Levitron - Die Anleitung

Levitron - Die Anleitung
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http://www.levitron.de/anleitung.htm
Der LEVITRON
Ein bißchen Physik:
"Gleichnamige Pole stoßen sich ab" - so haben wir es einmal gelernt. Diesen Effekt nutzt der LEVITRON zum
Schweben. Die Lagestabilität erhält er - wie jeder Kreisel - duch den sogenannten "gyroskopischen Effekt".
Gebremst wird er nur durch die Luftreibung. Er kommt dann ins Trudeln, verliert seine ideale Position im
Magnetfeld und stürzt ab. Unter idealen Bedingungen kann der Kreisel bis zu 10 Minuten frei in der Luft
schweben. Nicht umsonst wurde der LEVITRON in den U.S.A. zum besten technischen Spielzeug des Jahres
gewählt.
Es macht riesigen Spaß, den Kniff heraus zu bekommen und den LEVITRON nach einiger Zeit zu beherrschen.
Aber Achtung: der LEVITRON muß für jeden Ort und jede Zeit mit den Gewichten und Keilen neu justiert
werden. Wenn Sie es sich nicht schwerer machen wollen als notwendig, folgen Sie einfach unserer Anleitung,
die auf unserer Erfahrung und Begeisterung für den LEVITRON beruht.
Zum Inhalt:
" 1 Magnet/Grundplatte " 1 Klarscheibe " 1 Kreisel " 2 Keile zum Ausrichten
" 1 Satz Gewichte:
a) 2 große Messingscheiben á 3,0 g b) 3 kleine Messingscheiben á 1,0 g
c) 2 rote Plastikscheiben á 0,4 g
d) 1 grüne Plastikscheibe á 0,2 g
e) 2 gelbe Plastikringe á 0,1 g
f) 2 Gummiringe á 0,06 g
So, jetzt endlich, die Anleitung:
Zwei Dinge müssen stimmen, um den Kreisel zum Schweben zu bringen:
a) Das Andrehen des Kreisels auf der Grundplatte.
b) Die korrekte, sehr sensible Gewichtseinstellung.
So wird es gemacht:
1. Auspacken und die Namen der einzelnen Teile mit Hilfe der Inhaltsangabe kennenlernen.
2. Die Grundplatte auf einen Tisch legen, weit weg von Metallgegenständen.
3. Die Klarscheibe, mit den vier kleinen Füßchen nach unten, auf die Grundplatte legen.
4. Die Gewichte auf dem Kreisel in die Grundeinstellung bringen: 1 große Messingscheibe, 1 rote
Kunststoffscheibe, 1 kleine Messingscheibe, 1 grüne Kunststoffscheibe, 1 gelbe Kunststoffscheibe und zum
Schluß zur Fixierung einen Gummiring.
5. Jetzt erst einmal das Kreiseldrehen in gebührendem Abstand von der Grundplatte üben.
Wenn der Kreisel auf einen harten Boden (Stein, Keramik) fällt, können am Rand kleine Ecken abbrechen, dies
schränkt seine Funktion nicht ein. Abhilfe: Einen gerollten Schal im Kreis um die Grundplatte legen.
Achten Sie dabei auf drei Dinge:
Sie müssen den Kreisel:
a) möglichst gerade halten beim Andrehen,
b) immer mit Kontakt zur Unterlage andrehen und nicht anlupfen,
c) auf eine hohe Drehzahl bringen (gut zupacken und mit Daumen und Zeigefinger kräftig anschnippen).
6. Nun den Kreisel zwischen Daumen und Zeigefinger fest einklemmen und über die Klarscheibe hin- und
herführen, um das Kraftfeld zu erfühlen. Sie werden feststellen, daß das Kraftfeld genau in der Mitte der
Grundplatte nicht so stark ist.
7. Wenn Sie ein gutes Gefühl für das Andrehen des Kreisels haben, setzen Sie ihn in der Mitte der Klarscheibe
auf und drehen ihn dort an. Die drei häufigsten Fehler sind:
a) Der Kreisel wird beim Andrehen zu schräg gehalten und angelupft.
b) Der Kreisel wird zu langsam angedreht (erst ab einer etwas höheren Drehgeschwindigkeit bekommt er eine
gute Stabilität).
c) Der Spieler verkrampft sich und "verreißt" den Kreisel beim Andrehen. Abhilfe: Entspannen, nur zwischen
Daumen und Zeigefinger fest zupacken und den Ellbogen auf gleiche Höhe mit dem Handgelenk bringen.
