Schwebende kugel aus stahl

Wissenschaft Physik
#1

ich habe eine kugel aus stahl geschweisst, sie hat einen durchmesser von 23 cm und wiegt 520 gramm. diese kugel möchte ich zum schweben bringen mittels magnete (?). die erste idee war, sie auf augenhöhe schweben lassen. das scheint aber nicht machbar, weil die magnete dann überdimensional gross sein müßten (in meinem laienhaften verstand stellte ich mir das so vor: ein magnet an der decke und einer auf dem boden, beide aufeinander abgestimmt, so daß die kugel dazwischen schweben könnte). mir wurde gesagt, ich spinne.

eine neuere idee wäre: einen becken aus irgendwelchen materialien zu bauen (pappmache, styropor o.ä., in dem mehrere magnet in der rundung angebracht werden würden). und auf dieser mit geringerem abstand die kugel schweben lassen.

ich bin künstlerin und das soll eine arbeit von mir werden. von physik habe ich null ahnung.
kann mir jemand helfen bei der verwirklichung dieses projektes?
danke im voraus!

elena schneider
www.el-art.de

#2

Es gibt keine statische Lösung um eine Stahlkugel in einem Magnetfeld schweben zu lassen, weil alle Gleichgeweichtslagen instabil sind.

ein magnet an der decke und einer auf dem boden, beide
aufeinander abgestimmt, so daß die kugel dazwischen schweben
könnte).

Sobald die Kugel sich aus der Gleichgewichtslage entfernt (und da genügt schon eine beliebig kleine Bewegung), wird sie sich zu einem der beiden Magnete bwegen und daran haften bleiben.

eine neuere idee wäre: einen becken aus irgendwelchen
materialien zu bauen (pappmache, styropor o.ä., in dem mehrere
magnet in der rundung angebracht werden würden). und auf
dieser mit geringerem abstand die kugel schweben lassen.

Da die Kugel ferromagnetisch ist, wird sie auf jeden Fall von den Magneten angezogen. Es ist also unmöglich, sie auf diese Weise schweben zu lassen. Das funktioniert noch nicht einmal mit Magneten, es sei denn der schwebende Magnet würde schnell genug rotieren (siehe Levitron: http://www.hcrs.at/LEVITRON.HTM )

ich bin künstlerin und das soll eine arbeit von mir werden.
von physik habe ich null ahnung.

Dann hast Du sehr schlechte Karten. Man kann eine Metallkugel nämlich nur dann in einem Magnetfeld schweben lassen, wenn man dieses durch eine entsprechende Regelung an die Position der Kugel anpaßt. Wenn die Kugel sich vom Magneten entfernt, muß das Magnetfeld stärker werden, um sie wieder hochzuziehen und wenn sie dem Magneten zu nahe kommt, muß das Feld schwächer werden, damit die Kugel wieder absinkt. Ohne entsprechende Kenntnisse in Physik und Elektronik dürfte das kaum zu realisisren sein.

#3

In so krims krams laeden gibts doch aber so dinger zu kaufen wo eine glitzernde kugel in so nem schwarzen
kasten schwebt. Funzt das dann mit so ner schaltung?

gruss Flo

#4

In so krims krams laeden gibts doch aber so dinger zu kaufen
wo eine glitzernde kugel in so nem schwarzen
kasten schwebt. Funzt das dann mit so ner schaltung?

Ja. Soweit ich weiß wird die Position der Kugel dabei durch ihren Einfluß auf die Induktivität des Elektromagneten bestimmt.

#5

Hi,

gib mal unter Google die drei Wörter

Kugel schweben Magnetfeld

ein, dann kommen viele Links, unter anderem dieser (der zweite) http://www2.bezreg-duesseldorf.nrw.de/schule/physik/…
da haben Schüler so etwas in Klein gebaut (gibts aber auch im Deutschen Museum in München in größer)

Ganz allgemein ist es ziemlich schwierig, etwas in einem Magnetfeld schweben zu lassen, denn entweder braucht man etwas, das einen recht starken Elektromagnet permanent reguliert (vom Stromverbrauch gar nicht zu sprechen), oder man nutzt Diamagnetismus (zB von Supraleitern) zum Schweben aus, auch nicht das, was man als Nichtphysiker mal eben zur Hand hat). Ach ja, eine dritte Möglichkeit, das Levitron, wäre auch noch möglich, dazu muß aber die Kugel oder etwas in ihr schnell rotieren.

Welches Budget hast Du ?

