Was verhindert, dass dieses magnetische Perpetuum Mobile funktioniert?

Als Kind stellte ich mir dieses Gerät vor, das sich endlos zu drehen scheint. Ich habe zwei Fragen.

  1. Ist dieses Perpetuum Mobile schon bekannt? Wenn ja, könnten Sie bitte einige Referenzen nennen?
  2. Was ist der genaue Mechanismus, der es zum Stoppen bringt? Damit meine ich eine Erklärung, nicht einfach "weil es gegen das Energieerhaltungsgesetz verstoßen würde". Natürlich gilt die Energieeinsparung und diese Maschine kann nicht unbegrenzt arbeiten. Aber für jedes bekannte (vermutete) Perpetuum Mobile gab es eine Erklärung, die normalerweise darauf basierte, zu zeigen, dass die Kraft, die die Bewegung erzeugt , durch eine andere Kraft ausgeglichen wird . Die Gesetze der schiefen Ebene hat Stevin beispielsweise aus dem Perpetuum Mobile übernommen

Magnetisches Perpetuum Mobile

Ich möchte einige Beobachtungen machen.

  • Ich versuche nicht, irgendjemanden davon zu überzeugen, dass es sich für immer bewegen wird, weil ich nicht daran glaube, die Energieeinsparung zu brechen . Es ist wahr, dass große Physiker wie Bohr, Kramers und Slater die Möglichkeit eingeräumt haben, und heutzutage glauben einige, dass es einen Energieaustausch zwischen parallelen Welten im MWI geben könnte, aber ich glaube nicht.
  • Aber ich halte es nicht für eine ausreichende Erklärung, sich einfach auf die Energieeinsparung zu beziehen. Ich interessiere mich für eine Erklärung, die genau zeigt, wie die magnetischen Kräfte, die es drehen, ausgeglichen sind.
  • Wenn die Kräfte ausgeglichen sind, wird es nur durch Reibung verlangsamt und gestoppt. Ich glaube nicht, dass wir dies nur mit der Reibung erklären können, die im Prinzip so klein wie nötig gemacht werden kann. Es muss ein Kräftegleichgewicht geben.
  • Warum Zeit damit verbringen, etwas zu verstehen oder zu erklären, das zugegebenermaßen nicht funktionieren kann? Nun, auch wenn Perpetuum-Motion-Maschinen eigentlich nicht funktionieren können, denke ich, dass sie als Rätsel interessant sein könnten.
Was sind die roten und blauen Flächen? Elektrische Ladungen (mit entgegengesetztem Vorzeichen)? Magnetische Pole? Die genaue Erklärung hängt davon ab.
@Colin McFaul: Magnete. Ich dachte, es sei klar, weil ich das Wort in Titel, Text und Tags verwendet habe. Aber wenn es elektrische Ladungen wären, würde das einen Unterschied machen? Das würde mich auch interessieren.
@CristiStoica, elektrische Ladungen, die sich auf diese Weise drehen, würden ein Magnetfeld erzeugen, das die Bewegung so beeinflussen könnte , dass sie sich ihr widersetzt. Ich denke, dasselbe könnte mit rotierenden Magneten passieren, aber ich kann es anscheinend nicht durch Gleichungen formalisieren.
@udiboy: Maxwells Gleichungen sind beim Austausch von elektrischen und magnetischen Feldern unveränderlich, sofern keine Quellen vorhanden sind . Wenn wir anstelle von Magneten elektrische Dipole betrachten, gibt es keinen Unterschied. Insbesondere wenn die rotierenden elektrischen Dipole Magnetfelder erzeugen, gilt auch das Umgekehrte: Rotierende Magnete erzeugen elektrische Felder.
@Colin McFaul & udiboy. Ich würde mich über eine Lösung für eine der beiden Versionen freuen, also können Sie frei wählen, ob es sich um Magnete oder elektrische Dipole handelt, was immer Sie bequemer finden. Ich habe in der Frage zwar mehrfach das Wort „Magnet“ verwendet, aber nie das Werk „elektrisch“ oder etwas Ähnliches, aber ich würde die Antworten auf die Version mit „elektrisch“ als gleich passend erachten.
Sie können die Reibung nicht "so klein wie nötig" machen.
@Olivier Dulac: Unter der Antwort von anna v befindet sich ein Kommentar (den Sie bereits gelesen haben) und in dem ich erklärt habe, wie Reibung für dieses Beispiel beseitigt werden kann. Warum erklären Sie nicht, was an diesem Argument falsch ist, sondern bekräftigen stattdessen einfach Ihren gegenteiligen Standpunkt? Wie auch immer, auch im Allgemeinen gibt es keine untere Reibungsgrenze.

