DE102011001072A1

DE102011001072A1 - Model for instruction and experimentation purposes for representing energy conservation principle, has running rail contacted with pendulum wheel such that rotation of main wheel is produced with respect to rotation of pendulum wheel

Info

Publication number: DE102011001072A1
Application number: DE201110001072
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2011-12-29

Abstract

The model has a main wheel (2) rotated around a symmetry axis (14) by a rotary bearing (3). Stop elements (6) are arranged at the main wheel, where the stop elements limit a rotation of pendulum wheels (4) and limits deflection of a pendulum rod until a longitudinal axis of the pendulum wheels runs radially toward to the symmetry axis of the main wheel. A fixed running rail (7) is contacted with one of the pendulum wheels such that rotation of the main wheel is produced with respect to rotation of the respective pendulum wheel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Modell für Unterrichts- und Experimentierzwecke zur Darstellung des Energieerhaltungssatzes.The invention relates to a model for teaching and experimentation purposes for representing the energy conservation law.

Der Satz von der Erhaltung der Energie ist ein fundamentales Gesetz, das die gesamte Physik und die gesamten Ingenieurwissenschaften betrifft. Das Gesetz führt zu wesentlichen Einschränkungen bei der Energiegewinnung sowie bei der Umwandlung verschiedener Energiearten ineinander. Es sagt aus, dass die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems sich mit der Zeit nicht ändert, sondern konstant bleibt. Dadurch wird zum Beispiel ein so genanntes Perpetuum mobile verboten, das fortwährend mechanische Energie nach außen hin abgibt. Allerdings war in den zwanziger Jahren umstritten, ob der Energieerhaltungssatz auch auf der Ebene von Quantenprozessen uneingeschränkt gilt. Dies wurde jedoch später bestätigt und heute wird der Energieerhaltungssatz bei der überwiegenden Zahl der Physiker anerkannt. Dennoch arbeiten Menschen weiterhin an dem Problem, ein Perpetuum Mobile zu erfinden. Es gibt es viele Versuche, derartige Vorrichtungen zu konstruieren und auch als Patent anzumelden bzw. patentieren zu lassen. Die Patentämter akzeptieren in der Regel jedoch keine derartigen Anmeldungen.The law of conservation of energy is a fundamental law that applies to all physics and all engineering. The law introduces significant restrictions on energy production and the conversion of different types of energy into each other. It states that the total energy of a closed system does not change over time, but remains constant. As a result, for example, a so-called Perpetuum mobile is banned, which continuously releases mechanical energy to the outside. However, it was disputed in the twenties whether the law of conservation of energy was also fully valid at the level of quantum processes. However, this was later confirmed and today the energy conservation law is recognized by the vast majority of physicists. Nevertheless, people continue to work on the problem of inventing a perpetual motion machine. There are many attempts to construct such devices and also to be patented or patented. The patent offices usually do not accept such applications.

Es ist wohl daraus zu schließen, dass einerseits von derartigen Vorrichtungen eine besondere Faszination ausgeht und andererseits der Energieerhaltungssatz für viele Menschen unanschaulich ist bzw. ihrem intuitiven Verständnis von physikalischen Abläufen widerspricht. Aus diesem Grund sollten bereits im Schulunterricht die entsprechenden Grundlagen der Mechanik mehr Beachtung finden.It is probably to be concluded from the fact that on the one hand of such devices emanates a special fascination and on the other hand, the conservation of energy is unimaginative for many people or contradicts their intuitive understanding of physical processes. For this reason, the corresponding fundamentals of mechanics should already be given more attention in school lessons.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Modell für Unterrichts- und Experimentierzwecke vorzuschlagen, durch welches das Wesen des Energieerhaltungssatzes praktisch und auf direktem experimentellem Wege erfahrbar ist.The object of the invention is therefore to propose a model for teaching and experimental purposes by which the essence of the law of conservation of energy can be experienced practically and in a direct experimental way.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Modell folgende technische Merkmale umfasst: ein mittels eines Drehlagers um seine Symmetrieachse drehbares Hauptrad, mehrere, mit jeweils demselben radialen Abstand am Hauptrad drehbar angeordnete Pendelräder, Pendelstangen, die mit den Pendelrädern verbunden sind, so dass eine Drehung der Pendelräder mit einer Auslenkung der Pendelstangen gekoppelt ist, am Hauptrad angeordnete Anschlagelemente, die eine Drehung der Pendelräder und die damit gekoppelte Auslenkung der Pendelstangen begrenzen, bis deren Längsachse radial in Richtung zur Symmetrieachse des Hauptrades verläuft, und eine feststehende Laufschiene für die Pendelräder, welche mindestens eines der Pendelräder kontaktiert und so bei einer Drehung des Hauptrades eine Drehung des jeweiligen Pendelrades bewirkt. Mit Hilfe des Modells können grundlegende Gesetze der Mechanik und der Energieumwandlung demonstriert und anhand praktischer Experimente anschaulich erklärt werden.This object is achieved in that the model comprises the following technical features: a rotatable by means of a pivot bearing about its axis of symmetry main, several, each with the same radial distance rotatably mounted on the main wheel pendulum wheels, pendulum rods which are connected to the pendulum wheels, so that a rotation the pendulum wheels is coupled to a deflection of the pendulum rods, stop elements arranged on the main wheel, which limit rotation of the pendulum wheels and the deflection of the pendulum rods coupled thereto, until their longitudinal axis extends radially in the direction of the axis of symmetry of the main wheel, and a fixed track for the pendulum wheels, which contacted at least one of the pendulum wheels and thus causes rotation of the respective pendulum wheel with a rotation of the main wheel. With the help of the model, fundamental laws of mechanics and energy conversion can be demonstrated and clearly explained by means of practical experiments.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend erläutert.Advantageous embodiments are specified in the subclaims and are explained below.

