tổng hợp không trùng nhau. Chính vì vậy, moment của trọng lực và moment lực nâng tổng hợp sẽ không triệt tiêu nên sẽ có hiện tượng xe bị quay dẫn đến các nam châm trên xe và ray không còn ở vị trí trực đối nữa.
Phƣơng hƣớng điều chỉnh.
Cách 1: Hạ thấp khối tâm của xe bằng cách gia trọng thêm túi cát hai bên xe (tức là tăng thêm khối lượng cho xe).
Kết quả sau khi điều chỉnh.
Vẫn còn hiện tượng xe bị hút lệch về một bên của hàng ray, xe không nổi được trên hệ thống. 𝐹 𝑃 𝑃 𝐹 𝑃 𝐹
Hình 3.8 Xe bị hút lệch về một phía ray sau khi tinh chỉnh.
Cách 2: Gắn mỗi bên xe 1 viên nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm) đặt sao cho vuông góc với hàng nam châm trên ray.
Mục đích:
- Tăng khối lượng của xe để hạ thấp khối tâm của xe.
- Bố trí nam châm trên xe vuông góc với nam châm trên ray để đảm bảo:
Nam châm trên xe luôn được đặt trực diện với nam châm trên ray.
Lực nâng có giá trị gần bằng trường hợp sử dụng nam châm vuông nhỏ trên xe. Xét ở cùng khoảng cách 2cm so với bề mặt nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm), F31 0, 42Nkhi đặt nam châm (2,5cmx6cmx1cm) vuông góc với ray; F31 0,37Nkhi sử dụng nam châm vuông nhỏ trên xe.
Hình 3.9 Xe trong mô hình 2.
Hình 3.10 Xe không được nâng lên trên hệ thống ray.
Hiện tƣợng quan sát đƣợc: Xe không nâng lên được do lực nâng tổng hợp nhỏ hơn trọng lượng của xe vì diện tích tiếp xúc đối nhau của 2 nam châm nhỏ.
Cách 3: Xoay nam châm trên xe theo các hƣớng khác nhau.
Mục đích: Tăng diện tích tiếp xúc đối nhau của 2 nam châm để tăng lực nâng giữa ray và xe.
Hình 3.11 Nam châm được đặt theo phương nằm ngang trên xe.
Hình 3.12 Nam châm được đặt theo phương xiên trên xe.
Hiện tƣợng quan sát đƣợc: xe được đẩy lên nhưng bị hút lệch về một bên ray.
Do đó, tôi chọn phương án đặt nam châm trên xe vuông góc với nam châm trên ray, sau đó tôi sẽ tăng lực đẩy bằng cách thêm hàng nam châm song song với hàng nam châm trên ray.
Phƣơng án 1: Dùng nam châm lớn.
Bố trí mỗi bên của hệ thống ray 2 hàng nam châm song song nhau (hình 3.13). Trên xe thì mỗi bên gắn 1 nam châm sao cho vuông góc với nam châm trên ray.
Hình 3.13 Hệ thống ray gồm 4 hàng nam châm.
Hiện tƣợng quan sát đƣợc: Xe bị lệch do lực đẩy lớn (vì lúc này diện tích tiếp xúc đối nhau của nam châm trên xe và ray được tăng lên gấp đôi so với lúc chưa thêm hàng nam châm).
Hƣớng giải quyết đƣợc đƣa ra:
Hình 3.14 Xe bị hút lệch về một bên ray sau khi chỉnh.
Kết quả: Xe không nổi được trên hệ thống ray và bị hút lệch về một phía của ray (giống hiện tượng mô hình 1).
Phƣơng án 2: Dùng các nam châm nhỏ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tăng lực nâng bằng cách sử dụng thêm hàng nam châm nhỏ đặt song song với hàng nam châm trên ray. Tôi tiến hành khảo sát với từng loại nam châm khác nhau nhưng kết quả thu được xe không được nâng lên. Nếu dùng tay tác động (nhấc nhẹ) vào xe thì xe có xu hướng bị lật và bị hút về một bên của ray.
Ngoài ra, tôi thử thay đổi các vị trí khác nhau của nam châm trên xe nhưng hiện tượng quan sát được đó là không đủ lực đẩy để nâng xe lên hoặc xe được đẩy lên nhưng bị lệch về một bên.
3.1.2.3 Nhận xét.
Từ việc khảo sát thực tế các mô hình trên, tôi nhận thấy rằng cấu hình 1 có nhiều hạn chế.
- Thiếu lực kéo về khi xe bị lật.
