Trong chương này, tôi xin trình bay 2 cau hình mà tôi đã nghiên cứu trong thời gian thực hiện đẻ tài. Cấu hình thứ nhất đệm từ trường lay ý tưởng từ mô hình đệm không khí trong thí nghiệm bảo toàn động lượng. Sau khi nghiên cứu, tính toán về
mặt lý thuyết, tôi tiền hành chế tạo, lắp ráp với kết quả thu được: xe không nâng lên
được, luôn bị hút về một phía ray. Qua nhiều phương án khác nhau: thay thế các
loại nam châm trên xe khác nhau, ha trọng tâm xe,.. tôi đều thu được hiện tượng như trên. Từ đó, tôi rút ra hạn chế của cấu hình này là 2 nam châm trên xe và ray không thê đặt trưc điện với nhau được như lý thuyết đưa ra. Từ hạn chế của mô hình 1, tôi tiếp tục nghiên cứu theo hướng thay đôi cấu hình của hệ thống nam châm va đã chế tạo thành công hệ thống đệm từ trường theo cấu hình 2. Nên trong chương này, tôi sẽ trình bày quá trình nghiên cứu, lắp ráp, những đánh giá bước đầu về chất lượng vận hành của hệ thống đệm từ trường đối với cầu hình đã chế tạo.
3.1 Cấu hình 1.
3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết.
Lay ý tưởng từ mô hình đệm không khí, tôi đã đưa ra phương án nghiên cứu hướng lắp ráp mô hình đệm từ trường như sau: hệ thông ray gồm 2 hàng nam châm đặt trên mặt bên của lăng trụ tam giác vuông cân; xe là một mô hình tam giác đồng dạng với hệ thống ray, trên 2 mặt bên của xe của xe cũng được gắn các nam châm
cùng cực với nam châm trên ray.
Hình 3.2 Phác họa hệ thông nam châm cua câu hình 1.
Theo cau hình trên, xe chịu tác dụng của 2 lực đây F,,, F,, và trọng lực của xe. F,,,
F,, tao với nhau một góc vuông và mỗi vectơ tạo với phương thăng đứng góc 45°.
24
Giả sử từ trường của hai hàng ray là giống nhau, khi đó |Z,,|=|#,j|.
Chiếu 2 lực lên trục Ox, Oy.
Ox: 5F. =0;
Oy: Ƒ =2FƑ,, @F = JF, .
Thanh phan lực theo phương ngang bị triệt tiêu, chỉ còn lại thành phan lực theo phương thăng đứng làm nâng xe.
3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm.
3.1.2.1 Các bước tiến hành.
% Bước 1: Chuẩn bị vật liệu.
- Xe: 2 miếng mica (10cmx8cm).
- Ray: 2 miếng mica (10emx30cm).
- Nam châm các loại: nam cham den khối (2.5cmx6cmxlcm); nam châm tron đen (d=2cm); nam châm tròn trắng với các kích thước d=lcm. d=2cm,
d=3cm.
* Bude 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 day của của hệ thống đối với xe ứng với mỗi
loại và số lượng nam châm khác nhau. Cudi cùng, dựa trên những thông tin trên, tôi đưa ra phương án sử dụng nam châm nao cho xe lả hợp ly: tông lực nâng theo
phương thăng đứng lớn hơn trọng lực của xe.
Dùng cân điện tử dé khảo sát khôi lượng nam châm va thu được bảng số liệu 2.
25
Nam châm tròn đen (d=2cm
Nam châm đen vuông (2cmx2.5em) |916 |
Nam châm đen lớn 10,63 (2,5emx6cmx lcm)
Gia sử xe được nang lên cách ray 1cm, khi đó độ lớn trọng lượng của xe, giá trị
lf. giá trị lực day tong hợp || tác dụng lên xe được thể hiện trong bảng 3.
© Bang 3. Các thông số của cau hình ứng với từng trường hợp sử dụng nam
châm khác nhau.
trên xe châm trên xe của Xe =
Sau khi so sánh trọng lượng của xe và độ lớn lực đây, tôi thấy có thẻ sử dụng nam châm trắng (d=2cm) và nam châm den vuông (2cmx2,Scm). Tuy nhiên, giá thành của nam châm trắng cao. Do đó, tôi dùng nam châm den vuông (2cmx2,Sem) dé lắp
rap trên xe.