Eine gute Kraftübertragung wird dadurch erreicht, dass die Pendelräder als Zahnräder und die Laufschiene als Zahnstange ausgebildet sind. Vorzugsweise ist die Zahnstange gekrümmt, da sich bei einer Drehung des Hauptrades die Pendelräder entlang einer Kreisbahn bewegen.A good power transmission is achieved in that the pendulum wheels are designed as gears and the running rail as a rack. Preferably, the rack is curved, since the pendulum wheels move along a circular path upon rotation of the main wheel.

Ein leichter Lauf wird dadurch erzielt, dass das Drehlager ein Wälzlager ist.A smooth run is achieved by the pivot bearing is a rolling bearing.

Wenn an den Pendelstangen an ihrem den Pendelrädern entgegengesetzte Enden Gewichtselemente befestigt sind, werden die auf das Rad wirkenden Hebelkräfte verstärkt.When weight elements are attached to the pendulum rods at their ends opposite the pendulum wheels, the lever forces acting on the wheel are amplified.

Das Hauptrad ist mit einem Generator verbunden, um bei einer Drehung Strom zu erzeugen.The main wheel is connected to a generator to generate electricity in one turn.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.The invention will be described by way of example with reference to a drawing, wherein further advantageous details are shown in the figures of the drawing.

Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.Functionally identical parts are provided with the same reference numerals.

Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:The figures of the drawing show in detail:

1 eine Seitenansicht des Modells; und 1 a side view of the model; and

2 eine schematische, vereinfachte Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des Modells. 2 a schematic, simplified side view of a second embodiment of the model.

1 zeigt eine Seitenansicht des Modells 1. Dieses umfasst ein Gehäuse 9 mit einem oberen Wälzlager 3, in dem die Achse 14 eines Hauptrades 2 gelagert ist. Dieses ist also um seine Achse 14 leichtgängig drehbar. Am Radkranz 12 sind mittels leichtgängiger (nicht gezeigter) Drehlager Zahnräder 4 frei drehbar befestigt. Die Zahnräder 4 weisen zueinander denselben Abstand auf und sind in demselben radialen Abstand zur Achse 14 des Hauptrades 2 angeordnet. 1 shows a side view of the model 1 , This includes a housing 9 with an upper rolling bearing 3 in which the axis 14 a main wheel 2 is stored. So this is about its axis 14 easy to turn. At the wheel rim 12 are by means of smooth-running (not shown) pivot bearing gears 4 freely rotatably mounted. The gears 4 have the same distance to each other and are at the same radial distance from the axis 14 of the main wheel 2 arranged.

An den Achsen der Zahnräder 4 sind Pendelstangen 5 befestigt, so dass bei einer Drehung der Zahnräder 4 die Pendelstangen 5 auslenken. An dem jedem Zahnrad 4 entgegengesetzten freien Ende der Pendelstange 5 ist ein Gewichtselement 8 angeordnet. Dieses kann zu Experimentierzwecken entlang der Pendelstange 5 verschiebbar sein. Ebenfalls können unterschiedliche Gewichte verwendet werden. Durch das Gewichtselement 8 dreht sich jedes Zahnrad 4, bis sich die Pendelstange 5 orthogonal zur Ebene und das Gewichtselement 8 in der unteren Position befindet, wie dies für die auf der rechten Hälfte des Hauptrades 2 angeordneten Zahnräder 4 gezeigt ist.On the axles of the gears 4 are pendulum rods 5 fastened so that upon rotation of the gears 4 the pendulum rods 5 deflect. At the each gear 4 opposite free end of the pendulum rod 5 is a weight element 8th arranged. This can be used for experimental purposes along the pendulum rod 5 be displaceable. Also different weights can be used. By the weight element 8th every gear turns 4 until the pendulum rod 5 orthogonal to the plane and the weight element 8th located in the lower position, as is the case for the right half of the main wheel 2 arranged gears 4 is shown.