Antworten (3)

Sie müssen keine Reibung hervorrufen. Die Magnetkräfte sind von selbst im Gleichgewicht, wenn Sie also die Magnete in dieser Konfiguration platzieren, beginnen sie sich nicht spontan zu bewegen. Der Grund dafür ist, dass auf die Magnete eine entsprechende Kraft wirkt , wenn sie vertikal sind, die mit denen übereinstimmt, die Sie bereits gezeichnet haben.

Lassen Sie mich ein einfaches Modell erstellen. Beginnen Sie zunächst damit, das Spiel zu verbessern und zwei große Magnete hinzuzufügen, die es nur besser machen können:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wenn Rot ein Nordpol ist, dann hat jeder rotierende Magnet, wenn er horizontal ist, einen Nordpol, der seinen hinteren Nordpol abstößt, und einen Nordpol, der seinen vorderen Südpol anzieht. Wenn wir uns im Moment auf die großen Magnete konzentrieren, deutet die Tatsache, dass ihre Nordpole einander zugewandt sind, darauf hin, dass wir sie gegen ein Paar Anti-Helmholtz-Spulen eintauschen können. Das bedeutet, dass der wichtige Charakter ihres Feldes seine quadrupolare Natur ist, und wir können das Magnetfeld annähern als

B = B 0 a ( x j − 2 z ) ,
bei dem die z Achse geht von einem großen Magneten zum anderen, a ist eine charakteristische Länge, und B 0 ist eine charakteristische Feldstärke.

Nun, für die kleinen Magnete halte ich es für unumstritten, sie als Punktdipole zu modellieren. Wenn θ ist der Winkel, den die Radspeiche mit dem bildet x Achse (mit dem Rad in der x , z Ebene) dann ist jeder Magnet ein Dipol mit Moment

m = m ( − Sünde ⁡ ( θ ) 0 cos ⁡ ( θ ) )  bei  r = R ( cos ⁡ ( θ ) 0 Sünde ⁡ ( θ ) ) .
Damit ist die potentielle Energie jedes Speichenmagneten
U = − m ⋅ B = 3 R a m B 0 Sünde ⁡ ( θ ) cos ⁡ ( θ ) = 3 2 R a m B 0 Sünde ⁡ ( 2 θ ) .

Um zu sehen, wie sich das verhält, ist hier ein Farbdiagramm der Energie, mit negativer Energie in Rot und positiver Energie in Blau.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Sie können sehen, dass es einen Gradienten gibt, der rechts nach oben und links nach unten zeigt. Diese werden jedoch durch Steigungen im Uhrzeigersinn angepasst, wenn die Speichen vertikal sind. Ein einzelner Magnet setzt sich unten links oder oben rechts ab ; Ein Paar Magnete wird sich auf dieser Diagonale niederlassen. Bei einem symmetrischen Rad mit drei oder mehr Magneten ist die potentielle Gesamtenergie flach bei Null,

U = ∑ k = 1 n 3 2 R a m B 0 Sünde ⁡ ( 2 ( θ 0 + 2 π n k ) ) = 3 4 R a m B 0 Ich bin [ e 2 ich θ ∑ k = 1 n ( e 2 π ich / n ) k ] = 3 4 R a m B 0 Ich bin [ e 2 ich θ + 2 π ich / n 1 − ( e 2 π ich / n ) n 1 − e 2 π ich / n ] = 0
und es gibt keine resultierende magnetische Kraft.