8. Dreht sich der Kreisel, muß die Klarscheibe langsam angehoben werden. Sie können auch einen leicht
schwankenden Kreisel anheben, denn meist stabilisiert er sich durchs Anheben. Am besten lassen Sie die
Handkanten auf dem Tisch liegen, Daumen und Mittelfinger beider Hände fassen die Ecken der Klarscheibe,
und Sie heben mit der Klarscheibe den Kreisel ganz langsam an. Auf einer Höhe von ca. 2 - 3 cm sollte er sich
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ganz sanft von der Scheibe abheben und schweben. Tut er dies nicht, kann es zwei Ursachen haben.
a) Das Gewicht ist nicht korrekt eingestellt:
- Der Kreisel ist zu leicht, wenn er von der Klarscheibe hochhupft (sehr häufig der Fall).
- Er ist zu schwer, wenn er die Scheibe nicht verläßt, sondern beginnt auf ihr herumzutrudeln.
Bitte verändern Sie das Gewicht so lange, bis er sich gerade noch selbständig von der Klarscheibe hebt.
b) Trotz optimaler Gewichtseinstellung, (der Kreisel hebt ganz sanft von der Klarscheibe ab) driftet er zur Seite
weg. In dem Fall muß die Grundplatte an dieser Seite so lange (vorsichtig !) mit einem der Keile angehoben
werden, bis der schwebende LEVITRON auf Position bleibt. (Ist eine größere Korrektur durch die Keile nötig,
kann es außerdem noch notwendig sein, das Gewicht noch einmal um eine gelbe Kunststoffscheibe zu
korrigieren.)
9. Die optimale Gewichtseinstellung kann sich sehr schnell verändern, von Tag zu Tag, an verschiedenen Orten,
auch zu verschiedenen Zeiten, sogar nach wenigen Minuten (z.B. der Kreisel wärmt sich durch die Hände auf
und schon ist eine kleine Korrektur notwendig).
Der häufigste Fehler ist, daß das Gewicht des Kreisels nicht richtig eingestellt ist, fast immer ist er zu leicht !
Vorsicht:
Dieses Spiel ist wegen den verschluckbaren Kleinteilen nicht für Kleinkinder geeignet.
Bitte halten Sie den LEVITRON (insbesondere die Grundplatte!) von Computern,
Disketten, Tonbänder, Scheckkarten ... fern, also von allen Gegenständen, die von
magnetischen Kräften beeinflußt werden können.
Und jetzt: Viel Erfolg und natürlich: Viel Spaß!
Bauer Spiele & Klänge, 53894 Mechernich-Wachendorf (Germany)
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LEVITRON® ist eine eingetragene Marke
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Die Physik des Levitron
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Wie funktioniert der LEVITRON ?
Was hält den Kreisel in der Luft?
Warum muß sich der Kreisel drehen?
Warum rutscht der Kreisel nicht seitlich weg?
Warum ist das Gewicht so wichtig und warum muß es so oft neu angeglichen wer
Warum sind die Magneten aus Keramik und nicht aus Metall?
Warum fällt der Kreisel schließlich doch herunter?
Wird das LEVITRON - Prinzip auch anderswo benutzt?
Wie funktioniert der LEVITRON?
Eine ausführliche physikalische Erklärung von William G. Hones
Nachdem Sie nun im Besitz eines LEVITRON sind und (so wollen wir mal annehmen) es verstehen den Kreisel zu drehen un
in Lagestabilität zu versetzen, beginnen Sie vielleicht auch, etwas von der Verwunderung zu spüren, die der LEVITRON bei
vielen Menschen hervorruft. Wir erhalten zahlreiche Anfragen von Besitzern des LEVITRON, die wissen möchten, wie der
LEVITRON funktioniert. Viele sind verwundert, daß er überhaupt funktioniert und zitierten dabei einen Grundsatz von
Earnshaw (1,2) der beweisen soll, daß der LEVITRON eigentlich gar nicht funktionieren kann. Das Interesse der
Wissenschaftler am LEVITRON ist schon immer groß gewesen. Kürzlich haben Wissenschaftler, die auf dem faszinierenden
Forschungsgebiet arbeiten, in dem Materie manipuliert und untersucht wird, Analogien zwischen dem LEVITRON und Fallen
für mikroskopische Partikel (z.B. Elektronen, Neutronen) erkannt. Der erste, der diese Analogie erkannte, war Michael V. Ber
von der Universität in Bristol. Dr. Berry hat sich in einer Studie, die bald veröffentlicht werden soll, eingehend mit der Physik
des LEVITRON befaßt. Dr. Berry's Studie stellt die zur Zeit beste Erklärung des LEVITRON dar und er hat uns
freundlicherweise eine Kurzfassung zusammengestellt, die wir nachstehend präsentieren. Sollten Sie die gesamte Fassung
lesen wollen, so bitten Sie Dr. Berry um eine Kopie seiner Studie. (c/o the H.H. Wills Physics Laboratory, Royal Fort, Tyndal
Ave, Bristol (BS 81 TL) Großbritannien).