Am Gehäuse ist weiterhin eine feststehende Zahnstange 7 vorgesehen. Sie ist im oberen Bereich des Hauptrades 2 angeordnet. Die Zahnstange 7 kann zwar zu Experimentierzwecken um die Achse 14 des Hauptrades 2 justierbar sein, dreht sich aber bei einer Drehung des Hauptrades 2 nicht mit. Wird nun das Hauptrad 2 gedreht, dann greift das jeweils oberste Zahnrad 4a in die Zahnstange 7 ein und wird seinerseits in Rotation versetzt. Bei den in der 1 gezeigten Verhältnissen drehen sich Hauptrad 2 und das oberste Zahnrad 4a gegen den Uhrzeigersinn. Da sich jedes Zahnrad 4 auf einer Kreisbahn bewegt, ist die Zahnstange 7 entsprechend gekrümmt, damit das Zahnrad 4a in die Zahnstange 7 eingreift. Durch die Rotation des obersten Zahnrads 4a bewegt sich die Pendelstange 5a mit dem Gewicht 8a nach oben. Die Größenverhältnisse bzw. das Übersetzungsverhältnis von Zahnrad 4 und Zahnstange 7 sind so gewählt, dass jedes Zahnrad 4 gerade etwas mehr als eine halbe Drehung bzw. mehr als 180 Grad ausführt, bevor es den Bereich der Zahnstange 7 verlässt und wieder frei drehbar ist. Das Gewichtselement 8a wird sich dann wieder mit der Pendelstange 5 nach unten bewegen. Diese Bewegung und die Auslenkung der Pendelstange 5 sowie die damit gekoppelte Drehung der Zahnräder 4 werden dadurch begrenzt, dass für jede Pendelstange 5 ein Anschlagelement 6 vorgesehen ist. Die Anschlagelemente 6 sind in einer Position am Hauptrad 2 befestigt, dass sie die Bewegung der Pendelstangen 5 durch Anschlag begrenzen, bis deren Längsachse radial in Richtung zur Achse 14 des Hauptrades 2 verläuft bzw. bis die Gewichtselemente 8 ihre größtmögliche Entfernung von der Achse erreicht haben.On the housing is still a fixed rack 7 intended. It is in the upper part of the main wheel 2 arranged. The rack 7 may be for experimentation around the axis 14 of the main wheel 2 adjustable, but turns with a rotation of the main wheel 2 not with. Will now be the main wheel 2 turned, then engages the top gear 4a in the rack 7 and in turn is set in rotation. In the in the 1 shown ratios turn main wheel 2 and the top gear 4a counterclockwise. Because every gear 4 moving on a circular path is the rack 7 correspondingly curved, so that the gear 4a in the rack 7 intervenes. By the rotation of the top gear 4a the pendulum rod moves 5a with the weight 8a up. The proportions or the gear ratio of gear 4 and rack 7 are chosen so that every gear 4 just do just over half a turn or more than 180 degrees before it reaches the area of the rack 7 leaves and is freely rotatable again. The weight element 8a will be back with the pendulum rod 5 move down. This movement and the deflection of the pendulum rod 5 and the coupled rotation of the gears 4 are limited by the fact that for each pendulum rod 5 a stop element 6 is provided. The stop elements 6 are in a position on the main wheel 2 attached that they the movement of the pendulum rods 5 limit by stop until its longitudinal axis is radial in the direction of the axis 14 of the main wheel 2 runs or until the weight elements 8th have reached their maximum distance from the axis.

In dem in 1 gezeigten Zustand wirken auf das Hauptrad 2 durch die Gewichtselemente 8 zahlreiche Drehmomente ein. Da die Gewichtselemente 8 an der linken Hälfte des Hauptrades 2 einen größeren Abstand zur Achse 14 haben als die Gewichtselemente 8 an der rechten Hälfte des Hauptrades 2, wird es sich gegen den Uhrzeigersinn drehen. Dabei wird das jeweils oberste Gewichtselement 8a gegen die Schwerkraft nach oben gehoben und die dabei geleistete Arbeit als potentielle Energie gespeichert. Das Hauptrad 2 rotiert solange weiter, bis die Summe aller wirkenden Drehmomente und Kräfte null ist.In the in 1 shown state act on the main wheel 2 through the weight elements 8th numerous torques. Because the weight elements 8th on the left half of the main wheel 2 a greater distance to the axis 14 have as the weight elements 8th on the right half of the main wheel 2 , it will turn counterclockwise. In this case, the respective uppermost weight element 8a lifted up against gravity and saved the work done as potential energy. The main wheel 2 continues to rotate until the sum of all acting torques and forces is zero.