Ansonsten fällt mir noch Schweben durch Auftrieb (Ballon) oder im aufwärts gerichteten Luftstrom ein.

Gruß
Moriarty

#6

In so krims krams laeden gibts doch aber so dinger zu kaufen
wo eine glitzernde kugel in so nem schwarzen
kasten schwebt. Funzt das dann mit so ner schaltung?

gruss Flo

Hallo Flo,

ja, aber in viel kleinerem Masstab. Bei dem, was sich unsere Künstlerin vorstellt, müssten die Magnetfelder so stark sein, dass von Ihnen einer erhebliche Gefahr ausginge, womöglich zieht dich dann deine Armbanduhr in das Kunstwerk hinein. Und die Kosten wären immens, wahrscheinlich bräuchte man supraleitende Magnete wie bei den Elementarteilchen-Beschleunigern der CERN in Genf.

Machbar ist es im Prinzip schon: mit einem Magneten einige cm über der Kugel, aber nicht in der Decke.

Gruss Reinhard

#7

Hier sind ein paar Bauanleitungen:

http://www2.bezreg-duesseldorf.nrw.de/schule/physik/…
http://www.positron.ch/peter/diplomarbeit/1996_diplo…
http://ma.kanti-zug.ch/maturaprojects/Michael%20Spre…

#8

die ersten antworten sind ja schon da! das geht superschnell! ich wollte mich schonmal bedanken für die prompten antworten und werde mich jetzt in ruhe mit diesen beschäftigen und auch die tipps zur recherche durchsuchen.
melde mich bei gelegenheit, wie ich das problem gelöst habe.
schöne woche!
elena

#9

Hallo Elena!

ich habe eine kugel aus stahl geschweisst, sie hat einen
durchmesser von 23 cm und wiegt 520 gramm. diese kugel möchte
ich zum schweben bringen mittels magnete (?). die erste idee
war, sie auf augenhöhe schweben lassen. das scheint aber nicht
machbar, weil die magnete dann überdimensional gross sein
müßten (in meinem laienhaften verstand stellte ich mir das so
vor: ein magnet an der decke und einer auf dem boden…

Du beschreibst eine Standardaufgabe für die Regelungstechnik. Dabei wird die Position der Kugel optisch erfaßt und Abweichungen von einer Sollposition werden durch Regelung des Stroms durch Elektromagnete korrigiert. Du hast nur 2 zusätzliche Probleme eingebaut: Der riesige Abstand zwischen Stahlkugel und Magneten und das hohe Gewicht der Kugel. Vorhersehbar gibt Dein Hausanschluß des E-Werks gar nicht genug Leistung her und Decke und Fußboden Deines Hauses werden nicht in der Lage sein, die gewaltigen Magnete aus Eisen und Kupfer zu tragen. Praktikable Lösungen der schwebenden Kugel verwenden eine Kugel aus Papier oder Kunststoff, z. B. einen Tischtennisball, dem ein kleines Stück Eisen „eingepflanzt“ wurde und der Abstand zu den Magneten beträgt nur wenige Zentimeter. Dann ist die Lösung der Aufgabe ein Klacks.

Gruß
Wolfgang

#10

Uch wenn Elena erstmal schon zufrieden ist. Rein aus persönlicher Neugier hab ich da noch eine Frage. Warum sollte das ganze nicht mit einfachen Permanentmagneten gehen (mal von der Einschränkung bei der Schwebehöhe abgesehen)?

Ich stell mir das so vor: Unten ein Ring aus Permanentmagneten (alle mit Nordpol nach oben) und in der Kugel auch ein Permanentmagnet. Nun könnte man sagen, die Kugel würde sich ja dann immer automatisch so drehen, dass sich die Magnete anziehen. Dies passiert ja aber nur, weil für die Drehung (nahezu) kein Potentialwall überwunden Werden muss. Wenn man nun den Magneten in die obere Hälfte der Kugel steckt, und die untere Hälfte mit einem schweren Material füllt, müsste für die Drehung der Kugel doch Energie aufgewendet werden, was zu (wenn auch geringer) Stabilität führen sollte.

#11

Hallo,
netter Versuch, aber so leicht läßt sich die Physik nicht austricksen :wink:

Ich stell mir das so vor: Unten ein Ring aus Permanentmagneten
(alle mit Nordpol nach oben) und in der Kugel auch ein
Permanentmagnet. Nun könnte man sagen, die Kugel würde sich ja
dann immer automatisch so drehen, dass sich die Magnete
anziehen.