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Was hält den Kreisel in der Luft?
Die "Anti-Schwerkraft", die den Kreisel von der Grundplatte abstößt, ist die Magnetkraft. Sowohl der Kreisel, als auch der
Gegenstand in der Grundplatte sind magnetisiert, aber gegenpolig. Denken Sie sich die Grundplatte als einen Magneten,
dessen Nordpol nach oben zeigt (Abb. 1). Es folgt dem Prinzip, daß sich zwei gleiche Pole (z.B. zwei nördliche) abstoßen
während sich zwei entgegengesetzte Pole anziehen, wobei die Anziehungskraft zunimmt, je näher die Pole
aneinanderrücken. Der Kreisel hat vier Magnetkräfte: an seinem Nordpol die Abstoßkraft von dem Nordpol der Grundplatte
und die Anziehungskraft von dem Südpol der Grundplatte und an seinem Südpol die Anziehungskraft von dem Nordpol der
Grundplatte und die Abstoßkraft von dem Südpol der Grundplatte. Da die Kräfte von ihrem Abstand zueinander abhängig
sind, dominiert die Nord-Nord-Abstoßkraft und der Kreisel wird so magnetisch abgestoßen. Er schwebt an der Stelle, wo sich
diese nach oben gerichtete Abstoßkraft mit der nach unten gerichteten Schwerkraft ausgleicht, also auf dem
Gleichgewichtspunkt, wo die Gesamtkraft "Null" beträgt.
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Warum muß sich der Kreisel drehen?
Um zu verhindern das sich der Kreisel umdreht. Das Magnetfeld der Grundplatte gibt dem Kreisel nicht nur eine Kraft als
Ganzes sondern auch eine Umdrehungskraft, die die Drehachse dahin tendieren läßt umzukippen. Wenn der Kreisel sich
nicht drehen würde, würde diese magnetische Umdrehungskraft ihn umkippen lassen. Dann wäre sein Südpol nach unten
gerichtet und die Kraft die von der Grundplatte ausgeht würde ihn anziehen, d.h. in dieselbe Richtung wie die Schwerkraft
ziehen und somit würde der Kreisel runterfallen. Wenn der Kreisel sich dreht, wirkt die Umdrehungskraft gyroskopisch, d.h.
die Achse dreht sich nicht um, sondern rotiert um die (fast vertikale) Richtung des Magnetfeldes. Diese Reaktion nennt man
"Precession" (Abb. 2). Beim LEVITRON ist die Achse fast vertikal und die Precession macht sich als ein Zittern bemerkbar,
das um so stärker wird, je mehr sich der Kreisel verlangsamt.
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Warum rutscht der Kreisel nicht seitlich weg?
Gleichgewicht allein reicht nicht aus um den Kreisel in der Luft zu halten. Das Gleichgewicht muß auch stabil sein, so daß
eine geringfügige horizontale oder vertikale Verschiebung des Kreisels eine Kraft erzeugt, die den Kreisel wieder zum
Gleichgewichtspunkt zurück bringt. Für den LEVITRON ist es schwer diese Stabilität zu erreichen. Sie ist abhängig von der
Tatsache, daß das magnetische Feld der Grundlage, in dem sich die Achse des Kreisels bewegt, leicht von der Vertikalen
abweicht, wenn sich der Kreisel zur Seite bewegt, also weg von der Achse des Basismagneten (Abb. 2). Wenn sich der
Kreisel genau um die Vertikale drehen würde, würden die Grundsätze des magnetischen Feldes das Gleichgewicht zerstöre
Da das magnetische Feld aber so nahe an der Vertikalen liegt, ist das Gleichgewicht nur in einem kleinen Höhenraum stabil
zwischen 3,2 und 4,4 cm. Der Grundsatz Earnshaws wird dadurch nicht in Frage gestellt. Der Grundsatz besagt, daß kein
statisches Arrangement von magnetischen Gegenständen stabil sein kann; dies bezieht sich nicht auf den LEVITRON, da
sich der Magnet im Kreisel dreht und somit dynamisch auf das magnetische Feld der Grundplatte reagiert.