Das Modell kann außerdem einen (nicht gezeigten) externen oder im Gehäuse angeordneten Generator aufweisen, der mit dem Hauptrad 2 bzw. der Achse 14 verbunden ist, um bei einer Drehung Strom zu erzeugen. Um ein Messgerät oder einen anderen Verbraucher anzuschließen, sind Stromanschlüsse 11 vorgesehen. Wie oben beschrieben, sind die Gewichtselemente 8 verstellbar und/oder austauschbar. Es ist auch möglich, den Winkel der Zahnstange 7 um die Achse 14 zu verstellen oder die Abstände der Zahnräder zu 4a ändern. Mit dem Modell 1 kann so auf vielfältige Weise experimentiert werden und sein Verhalten bei unterschiedlichen Anordnungen der Bauelemente beobachtet werden.The model may also include an external or housing generator (not shown) coupled to the main gear 2 or the axis 14 is connected to generate electricity during a rotation. To connect a meter or other consumer, there are power connections 11 intended. As described above, the weight elements are 8th adjustable and / or exchangeable. It is also possible to adjust the angle of the rack 7 around the axis 14 to adjust or the distances of the gears too 4a to change. With the model 1 can be experimented in a variety of ways and its behavior can be observed with different arrangements of the components.

2 zeigt eine schematische, vereinfachte Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des Modells 100. Der grundsätzliche Aufbau entspricht dem in 1 gezeigten Modell 1, weshalb auf die Darstellung von identischen Details verzichtet wurde. 2 shows a schematic, simplified side view of a second embodiment of the model 100 , The basic structure corresponds to that in 1 shown model 1 , which is why the representation of identical details has been omitted.

Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Modell 1 weist die zweite Ausführungsform neben den äußeren, ringförmig angeordneten Pendelstangen 500 zusätzliche, ringförmig angeordnete Pendelstangen 500 auf, die innen am Hauptrad 200 angeordnet sind.Unlike the in 1 shown model 1 shows the second embodiment in addition to the outer, annularly arranged pendulum rods 500 additional, ring-shaped pendulum rods 500 on the inside at the main wheel 200 are arranged.

Es ist möglich, dass bei den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen das Hauptrad 2 auch an der (nicht gezeigten) Rückseite Zahnräder 4, Pendelstangen 5, Gewichtselemente 8 und Anschlagelemente 6 aufweist, die identisch zur Vorderseite angeordnet sind.It is possible that at the in 1 and 2 shown embodiments, the main wheel 2 also on the (not shown) back gears 4 , Pendulum rods 5 , Weight elements 8th and stop elements 6 has, which are arranged identical to the front.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Modellmodel
22: Hauptradmain wheel
33: Drehlagerpivot bearing
44: Pendelradpendulum
55: Pendelstangependulum rod
66: Anschlagelementstop element
77: Laufschienerunner
88th: Gewichtselementweight element
99: Gehäusecasing
1010: Generatorgenerator
1111: Stromanschlüssepower connectors
1212: Radkranzrim
1414: Achseaxis
100100: Modellmodel
200200: Hauptradmain wheel
500500: Äußere PendelstangenOuter pendulum rods
501501: Innere PendelstangenInner pendulum rods

Claims

Model for educational and experimental purposes for representing the law of conservation of energy, with a) one by means of a pivot bearing ( 3 ) about its symmetry axis ( 14 ) rotatable main wheel ( 2 ), b) several, each with the same radial distance at the main wheel ( 2 ) rotatably mounted pendulum wheels ( 4 ), c) pendulum rods ( 5 ), with the pendulum wheels ( 4 ) are connected, so that a rotation of the pendulum wheels ( 4 ) with a deflection of the pendulum rods ( 5 ), d) on the main wheel ( 2 ) arranged stop elements ( 6 ), which is a rotation of the pendulum wheels ( 4 ) and the coupled deflection of the pendulum rods ( 5 ) to its longitudinal axis radially in the direction of the axis of symmetry ( 14 ) of the main wheel ( 2 ), and e) a fixed track ( 7 ) for the pendulum wheels ( 4 ), which at least one of the pendulum wheels ( 4 ) and so on a rotation of the main wheel ( 2 ) a rotation of the respective pendulum wheel ( 4 ) causes.

Model according to claim 1, characterized in that the pendulum wheels as gears ( 4 ) and the running rail as a, preferably curved, rack ( 7 ) are formed.

Model according to claim 1 or claim 2, characterized in that the pivot bearing a rolling bearing ( 3 ).

Model according to one of the preceding claims, characterized in that on the pendulum rods ( 5 ) at her the pendulum wheels ( 4 ) opposite ends weight elements ( 8th ) are attached.

Model according to one of the preceding claims, characterized in that the main wheel ( 2 ) is connected to a generator for generating electricity.