Genau das wird passieren.

Dies passiert ja aber nur, weil für die Drehung
(nahezu) kein Potentialwall überwunden Werden muss.

Richtig

Wenn man
nun den Magneten in die obere Hälfte der Kugel steckt, und die
untere Hälfte mit einem schweren Material füllt, müsste für
die Drehung der Kugel doch Energie aufgewendet werden, was zu
(wenn auch geringer) Stabilität führen sollte.

Das Problem ist aber, dass das Magnetfeld diese Energie bereitwillig zur Verfügung stellt. Die Abstossungskräfte müßten ja größer wie das Gewicht der gesamten Kugel sein, um die Anziehenden Kräfte des Gegenpoles zu überwinden. Damit dreht Dir das Feld die Kugel problemlos um.

Jörg

#12

Das Problem ist aber, dass das Magnetfeld diese Energie
bereitwillig zur Verfügung stellt. Die Abstossungskräfte
müßten ja größer wie das Gewicht der gesamten Kugel sein, um
die Anziehenden Kräfte des Gegenpoles zu überwinden. Damit
dreht Dir das Feld die Kugel problemlos um.

Jörg

Das überzeugt mich noch nicht. Ich behaupte ja nicht, dass sich ein globales Energieminimum einstellt. Eine Kugel, die auf einem 10 km hohen Berg in einer 10 cm Vertiefung liegt, liegt dort auch stabil, obwohl beim hinunterrollen des Berges viel mehr Energie frei wird, als für den Start benötigt würde.

Die Abstoßungskraft muss im übrigen nicht größer sein, als das Gewicht der Kugel. Im Ruhepunkt würd sich ja genau das Gleichgewicht einstellen, sprich Abstossung = Gewichtskraft. Woher sollte die zusätzliche Kraft kommen, um den Massenschwerpunkt anzuheben (was ja bei der Drehung nötig wäre).

#13

Es gab da mal einen Scherzartikel!
Hallo allerseits.
Ich erinnere mich an einen Scherzartikel den es vor vielen Jahren gab und „Die schwebende Jungfrau“ hieß." Er bestand aus zwei Teilen, 1) eine kleine Badewanne, so ungefähr 2 x 2 x 7 cm, mit 2) einem kleinen Kunststoff-Püppchen das in die Vertiefung der Wanne passte. Man mußte die Puppe in die Wanne drücken, denn ließ man sie los, dann schwebte sie ca 1 bis 2 cm, stabil über der Wanne. Die Wanne hatte ein rundes Kopfende und ein gerades Fußende. Die Puppe schwebte nur in dieser entsprechenden Ausrichtung. Näherte man sie in umgekehrter Richtung der Wanne, so drehte sie sich selbständig zurück. Es waren Permanentmagnete im Spiel, da keine Elektronik vorhanden war, und die beiden Teile, trotz ihrer Kleinheit, ziemlich schwer waren.
Aber fragt mich nicht wie das funktionierte!!!
Mit freundlichen Grüßen
Alexander Berresheim

#14

Hallo,

Das überzeugt mich noch nicht. Ich behaupte ja nicht, dass
sich ein globales Energieminimum einstellt. Eine Kugel, die
auf einem 10 km hohen Berg in einer 10 cm Vertiefung liegt,
liegt dort auch stabil, obwohl beim hinunterrollen des Berges
viel mehr Energie frei wird, als für den Start benötigt würde.

Ich kann und will nicht beweisen, dass es grundsätzlich unmöglich ist. Es ist aber, falls es überhaupt möglich ist, auf jeden Fall sehr schwierig, ein lokales Energieminimum zu erzeugen.

Die Abstoßungskraft muss im übrigen nicht größer sein, als das
Gewicht der Kugel. Im Ruhepunkt würd sich ja genau das
Gleichgewicht einstellen, sprich Abstossung = Gewichtskraft.
Woher sollte die zusätzliche Kraft kommen, um den
Massenschwerpunkt anzuheben (was ja bei der Drehung nötig
wäre).

Ganz enfach ausgedrückt: Weil das Feld inhomogen ist, ist die abstoßende Kraft der näher beienander liegenden gleichen Pole stärker als die anziehende Kraft zwischen dem unteren Magnet und dem oberen Pol des schwebenden Magnetes. Deshalb ergibt sich eine resultierende abstossende Differenzkraft zwischen den Magneten, die der Gewichtskraft der Kugel entspricht. Sobald die Anordnung aber nicht exakt symmetrisch ist, erzeugen diese wesentlich stärkeren Kräfte ein Drehmoment in der Kugel, das den Magneten in Feldlinienrichtung auszurichten versucht. Wie gesagt, ich halte eine stabile Lage nicht grundsätzlich für unmöglich, aber so einfach dürfte es nicht gehen.