- Các nam châm không thể nằm trực diện với nhau được. Trên cùng một mặt cực của nam châm, từ trường không đồng nhất tại mọi điểm nên khi đặt 2 nam châm trực diện nhau thì đó là vị trí cân bằng không bền. Do đó, chỉ cần
nam châm trên xe thay đổi vị trí thì tương tác giữa nam châm trên xe và ray không còn là lực đẩy nữa mà trở thành lực hút.
Hình 3.15 Vị trí trực diện của hai nam châm là vị trí cân bằng không bền.
Kết luận: Ta không thể chế tạo đệm từ trường theo cấu hình 1 được với điều kiện hiện có.
3.2 Cấu hình 2.
3.2.1 Nghiên cứu lý thuyết.
Cấu hình này gồm: hai thanh ray nam châm chạy song song nhau và xe có có gắn nam châm được bố trí như hình 3.15.
Hình 3.15 Phác họa hệ thống nam châm của cấu hình 2. 1
3 2
Từ việc biểu diễn các đường sức từ của nam châm, ta có thể xác định một cách định tính lực tương tác giữa nam châm trên xe với các nam châm trên ray.
Cụ thể đối với cấu hình này, các đường sức từ của nam châm trên xe và ray có xu hướng đẩy nhau và xếp chồng lên nhau. Do đó, giữa nam châm trên xe và ray sẽ xuất hiện lực tương tác có phương như hình 3.16.
Hình 3.16 Mô tả lực tương tác giữa ray và xe.
Theo cấu hình này, xe sẽ chịu tác dụng của hai lực nâng F21 và F31 (như hình 3.16). Ta phân tích 2 lực F21,F31 thành các thành phần trên phương Ox và Oy tương tự như hình 3.3.
Đối với cấu hình 2, ta cũng giả sử từ trường của hai hàng ray là giống nhau, khi đó 31
F = F21 . Chiếu 2 lực lên trục Ox, Oy.
Ox: Fx 0. Oy: F 2F31y.
Thành phần lực theo phương ngang bị triệt tiêu, chỉ còn lại thành phần lực theo phương thẳng đứng làm nâng xe.
3.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm.
𝐹 31
𝐹 21 1
3 2
3.2.2.1 Các bƣớc tiến hành. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Bước 1: Chuẩn bị vật liệu gồm: 2 xe gỗ, nam châm, bàn gỗ, 2 thanh gỗ làm ray, lò xo.
-Bước 2: Lắp ráp và điều chỉnh hệ thống.
3.2.2.2 Kết quả sau khi lắp ráp.
Hình 3.17 Hàng ray từ.
Hình 3.19 Hai xe nổi trên hệ thống ray từ.
Hình 3.20 Xe nổi trên ray nhưng tựa vào một bên ray. Hiện tƣợng quan sát đƣợc.
- Xe được nâng lên bởi hệ thống 2 đường ray nhưng xe tựa vào một trong hai bên thành của ray. Do đó, khi xe chuyển động thì vẫn tồn tại ma sát trượt giữa xe và thành ray.
- Trong quá trình chuyển động, tại một số vị trí xe bị dao động.
- Khi xe chuyển động nhanh trên ray lực ma sát tác dụng lên xe có xu hướng ít hơn so với trường hợp xe chuyển động chậm.
Giải thích hiện tƣợng xe chuyển động tựa vào thành của ray và hƣớng khắc phục.
Xe chuyển động tựa vào thành của ray.
Nguyên nhân.
- Từ trường của các nam châm không giống nhau. Mặc dù ta đã lựa chọn nam châm trên cùng một ray có độ lớn cường độ từ trường gần bằng nhau nhưng từ trường do các nam châm ghép lại trên một ray không đều.
- Do hạn chế về số lượng nam châm có độ lớn từ trường gần bằng nhau nên các nam châm trên hai thanh ray có hai giá trị khác nhau (một ray gồm những nam châm có giá trị từ trường gần 11,6mT; ray còn lại gồm các nam châm có giá trị từ trường gần 12,4mT). Từ trường của 2 hàng ray không giống nhau dẫn đến độ lớn các lực đẩy F21 và F31tác dụng lên xe khác nhau. Do đó, thành phần lực theo phương Ox không được triệt tiêu nên xe thường bị lệch về phía thanh ray có từ trường yếu hơn.
Phƣơng hƣớng khắc phục.
Tinh chỉnh bằng các nam châm dẻo gắn hai bên xe. Các nam châm dẻo này đặt sao cho cùng cực với cực nam châm trên ray. Mục đích, nhờ tính chất đẩy của hai nam châm cùng cực để xe có thể nằm trong khoảng giữa hai ray.
Kết quả sau khi tinh chỉnh.
