Представьте себе электродвигатель, который вращается сам по себе, паря в воздухе и питаясь лишь лучами солнца. Звучит как нечто из фильма о будущем или даже как вечный двигатель, не правда ли? Однако такой мотор существует наяву, и называется он мендосинский мотор. В этой статье мы простыми словами разберём, что это за чудо-техника, как она устроена, по какому принципу работает и зачем вообще нужна. Приготовьтесь удивляться: перед вами двигатель, где свет заменяет провода, а магнитное поле выступает в роли невидимой подушки, на которой всё держится!
Что такое мендосинский мотор?
Мендосинский мотор – это небольшой электрический двигатель особого типа, который работает от солнечного света и левитирует в магнитном поле. Проще говоря, его ротор (вращающаяся часть двигателя) буквально висит в воздухе, удерживаемый магнитами, и вращается благодаря энергии, получаемой от солнечных батарей, установленных прямо на этом роторе. Никаких батареек, никаких проводов, минимум трения – звучит почти магически.
С технической точки зрения мендосинский мотор относится к маломощным бесколлекторным электродвигателям. У него нет привычных щёток и коллектора, как в старых моторчиках, – вместо этого используется так называемый «световой коммутатор». Это значит, что переключение питания между обмотками двигателя происходит не механическими контактами, а с помощью света, который поочерёдно падает на солнечные панели. Двигатель назван в честь округа Мендосино в Калифорнии, где в 1994 году изобретатель Ларри Спринг создал первую такую модель. Он выставил свой мотор на оконце своего магазинчика, и тот быстро стал местной достопримечательностью: представьте, люди видели ротор, который день за днём крутился под солнцем, словно сам по себе, подвешенный в воздухе. Конечно, никакого волшебства – только законы физики, но зрелище впечатляющее!
Устройство мендосинского мотора
Чтобы понять, как работает этот мотор, давайте сначала посмотрим на его устройство. Конструкция на самом деле довольно изящная и простая, хотя поначалу и непонятно, как всё держится и крутится.
1. Ротор и солнечные батареи.
Ротор мендосинского мотора обычно представляет собой лёгкий стержень (часто из дерева или пластика) квадратного сечения. Почему квадратного? Потому что на четырёх гранях такого ротора как раз удобно расположить небольшие солнечные панели. Они выглядят как маленькие тёмные пластинки – это миниатюрные солнечные батареи. Каждая из них соединена с медной катушкой (обмоткой), намотанной на роторе прямо под этой панелью. Таким образом, у классического варианта двигателя четыре солнечных элемента и четыре катушки. Ротор насажен на лёгкий вал (ось) – обычно металлический стержень, проходящий через центр.
2. Магниты и левитация.
А вот самое интересное: на концах вала ротора закреплены постоянные магниты. Обычно это мощные кольцевые или цилиндрические магниты, один на каждом конце оси. Теперь представим основу двигателя – статор. В основании мендосинского мотора расположены ещё несколько постоянных магнитов (чаще всего по два с каждой стороны для устойчивости). Они установлены таким образом, что отталкиваются от магнитов на концах ротора. В результате ротор стремится подняться вверх и не касается основания. Происходит своего рода магнитная левитация: ротор парит, опираясь на невидимую магнитную подушку. Трение при этом почти отсутствует, никаких обычных подшипников не нужно – часть веса ротора удерживается магнитным полем, и ось не трётся о опору.
Но тут возникает вопрос: если ротор висит на магнитах, почему же он не улетает в сторону или не падает? Дело в том, что абсолютно стабильная левитация на постоянных магнитах в статическом состоянии невозможна без дополнительной фиксации – есть такой закон природы (теорема Эрншоу). Поэтому конструкция предусматривает небольшой трюк для устойчивости. На одном конце двигателя есть небольшая опорная пластина или штифт, к которому прижимается остриё оси ротора. То есть один кончик оси всё-таки касается опоры (как правило, это гладкая стеклянная или металлическая пластинка). Контакт минимальный и трение тоже мизерное – только в одной точке. Зато этого достаточно, чтобы ротор не убегал из магнитной ловушки и не «слетал» с подушки. В итоге имеем почти идеальный магнитный подшипник: ротор свободно крутится, и только воздух да вот эта одна точка слегка ему сопротивляются. Если всё хорошо отбалансировано, трения настолько мало, что мотор способен вращаться очень долго.
3. Дополнительный магнит (поле статора).
Кроме магнитов, держащих ротор, в основании двигателя обычно устанавливается ещё один магнит – прямо под ротором, ближе к одному из его боков. Этот магнит играет роль статора, точнее источника магнитного поля, от которого будет отталкиваться электромагнитная катушка на роторе. По сути, он необходим для создания постоянного магнитного поля возле катушек. Именно взаимодействие с ним заставит ротор вращаться, о чём поговорим далее.
Итак, конструкция собрана: ротор с солнечными батарейками и катушками парит горизонтально над основанием на магнитной подвеске, один кончик оси слегка опирается на стабилизатор, под ротором сбоку приткнулся ещё один магнит-«толкатель». Теперь осталось направить на всё это дело свет – и мотор оживёт!