Jörg

#15

melde mich bei gelegenheit, wie ich das problem gelöst habe.
schöne woche!
elena

Das wird ein bischen dauern… eher schöne jahrzehnte…

Elmar

#16

Ich kann und will nicht beweisen, dass es grundsätzlich
unmöglich ist.

Das mußt Du auch nicht, weil es Samuel Earnshaw bereits 1842 bewiesen hat.

[EARNSHAW, Samuel: On the nature of the Molecular Forces wich regulate the Constitution of the Luminiferous Ether. In:Transactions of the Cambridge Philosophical Society 7,(1842),S.97-112]

#17

an alle, die sich mit meiner schwebenden kugel beschäftigt haben:
VIELEN DANK FÜR DAS INTERESSE!
mir brummt der kopf, jeder sagt etwas anderes und ich stehe da, wie der ochs vorm berg (besser wie die blöde kuh).
ich werde alles ganz in ruhe durchlesen. aber auf den ersten blick scheint es mir dann doch ziemlich unmöglich.
mal sehen!
bis bald!
elena

#18

Ich kann und will nicht beweisen, dass es grundsätzlich
unmöglich ist.

Das mußt Du auch nicht, weil es Samuel Earnshaw bereits 1842
bewiesen hat.

Kann man diesen Beweis irgendwo nachlesen?
Mich interessiert, wieso das doch nicht funktioniert.

#19

Sein Beweis gilt in dem Vorliegenden Fall sowieso nicht. Denn was hat er denn genau bewiesen?
„Ein Probekörper, der einer beliebigen 1/r²-
Kraft oder einer Kombination aus solchen
Kräften ausgesetzt ist, kann keine stabile
Gleichgewichtsposition haben.“
Nun ist die durch den tiefergelegten Schwerpunkt erzeugte Kraft (bzw. Drehmoment) aber nicht r-abhängig.

Und auch ein einfaches Gedankenexperiment belegt dies:
Man denke sich eine ringförmige Anordnung von Magneten (Stabilisierung in der Horizontalen). Nun bringe man einen frei schwebenden Mageten so in das Magnetfeld, dass die Gewichtskraft gerade kompensiert wird. Um nun ein drehen des schwebenden Magneten zu verhindern, befestigt man an diesem eine unendlich lange starre Gewichtslose Stange, an deren Ende ein kleines Gewicht angebracht ist. Dadurch kann sich der Magnet nicht mehr drehen (bzw. die dafür benötigte Kraft wäre unendlich).

Man sollte mit Beweisen eben vorsichtig sein, und sich genau überlegen, was sie beinhalten, und was nicht…

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

#20

Hallo allerseits.
Ich erinnere mich an einen Scherzartikel den es vor vielen
Jahren gab und „Die schwebende Jungfrau“ hieß." Er bestand aus
zwei Teilen, 1) eine kleine Badewanne, so ungefähr 2 x 2 x 7
cm, mit 2) einem kleinen Kunststoff-Püppchen das in die
Vertiefung der Wanne passte. Man mußte die Puppe in die Wanne
drücken, denn ließ man sie los, dann schwebte sie ca 1 bis 2
cm, stabil über der Wanne. Die Wanne hatte ein rundes Kopfende
und ein gerades Fußende. Die Puppe schwebte nur in dieser
entsprechenden Ausrichtung. Näherte man sie in umgekehrter
Richtung der Wanne, so drehte sie sich selbständig zurück. Es
waren Permanentmagnete im Spiel, da keine Elektronik vorhanden
war, und die beiden Teile, trotz ihrer Kleinheit, ziemlich
schwer waren.
Aber fragt mich nicht wie das funktionierte!!!

Das funktioniert glaube auf dem gleichen Prinzip wie bei Supraleitern - nämlich unter Ausnutzung von Diamagnetismus. Diamagneten werden von Magneten abgestoßen (sowohl vom Nord- als auch vom Südpol). Supraleiter sind ideale Diamagnete, bei normalen Materialien wird der (immer vorhandene) schwache Diamagnetismus von anderen Formen des Magnetismus mehr oder weniger stark überlagert.