* Bước 3: Lắp ráp.
3.1.2.2 Khảo sát mô hình.
Vật liệu.
26
- Xe: trên mỗi bên của xe có gắn 4 nam châm đen vuông (2cmx2,5cm) tạo thành một hàng. Bồ trí sao cho hai hàng nam châm trên xe đối xứng nhau
qua trục của xe.
- Hệ thông ray: gồm 2 hàng nam châm den lớn (2,5emx6cmxlem) cũng được bố trí sao cho đối xứng nhau qua trục của hệ thông.
* Kết quả sau khi lắp ráp.
27
“+ Hién tượng quan sát được.
- Xe không nồi được trên hệ thống ray mà bị hút lệch sang một bên ray.
- Nếu đùng tay tác dụng lên xe một lực hướng xuống, ta thấy xe chịu một lực nâng tông hợp lớn.
% Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng trên.
Ta có thể coi cơ chế xe nồi trên đệm từ như cơ chế vật nôi 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 đây có điểm đặt tại giao điểm của F,, và F,..
Ta có:
- Xe ở trạng thái cân bằng khi: lực đây va trong lực cân bằng với nhau.
- Xe sẽ có xu hướng quay khi khối tâm ở vị trí cao hơn điểm đặt của lực đây.
- Xe có khối tâm đặt càng thấp thi xe càng được cân bằng bên.
Pp b.=
Hình 3.7: Các trang thái của vat: (a) vật dang ở vj tri cân bằng; (b) vật có xu hướng
xoay nếu giá của lực F và không trùng nhau; (c) vật ở vi trí cân bằng bền.
c 4Ÿ
a.
Trên thực tế. lực đây F,, và F„ 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 day tông hợp không trùng nhau. Chính vì vậy, moment của trọng lực và moment lực nâng tong 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.
“ Phương hướng điều chỉnh.
> Cách 1: Hạ thấp khối tâm của xe bằng cách gia trọng thêm túi cát hai
bên xe (tức là tăng thêm khôi 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 nồi được trên hệ thông.
Hình 3.§ Xe bị hút lệch về một phía ray sau khi tỉnh chỉnh.
> Cách 2: Gin mỗi bên xe 1 viên nam châm den (2.Semx6cemxlem) dat`
sao cho vuông góc với hàng nam châm trên ray.
Mục đích:
Tăng khối lượng của xe dé hạ thấp khối tâm của xe.
Bồ trí nam châm trên xe vuông góc với nam châm trên ray để đảm bảo:
e Nam châm trên xe luôn được đặt trực điện với nam châm trên ray.
© Lực nâng có giá trị gần bằng trường hop sử dụng nam châm vuông
nhỏ trên xe. Xét ở cùng khoáng cách 2cm so với bề mặt nam châm
đen (2,5cmx6cmxlcm). F,|~0.42N khi đặt nam châm (2.Scemx6cmxlem) vuông góc với ray: |F,|~0.37N khi sử dụng nam
châm vuông nhỏ trên xe.
Hinh 3.9 Xe trong mô hình 2.
Hình 3.10 Xe không được nâng lên trên hệ thống ray.
Hiện tượng quan sát được: Xe không nâng lên được do lực nâng tông 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 hướng khác nhau.
Mục đích: Tăng diện tích tiếp xúc đối nhau của 2 nam châm dé tăng lực
nâng giữa ray và xe.
Hình 3.11 Nam châm được đặt theo phương nằm ngang trên xe.
Hiện tượng quan sát được: xe được đây lên nhưng bị hút lệch về một
bên ray.
32
Do đó, tôi chọn phương án đặt nam châm trên xe vuông góc với nam châm trên ray,
sau đó tôi sẽ tăng lực đây băng cách thêm hàng nam châm song song với hàng nam châm trên ray.
> _ Phương án 1: Dùng nam châm lớn.
Bồ trí moi bên của hệ thông ray 2 hàng nam châm song song nhau (hình 3.13). Trên
xe thì moi bên gan | nam châm sao cho vuông góc với nam châm trên ray.
