Tempo fa guardando la vetrina di un
negozio, sono stato attratto da un curioso gadget costituito da una
piccola sfera fluttuante nell’aria, come se galleggiasse su qualcosa
d’invisibile. Poiché non ho notato alcun tipo di collegamento o supporto
fisico visibile, l’effetto vi assicuro è stato davvero sorprendente.
Intuitivamente ho pensato ad un qualcosa che sfruttasse le proprietà
magnetiche di alcuni materiali; tuttavia, provando e riprovando con due
calamite, non sono riuscito a trovare un punto d’equilibrio ed a farne
galleggiare una nell’aria, inesorabilmente si attaccavano l’una
all’altra, oppure ne cascava una a terra.
Ho fatto delle ricerche ed ho scoperto che
in realtà, per produrre questi effetti si ricorre proprio al magnetismo
ma con qualche piccolo accorgimento. Innanzi tutto occorre
un’elettrocalamita alimentata da una corrente regolabile con estrema
precisione, che ci consenta di produrre di conseguenza una forza
magnetica anch’essa regolabile con precisione. Facendo ora in modo, di
ridurre tale forza quando la sfera rischia di attaccarsi
all’elettrocalamita per effetto dell’attrazione magnetica, oppure di
aumentarla quando invece rischia di cadere a terra per effetto
dell’attrazione gravitazionale, si può ottenere il raggiungimento di un
equilibrio stabile che fa levitare nell’aria l’oggetto.
Una tale condizione, non si può certo
ottenere con un controllo di tipo manuale, si ricorre quindi ad un
circuito elettronico, il cui compito consiste nel rilevare continuamente
con opportuni sensori la posizione della sfera, e regolare di
conseguenza con un’opportuna corrente, la forza d’attrazione magnetica
in contrapposizione alla forza gravitazionale.
Clicca qui:
http://www.youtube.com/watch?v=qq2iUbLvJEI
Materiali Usati
Per realizzare qualcosa di simile, ho
utilizzato una pallina da ping-pong, all’interno della quale però, ho
nascosto un piccolo magnetino, che ho recuperato da uno di quei giochi
costituiti da tante sferette metalliche e di altrettanti cilindretti
colorati, coi quali è possibile realizzare strutture geometriche
tridimensionali. Distruggendo uno di questi cilindretti ho recuperato il
piccolo magnete che vi è all’interno, perché oltre ad essere piccolo è
anche leggero ed abbastanza potente.
Per ottenere un buon risultato è
sufficiente praticare un foro sulla pallina di poco superiore al
diametro del magnetino, posizionare il magnetino sulla sommità di una
matita tenuta verticalmente, fare colare una goccia di colla sulla
facciata superiore del magnetico e con molta cura calare la pallina
sulla matita, facendola passare attraverso il foro, fino a quando il
magnetino non va ad incollarsi, sulla parete interna della pallina
diametralmente opposto al foro.
Per quanto
riguarda invece la parte elettronica di controllo, ho utilizzato
dei componenti che più o meno tutti abbiamo nei cassetti. I due
fotodiodi ad esempio, li ho recuperati da un vecchio
videoregistratore e dal suo telecomando ormai in disuso. Per
l’elettromagnete ho usato l’avvolgimento di un vecchio relè, con
tensione d’esercizio di 12 Volt.
Per quel che
riguarda la struttura di supporto, potrete realizzarla coi
materiali che vorrete, purchè otteniate le condizioni visibili
nella foto 1, magari facendo in modo di occultare sia
l’elettrocalamita sia i sensori. Occorre solo che i due
fotodiodi si trovino ad una distanza di circa nove centimetri
uno dall’altro, e che la linea immaginaria che li congiunge si
trovi a circa due centimetri sotto l’elettromagnete.
Funzionamento
Come si può
vedere nel circuito elettrico visibile nella fig.2, il compito
fondamentale è svolto dai due fotodiodi operanti nella banda
dell’infrarosso. Il primo emette un raggio di luce, il secondo
la riceve ma solo parzialmente, perché una parte della luce
emessa è bloccata dalla pallina da ping-pong che si trova più o
meno al centro tra i due fotodiodi.