Wer die Bilder verschönern möchte, ist herzlich willkommen.
Ich freue mich sehr über diese Antwort. Ich habe an die gleichen Siedlungspositionen gedacht wie die, die Sie gefunden haben, aber ich habe sehr rudimentäre Argumente verwendet, während Ihre Antwort streng ist. Ich werde Ihre Antwort akzeptieren. Wenn es Ihnen nichts ausmacht, werde ich vielleicht morgen mit einer Folgefrage kommen (weil es jetzt spät nach Mitternacht ist und ich gerade von Roger Waters' Konzert zurückgekehrt bin).
Nun, es ist sowieso morgen :) Hier ist meine Folgefrage. Betrachten Sie meine Version mit Gürtel, wie in meiner Antwort. Betrachten wir 1. das Umgebungsmagnetfeld ist nahezu gleichförmig und 2. es gibt nur einen kleinen Magneten. In den Bereichen AB, CD wird der Magnet beschleunigt und in den Bereichen BC, DA wird er verlangsamt und ggf. angehalten. Nachdem ich diese Antwort gegeben hatte, dachte ich: Was ist, wenn der lineare Bereich lang genug ist, damit der Magnet gut genug beschleunigt wird, um durch die Bremsbereiche zu gehen? Würde es sich für immer bewegen? Dies sollte nicht möglich sein. Glauben Sie, dass Ihre Antwort auch auf diesen Fall angepasst werden kann?
+1, sehr schön. Ich denke, eine intuitive Version dieser Antwort ist, dass, obwohl die Magnete auf die in der Frage gezeigte Weise beschleunigt werden, auch ein Drehmoment auf die Magnete wirkt, das sie dazu bringt, sich herumzudrehen, damit ihre Südpole dem Nordpol des großen Magneten zugewandt sind .
Was ist, wenn Sie ihnen eine anfängliche Drehbewegung geben?
@annav Da es keine Magnetkraft gibt, würden sie sich weiter drehen, bis Reibung oder Luftwiderstand sie stoppten.
@CristiStoica Ich glaube, es sollte gut übersetzt werden: Kartieren Sie die Energielandschaft eines einzelnen Magneten an Ihrem Gürtel. Dann können Sie das als einzelnes klassisches Teilchen analysieren.
Sie meinen keine resultierende Magnetkraft. Ich mag immer noch die Entmagnetisierung :) aber ich habe meine Antwort gelöscht, da sie nicht auf Ihre Details eingegangen ist und das Winken mit der Hand das Ergebnis von Null nicht gesehen hat!
@Emilio Pisanty: Wenn ich die Energielandschaft auf dem Gürtel abbilde, scheint die potentielle Energie eines Magneten bei A der bei B zu entsprechen. Aber gibt es nicht abhängig von der Position ein magnetisches Potential, so dass der Magnet dazwischen abgestoßen wird? A und B, und zwischen C und D angezogen? Um auf Ihre Antwort zurückzukommen, gibt es nicht tatsächlich für jeden Magneten zwei Kräfte, eine, die dazu neigt, seine Ausrichtung zu ändern, und eine andere, die dazu neigt, ihn abzustoßen oder anzuziehen (diejenige, die ich in der Frage erwähnt habe)? Vielleicht fehlt mir etwas, aber ich kann nicht sehen, wo in Ihrer Antwort diese Kraft berücksichtigt wurde.
@CristiStoica Eine "Kraft", die dazu neigt, die Ausrichtung eines Objekts zu ändern, wird als Drehmoment bezeichnet und impliziert, dass Änderungen der Ausrichtung Energieänderungen mit sich bringen. Bei dieser Klasse von Problemen haben Sie eine Einschränkung, die Positionsänderungen in Orientierungsänderungen umwandelt, sodass Sie beides in Ihrer Energielandschaft berücksichtigen müssen. Meine Antwort berücksichtigt dies durch Herstellung m sein θ abhängig und das Skalarprodukt mit dem Körper nehmend.
Beachten Sie auch, dass Sie bei Ihrem Modell nicht erwarten sollten, dass die potentielle Energie bei A und B gleich ist. Ich vermute, Sie nehmen ein gleichmäßiges Magnetfeld, was falsch ist - die Aufwärtskraft ist darauf zurückzuführen, dass das Feld schwächer wird und somit U ∝ B abnehmend. Wenn Sie ein einfaches Modell wünschen, würde ich entweder einen Einzelpunktdipol oder zwei große Magnete mit einem Quadrupolfeld wie in meiner Antwort vorschlagen.
Ich weiß, das ist ein altes Thema, aber was wäre, wenn Sie etwas einführen würden, um es in Bewegung zu bringen, wie einen kleinen Motor? Sie verwenden diesen Motor, um sicherzustellen, dass er weiterläuft, und Sie verwenden Solar, um eine Batterie aufzuladen, die den Motor auflädt.
@Dennis Fragen Sie separat oder im Chat
@EmilioPisanty was meinst du im Chat? Ich dachte immer, Sie sollten keine neue Frage zu Themen eröffnen, die bereits diskutiert werden ... thx

Ich werde versuchen zu erklären, was meiner Meinung nach die Lösung ist. Es ist offensichtlich alles andere als vollständig, es ist nur eine Idee, ein "Fortschrittsbericht". Daher werde ich es nicht als richtige Antwort auswählen, es sei denn, ich kann es beenden.

Um die Lösung zu erklären, beziehe ich mich auf das folgende Bild, das eine vereinfachte Version des Originalgeräts aus der Frage ist. Es sieht komplizierter aus, aber ich denke, es macht die Hauptidee einfacher zu verstehen.