ô _ Hiện tượng quan sỏt được: Xe bị lệch do lực đõy lớn (vỡ lỳc này diện tớch tiếp xúc đối nhau của nam châm trên xe và ray được tăng lên gấp đôi so với
lúc chưa thêm hàng nam châm).
e Hướng giải quyết được đưa ra:
x £- x ‘ x ˆ ri ^
Tang khôi lượng cho xe bang cách gan trên moi bên xe 2 nam châm.
Hình 3.14 Xe bị hút lệch về một bên ray sau khi chính.
Kết quả: Xe không nôi được trên hệ thông ray và bị hút lệch về một phía của ray (giống hiện tượng mô hình 1).
>ằ _ Phương ỏn 2: Ding cỏc nam chõm nhỏ.
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 (nhắc nhẹ) vao xe thì xe có xu hướng bị lật và bị hút về một bên của ray.
Ngoài ra, tôi thir thay đôi các vị trí khác nhau của nam châm trên xe nhưng hiện tượng quan sát được đó là không đủ lực đây dé nâng xe lên hoặc xe được day 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 cau hình 1 có nhiều hạn chế.
- _ Thiếu lực kéo về khi xe bị lật.
- Các nam châm không thé 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 cin bang không bên. Do đó, chỉ can
34
nam châm trên xe thay đôi vị trí thì tương tác giữa nam châm trên xe và ray
không còn là lực day nữa ma trở thành lực hút.
Hình 3.15 Vị trí trực điện của hai nam châm là vị trí cân bằng không bèn.
Kết luận: Ta không thé chế tạo đệm từ trường theo cau 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 cầu hình 2.
35
Từ việc biêu diễn các đường sức từ của nam châm, ta có thê xác định một cách định
tính lực tương tác giữa nam châm trên xe với các nam châm trên ray.
Cụ thê đối với cấu hình này, các đường sức từ của nam châm trên xe va ray có xu
, ES ` ES a ˆ h . a ˆ `
hướng đây nhau và xếp chong lên nhau. Do đó, giữa nam châm trên xe và ray sé
xuất hiện lực tương tác có phương như hình 3.16.
Foy
Hình 3.16 Mô ta lực tương tác giữa ray và xe.
Theo cấu hình này, xe sẽ chịu tác dụng của hai lực nâng F,, và F,, (như hình 3.16).
Ta phân tích 2 lực F,,.F,, thành các thành phan trên phương Ox và Oy tương tự
như hình 3.3.
Đối với cau hình 2, ta cũng gia sử từ trưởng của hai hang ray là gidng nhau. khi đó Ế„|=|ễi|
Chiều 2 lực lên trục Ox, Oy.
Ox: }}F,=0.
Oy: F =2F,,.
Thành phan lực theo phương ngang bj triệt tiêu, chi còn lại thành phan lực theo phương thăng đứng làm nâng xe.
3.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm.
36
3.2.2.1 Các bước tiến hành.
-Bước 1: Chuan 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 lấp ráp.
Hình 3.17 Hàng ray từ.
Hình 3.19 Hai xe nỗi trên hệ thống ray từ.
Hình 3.20 Xe nồi trên ray nhưng tựa vào một bên ray.
“+ Hiện tượng quan sát được.
- Xe được nâng lên bởi hệ thông 2 đường ray nhưng xe tựa vào một trong hai bên thành của ray. Do đó, khi xe chuyên động thì vẫn tôn tại ma sát trượt
giữa xe và thành ray.
- Trong quá trình chuyền động, tại một số vị trí xe bị dao động.
- _ Khi xe chuyên động nhanh trên ray lực ma sát tác dụng lên xe có xu hướng it hơn so với trường hợp xe chuyền động chậm.
38
s* Giải thích hiện tượng xe chuyển động tựa vào thành của ray và hướng
khắc phục.
> Xechuyén động tựa vào thành của ray.
Nguyên nhân.
- Từ trường của các nam châm không giống nhau. Mặc dù ta đã lựa chon 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 hang ray không giống nhau dẫn đến độ lớn các lực đây F,, và F,,tac 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.
Phương hướng khắc phục.
Tinh chỉnh bằng các nam châm déo 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 đây của hai nam châm cing cực dé xe có thé nam trong khoảng giữa hai ray.
Kết quả sau khi tỉnh chỉnh.