Không khắc phục được hoàn toàn hiện tượng xe tựa vào thành ray. Ta chỉ tinh chỉnh để xe nổi đều trên hệ thống và làm giảm sự dao động của xe. Do đó, cần làm chuyển động của xe trơn hơn bằng cách thêm thanh mica vào hàng ray.
Giải thích hiện tƣợng khi xe chuyển động nhanh, lực ma sát tác dụng lên xe ít hơn so với khi xe chuyển động chậm.
Cấu tạo xe gồm một miếng gỗ hình hộp chữ nhật, trên xe có gắn 2 nam châm. Nam châm bản chất cũng là khối kim loại. Do đó, khi nam châm chuyển động trong từ trường do hai hàng ray sinh ra thì trong nam châm sẽ xuất hiện những dòng điện
xoáy. Theo định luật Lentz thì dòng điện này có chiều chống lại từ trường thay đổi do nam châm chuyển động. Vì vậy, khi nam châm chuyển động trong từ trường thì sẽ chịu thêm một lực cản do dòng điện cảm ứng sinh ra và ta gọi đó là lực cản của từ trường (lực cản từ).
Về mặt định tính, ta có thể hiểu được lực cản từ bằng cách xét từ thông khuếch tán vào hệ thống ray (tức là từ trường tìm cách khuếch tán vào hệ thống ray).
Trong trường hợp xe chuyển động nhanh thì lúc này từ trường xuyên sâu vào nam châm. Tức là, các đường sức từ của nam châm và của hệ thống ray không đan xen sâu vào nhau. Do đó, lực cản từ nhỏ.
Còn trường hợp khi xe chuyển động chậm, vận tốc chuyển động của nam châm trên xe nhỏ. Lúc này, các đường sức từ của nam châm và hệ thống ray sẽ đan sâu vào nhau làm tăng mức cản trở chuyển động của xe trong từ trường.
3.2.3 Đánh giá quá trình nâng của hệ thống.
Để đánh giá hệ thống nâng tốt hay không, ta khảo sát vận tốc chuyển động của xe trên ray có đều hay không, nếu không đều thì ta sẽ xác định vận tốc từng vị trí thay đổi nhiều hay ít bằng cách tính vận tốc tại vị trí đang xét giảm bao nhiêu phần trăm so với vận tốc ban đầu.
3.2.3.1 Khảo sát vận tốc chuyển động của xe.
Phương pháp: sử dụng máy đo vận tốc Dopler xác định vận tốc của xe tại các vị trí trên quãng đường khảo sát.
Hình 3.21 Bố trí dụng cụ đo vận tốc của xe tại các vị trí.
Khảo sát vận tốc đối với xe thứ nhất (xe không có gắn lò xo). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Một kết quả khảo sát được.
Bảng 4: Số liệu khảo sát độ lớn vận tốc tại các vị trí trong quá trình chuyển động. Thứ tự các
vị trí khảo sát.
Vị trí cách máy đo (m). Độ lớn vận tốc (m/s).
Độ giảm tương đối của vận tốc (%). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0,630 0,587 0,552 0,521 0,488 0,456 0,425 0,394 0,364 0,334 0,306 0,275 0,247 0,219 0,707 0,694 0,672 0,652 0,639 0,626 0,620 0,612 0,601 0,590 0,590 0,584 0,568 0,549 0 1,75 4,87 7,75 9,64 11,40 12,31 13,45 15,01 16,49 16,52 17,31 19,53 22,27
Hình 3.22 Đồ thị thể hiện vận tốc của xe thứ nhất tại các vị trí trong quá trình chuyển động.
Nhận xét.
- Vận tốc chuyển động của xe thứ nhất trên quãng đường giảm dần.
- Vật chuyển động trên quãng đường dài 0,4m; vận tốc khi xe tại vị trí cuối quãng đường giảm 22% so với vận tốc của xe tại vị trí bắt đầu xét. Từ đó, ta thấy sự thay đổi vận tốc trên quãng đường còn lớn.
- Thực hiện phép đo vận tốc đối với xe thứ nhất nhiều lần, tôi đều thu được hình dạng đường biểu diễn vận tốc theo các vị trí chuyển động của xe như trường hợp trên.
Khảo sát vận tốc đối với xe thứ hai (xe có gắn lò xo). Một kết quả khảo sát được.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Độ lớn v ận tố c (m/s) Thứ tự vị trí khảo sát
Bảng 5: Số liệu khảo sát độ lớn vận tốc tại các vị trí trong quá trình chuyển động. Thứ tự các
vị trí khảo sát.
Vị trí cách máy đo (m). Độ lớn vận tốc (m/s). Độ giảm tương đối của vận tốc (%). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 0,694 0,665 0,636 0,607 0,577 0,549 0,523 0,499 0,472 0,449 0,429 0,407 0,381 0,358 0,336