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Warum ist das Gewicht so wichtig und warum muß es so oft neu angeglichen werden ?
Das Gewicht des Kreisels und die Stärke der Anziehungskraft zwischen Kreisel und Grundplatte bestimmen die
Gleichgewichtshöhe, in der sich Anziehungskraft und Schwerkraft ausgleichen. Diese Höhe muß innerhalb des stabilen
Feldes liegen. Leichte Temperaturschwankungen verändern die Anziehungskraft zwischen Kreisel und Grundplatte (bei
ansteigender Temperatur laufen die Atommagnete in ihren Richtungen durcheinander und schwächen damit das Magnetfeld
Wenn das Gewicht nicht angepaßt wird, um das zu kompensieren, bewegt sich das Gleichgewicht aus dem stabilen Raum
heraus und der Kreisel fällt herunter. Da der stabile Raum so klein ist, ist diese Anpassung sehr feinfühlig: der leichteste
Gummiring wiegt nur 0,3% vom Gewicht des Kreisels.
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Warum sind die Magneten aus Keramik und nicht aus Metall ?
Das Magnetfeld der Grundplatte übt auf die Elektronen im Kreisel einen seitlichen Druck aus, während sie sich im Feld
bewegen. In einem Metallkreisel, der Elektrizität leitet, würden die Elektronen fließen. Ein Widerstand im Metall würde diese
Strömungen verlangsamen (abdämpfen) und die Drehkraft des Kreisels behindern, so daß dieser sich verlangsamen und
schließlich herunterfallen würde. Der Keramikkreisel dient als Insulator, so daß diese Strömungen nicht fließen können.
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Warum fällt der Kreisel schließlich doch herunter ?
Bei ca. 20 bis 26 Umdrehungen pro Sekunde (rps) dreht sich der Kreisel in stabiler Lage. Bei mehr als 30 rps oder weniger
als 18 rps ist er vollkommen instabil. Wenn der Kreisel gedreht und angehoben wird, verlangsamt er sich aufgrund des Luftund Reibungswiderstandes. Nach einigen Minuten erreicht er die niedrigste Stabilitätsgrenze (18 rps) und fällt herunter. Man
kann die Drehzeit des LEVITRON verlängern, indem man ihn in ein Vakuum stellt. In manchen Vakuum Experimenten fällt de
Kreisel nach 30 Minuten. Warum er das tut, ist nicht klar; vielleicht ändert sich die Temperatur und bringt damit das
Gleichgewicht aus dem stabilen Feld heraus; vielleicht gibt es eine winzige langfristige Instabilität, weil sich der Kreisel nicht
schnell genug dreht; oder vielleicht rütteln Vibrationen in der Vakuumanlage das Feld und bewegen somit die Precession Achse langsam von der Richtung des Feldes weg. Die Levitation kann entscheidend verlängert werden, indem man gegen
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einen, an dem Kreisel befestigten, gezackten Kragen Luft bläst, und somit die Umdrehungsfrequenz innerhalb des stabilen
Feldes hält. Kürzlich hat man einen LEVITRON-Kreisel auf diese Art mehrere Tage in der Luft gehalten.
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Wird das LEVITRON - Prinzip auch anderswo benutzt ?
In den vergangenen Jahrzehnten hat man mikroskopische Partikel untersucht, indem man sie mit magnetischen und/oder
elektrischen Feldern gefangen hat. Es gibt verschiedene Fallen. So können z.B. Neutronen in einem magnetischen Feld
gehalten werden, daß durch ein System von Spiralen erzeugt wird. Neutronen sind sich drehende magnetische Partikel;
daher ist die Analogie zwischen einer solchen Neutronenfalle und dem LEVITRON sehr eng.
Literatur :
1. S. Earnshaw, On the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the luminiferous ether, Trans. Cambridge Phil. Soc. 7, 97-112,
1842. 2. L. Page and N. I. Adams, Jr., Principles of Electricity, 3rd edition p. 24, D. Van Nostrand Co., New York, 1958. 3. M. V. Berry, The LEVITRON
and adiabatic trap for spins, Proc. Roy Soc. Lond., A (1996) 452, 1207-1220. 4. R. M. Harrigan, Levitation device, U.S. Patent $,382245, May 3, 1983.
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