Không khắc phục được hoan toàn hiện tượng xe tựa vào thành ray. Ta chi tỉnh chính dé xe nổi đều trên hệ thống va làm giảm sự dao động của xe. Do đó, cần làm chuyền động của xe trơn hơn bằng cách thêm thanh mica vào hàng ray.
+ Giải thích hiện tượng khi xe chuyền động nhanh, lực ma sát tác dụng lên
xe it hơn so với khi xe chuyển động chậm.
Cấu tạo xe gôm một miếng gỗ hình hộp chữ nhật, trên xe có gắn 2 nam châm. Nam
châm bản chất cũng là khôi kim loại. Do đó, khi nam châm chuyên động trong từ
trường do hai hàng ray sinh ra thì trong nam châm sẽ xuất hiện những dòng điện
39
xoáy. Theo định luật Lentz thì dòng điện nay có chiêu chồng lại từ trường thay đôi do nam châm chuyên động. Vì vậy, khi nam châm chuyên động trong từ trường thi
sẽ chịu thêm một lực can do dong điện cảm ứng sinh ra và ta gọi đó là lực cản của từ trường (lực cản từ).
Về mặt định tính, ta có thẻ hiểu được lực can từ bằng cách xét từ thông khuếch tán vào hệ thông 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 chuyền động chậm, vận tốc chuyên 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 chuyên động của xe trong từ trường.
3.2.3 Đánh giá quá trình nâng của hệ thống.
Đề đánh giá hệ thống nâng tốt hay không, ta khảo sát vận tốc chuyên động của xe trên ray có đều hay không, néu không đều thi 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 phan trăm so Với vận tốc ban đầu.
3.2.3.1 Khảo sát vận tốc chuyền động của xe.
% Phương pháp: sử dụng máy đo vận tốc Dopler xác định vận tốc của xe tai các
Đầu đo Dopler
vị trí trên quãng đường khảo sát.
Hình 3.21 Bồ trí dung cụ đo vận tốc của xe tại các vị trí.
40
s* Khảo sát vận tốc đối với xe thứ nhất (xe không có gắn lò xo).
> Một kết quả khảo sát được.`
Bảng 4: Số liệu khảo sát độ lớn vận tốc tại các vị trí trong quá trình chuyên động.
Thứ tự các
vị trí khảo | Vj trí cách máy đo (m).
sát.
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
41
0,8
07 +—#—--w——————————————————————————————————
= wkd ©
® 0,6 T——————————~--*-*—y-e-#-z--——————
E ri?
0,5 +
3
§04 +
>
§ 0,3© +
&ẹ 02 +
0,1 0
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Thứ ty vị trí khảo sát
Hình 3.22 Đồ thị thé hiện vận tốc của xe thứ nhất tại các vị trí trong quá trình chuyên động.
> Nhận xét. ;
- Vận tốc chuyên động của xe thứ nhất trên quãng đường giảm dan.
- Vat chuyển động trên quãng đường dai 0.4m; vận tốc khi xe tại vị trí cuối quãng đường giảm 22% so với vận tốc của xe tại vị tri bat đầu xét. Từ đó, ta
thay sự thay đôi 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 dang đường biểu điển vận tốc theo các vị trí chuyển động của xe như
trưởng hợp trên.
Kháo sát vận tốc đối với xe thứ hai (xe có gắn lò xo).
> Một kết quả khảo sat được.
42
Bang 5: Số liệu khảo sát độ lớn vận tốc tại các vị trí trong quá trình chuyên động.
vị trí khảo Vị trí cách máy đo (m). . Độ lớn vận tốc (m/s). ohare nh
2 0,665 0,581 -0,24
3 0,636 0,580 -0.10
4 0.607 0,583 -0,61
b 0,577 0,572 1,29
6 0.549 0.540 6,77
7 0523 0,513 11,53
8 0,499 0,504 13,05
9 0,472 0,484 16,51
10 0.449 0.449 2255 II 0429 0,443 23,51 12 0,407 0.463 20.02
13 0,381 0,470 18,95 14 0,358 0,455 21,41
15 0,336 0,446 2304
16 0.314 0,443 23,58
17 0,292 0,448 22.67 18 0.284 0,438 24,37
19 0,250 0,456 21,22
20 0,223 0,480 17,19 21 0.200 0.453 21,76