Si intuisce che l’intensità luminosa raccolta dal fotodiodo
ricevente, è proporzionale alla posizione assunta dalla pallina
nello spazio, più precisamente, sarà tanto più intensa quanto
più in basso si trova la pallina, poiché più in basso si trova
più luce fa passare e viceversa.
Un aumento del fascio luminoso, provoca un aumento della
corrente circolante nel fotodiodo ricevente, tale corrente è
amplificata dal transistor T1, al cui emettitore grazie alla
resistenza Re, si stabilisce una tensione anch’essa
proporzionale alla posizione assunta dalla pallina.
Tale tensione attraversa l’inseguitore costituito da A1, che
la fa passare inalterata e la applica al filtro passa alto
costituito da C1-R1, che fa viaggiare la corrente in
anticipo rispetto alla tensione, conferendo maggiore
stabilità a tutto il sistema.
A questo
punto il segnale così condizionato, viene invertito ed amplificato di
circa 22 volte da A2, ed applicato al multivibratore astabile costituito
da A3, che produrrà un onda quadra con duty-cycle variabile, ottenendo
in questo modo un modulatore PWM, vale a dire, una modulazione a
larghezza d’impulso. (Vedi foto sopra)
Tale segnale
va a pilotare il transistor di potenza TIP42C, facendolo lavorare nella
zona d’interdizione oppure nella zona di saturazione, con conseguente
riduzione di calore generato e di potenza dissipata nella sua giunzione
C-E.
La frequenza
dell’onda quadra è determinata dal gruppo R3-C2 ed è pari a circa 200 Hz.
La tensione d’uscita presente al pin 7 di A2, determina il valore del
duty-cycle, vedi fig.3, da cui dipende il valore medio della corrente
circolante nell’elettrocalamita e di conseguenza la sua forza
d’attrazione. Valore medio che possiamo opportunamente calibrare tramite
il potenziometro P1, in funzione del tipo di elettrocalamita e della
pesantezza della pallina.
Considerato che il
transistor usato è del tipo pnp, dobbiamo considerare attiva la parte
bassa dell’onda quadra, quindi riassumendo avremo che: Se la pallina
tende a scendere troppo in basso passa più luce, che determinerà un
minore valore del duty-cycle al punto “C”, e di conseguenza più corrente
nell’elettrocalamita che attira maggiormente a se la pallina. Al
contrario, se la pallina tende ad avvicinarsi troppo
all’elettrocalamita, passa meno luce che determinerà un maggiore valore
del duty-cycle al punto “C”, e di conseguenza meno corrente
nell’elettrocalamita che riduce la sua forza d’attrazione. In questo
continuo aggiustamento della corrente, si crea un punto dove la forza
dell’elettrocalamita si bilancia perfettamente col peso della pallina,
la quale rimane sospesa nell’aria.
Collaudo
Ponendo in serie
all’alimentazione un amperometro, verificheremo che ruotando da
un’estremità all’altra il potenziometro, la corrente assorbita varia tra
un valore minimo ed uno massimo.
Orientando la pallina col
foro verso il basso, l’avvicineremo all’elettrocalamita in modo da
interrompere parzialmente il raggio luminoso, ed intervenendo anche sul
potenziometro, dovremo trovare una posizione intermedia nella quale al
tatto, avvertiremo la pallina come vincolata da qualcosa, a quel punto
lasciando la pallina, la vedremo levitare nella sua posizione
d’equilibrio. Se in questa fase dovesse accadere che la pallina, anziché
essere attratta dall’elettrocalamita è respinta, significa che i poli
magnetici dei due sono uguali e di conseguenza dobbiamo invertire i due
fili che alimentano l’avvolgimento.
Come al solito spero di
non aver tralasciato nulla, diversamente, per eventuali chiarimenti in
merito, non esitate a contattarmi.