Magnetisches Perpetuum Mobile vereinfacht

Jeder Magnet bewegt sich zyklisch entlang des Bandes ABCD. Jeder Magnet dreht sich nicht, wenn er sich zwischen A und B und zwischen C und D bewegt, sondern wird durch die Magnetkraft beschleunigt. Das ist offensichtlich, wie jeder weiß, der mit Magneten gespielt hat. Wenn also die Bewegung irgendwo verlangsamt wird, muss dies bei der Bewegung zwischen B und C und zwischen D und A sein, wie im Bild unten zu sehen ist.

Magnetisches Perpetuum Mobile vereinfacht, Balance

Zwischen den Punkten BC bzw. DA dreht sich der Magnet. Einige der Feldlinien, die ihn mit dem großen Magneten verbinden, werden unterbrochen, andere entstehen. Wenn wir einen kleinen Magneten neben einen großen halten, sehen wir, dass er seine Ausrichtung ändert und sich selbst entlang einer bevorzugten Ausrichtung fixiert. Das wissen wir auch, wenn wir im Magnetfeld der Erde auf die Nadel eines Kompasses schauen. Ich vermute also, dass dort die kinetische Energie verbraucht wird, die sich beim Bewegen entlang AB und CD ansammelt. Aber ich weiß nicht, wie ich das Guthaben berechnen soll. Wie auch immer, ich vermute, dass das System eine bevorzugte Position findet und sich darin verriegelt, bevor es mindestens eine vollständige Drehung ausführen kann.

Der Riemenmechanismus erklärt etwas nicht. Die Magnete am Riemen beim Laufen über die Riemenscheiben tun dasselbe wie beim Originalrad. Die Riemenmaschine ist also nur die Überlagerung des Rades plus der linearen Verlängerung. (Übrigens sehe ich den Energieverlust / -gewinn im linearen gelben Abschnitt anders)
@Georg: Mein Punkt mit dem Gürtel ist, dass es in der gelben Region eine lineare Beschleunigung und in der grauen Region eine Rotation gibt. Die Rotation sollte also irgendwie die im gelben Bereich gewonnene kinetische Energie ausgleichen. Ich bin interessiert, wenn Sie Ihr "übrigens ..." beschreiben könnten :)
""Es gibt eine lineare Beschleunigung"," noch mehr Unsinn! Es gibt eine lineare Bewegung! Bezüglich der gelben Region: Eine Seite ("oben") verliert Energie, die andere unten gewinnt. Bitte lernen Sie die grundlegende Mechanik und deren Wortlaut.
@Georg: 1. Wenn du "mehr Unsinn" sagst, sag bitte zuerst, wo der andere Unsinn war. 2. "Lineare Beschleunigung", ja, es ist eine lineare Bewegung, aber beschleunigt. 3. Sehen Sie sich an, wie Magnete ausgerichtet sind, wenn sie nach oben und wenn sie nach unten gehen. Sowohl in AB als auch in CD wird die Bewegung beschleunigt, daher wird beide Male kinetische Energie gewonnen. Glaubst du immer noch, dass nach oben „lose“ Energie geht? Sie beziehen sich auf potentielle Energie im Gravitationsfeld, die möglicherweise sogar nicht vorhanden ist, und ich sprach von kinetischer Energie, wie Sie sehen können, wenn Sie noch einmal lesen. Bitte sorgfältig lesen und nicht beleidigen, weil Sie es nicht verstehen.
Wie Emilios Antwort zeigt, ist Ihr Versuch tatsächlich richtig. Die kleinen Magnete haben, wenn sie an den Drehpunkten (BC, DA) gedreht werden, eine genau entgegengesetzte Kraft (zu der an AB, CD), sodass sich das gesamte System im Gleichgewicht befindet. Man kann das Gleichgewicht brechen und Rotationen machen, führt dann aber auch Asymmetrie ein, die selbst eine Effizienz einführt η < 1

Die einfache Antwort ist, dass die magnetischen Kräfte im Gleichgewicht sind. Die Nordpole werden vom Südpol des festen Magneten mit genau der Kraft angezogen, mit der die Südpole von ihm abgestoßen werden, und dasselbe gilt für den Nordpol des festen Magneten.

Ist die Energie, die benötigt wird, um das Gleichgewicht zu stören, höher oder gleich der Energie, die durch die Bewegung erzeugt wird?
Es würde nur kinetischer Energieverlust durch Reibungs- und Widerstandskräfte auftreten.
Was verhindert, dass dieses magnetische Perpetuum Mobile funktioniert?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 5v