Принцип работы мендосинского мотора
Разобрав устройство, давайте ответим на главный вопрос: как же солнце заставляет этот мотор крутиться? Тут вступает в игру сразу и солнечная энергетика, и электромагнетизм. Окажется, что луч света играет роль команды «пора повернуться» для нашего двигателя. Расскажем по шагам, как всё происходит:
Солнечный луч генерирует ток
Сбоку на мотор светит лампа или солнце. Луч света падает на одну из солнечных панелей, закреплённых на роторе. Эта панель тут же начинает вырабатывать электрический ток (фотоэлектрический эффект в действии!). Получается, что конкретная панель «ожила» от света и отправляет ток в связанную с ней медную катушку, намотанную на роторе.
Катушка превращается в электромагнит.
Ток побежал по виткам катушки – а что происходит, когда по катушке течёт ток? Она создаёт вокруг себя магнитное поле, подобно электромагниту. Полярность этого поля зависит от направления тока, но суть в том, что теперь у боковой стороны ротора появилось собственное магнитное поле.
Магнитное отталкивание и толчок.
Помните постоянный магнит в основании, который мы упомянули? Как только катушка на роторе намагнитилась, её поле начинает взаимодействовать с полем этого стационарного магнита. Если полюса поля катушки и нижнего магнита одноимённые, они отталкиваются. Происходит толчок: катушка (а вместе с ней и весь ротор) получает пих в сторону, стремясь отвернуться от магнита-статора. Это и есть та самая движущая сила, которая приводит мотор в движение. Здесь работает физический принцип, известный как сила Ампера – магнитное поле оказывает механическое воздействие на проводник с током. Проще говоря, катушка с током получила толчок от постоянного магнита.
Ротор поворачивается – и цикл повторяется.
После толчка ротор провернулся на некоторый угол. Та солнечная панель, что была освещена, отошла в сторону. Вместо неё к источнику света поворачивается следующая грань ротора с другой солнечной панелью. И тут происходит замечательная вещь: теперь следующая панель получает свет, генерирует ток уже в своей катушке – и процесс повторяется. Опять катушка стала электромагнитом, опять оттолкнулась от магнита в основании и ещё чуть-чуть толкнула ротор вперёд. Таким образом, ротор получает последовательные “пинки” от каждого солнечного элемента по очереди. Панели как бы передают эстафету друг другу: как только одна выходит на свет, она заставляет свою катушку толкнуть ротор, потом следующая делает то же самое, и так далее.
Непрерывное вращение.
Пока на мотор продолжает падать достаточно света, этот цикл будет повторяться непрерывно. Ротор разгоняется до определённой скорости и вращается плавно, получая регулярные импульсы. Это и есть принцип работы мендосинского мотора – без единого проводка, без батарей, свет сам коммутирует мотор, включая нужную катушку в нужный момент. Фактически свет играет роль невидимого электронного коммутатора, заменяя собой механический коллектор и щётки, которые есть в обычных двигателях. Ротор всегда отталкивается той стороной, которая освещена, благодаря чему поддерживается вращение в одном направлении. Стоит источнику света погаснуть или уйти в тень – панели перестанут выдавать ток, мотор остановится. Но достаточно вновь осветить его – и он оживает, снова начиная свой солнечно-магнитный танец.
Вот так хитро приручены законы физики в этом устройстве. По сути, мендосинский мотор объединяет солнечную энергетику и магнитную левитацию. Солнечные батареи снабжают его энергией, а магниты позволяют практически убрать трение и использовать эту энергию максимально эффективно для вращения. Ничего лишнего: солнце светит – мотор крутится, нет солнца – мирно замирает.
Особенности использования и применения
Теперь, когда мы разобрались с принципом работы, возникает логичный вопрос: зачем нужен мендосинский мотор и где он применяется? Возможно, вы уже догадались, что этот двигатель скорее образовательный и демонстрационный, чем практичный. Рассмотрим его особенности в использовании:
- Маломощный демонстратор.
Мендосинский мотор вырабатывает совсем небольшую мощность – как правило, считанные ватты или даже доли ватта. Этого хватит, чтобы уверенно вращать сам ротор с минимальным сопротивлением, но явно недостаточно, чтобы выполнять какую-то полезную работу (не надейтесь, что такой мотор станет крутить вентилятор или зарядит телефон). Поэтому его основное назначение – наглядная демонстрация принципов работы электродвигателей, солнечных батарей и магнитной левитации. В учебных целях ему цены нет: он сразу показывает несколько физических явлений в действии.
- Новинка для любителей и подарок “антистресс”.
Благодаря своей эффектности, мендосинский мотор стал популярной игрушкой для технокулов и просто любознательных. Его продают как настольный сувенир: небольшое устройство на подставке, которое начинает вращаться, стоит поставить его на солнце или под яркую лампу. В магазинах гаджетов его даже называют иногда "вечный двигатель" (конечно, в шутку – мы-то знаем, что энергия поступает от света). Смотреть, как он бесшумно крутится в воздухе, – завораживает и успокаивает. За это мендосинский мотор ценят как антистресс-игрушку: можно отвлечься от дел, наблюдая за его неспешным вращением.
- Простота и независимость от сети.
Ещё один плюс – полная автономность. Достаточно естественного освещения или настольной лампы, и мотор оживает безо всяких батареек и проводов. Нет ни шума, ни нагрева, ни износа деталей (практически). Это значит, что при хорошем балансе ротор может вращаться очень долго. Известны случаи, когда такие двигатели работали месяцами и годами, ограниченные только наличием света. Конечно, время от времени приходится протирать солнечные панели от пыли да следить, чтобы магнитная подвеска не разбалансировалась, но в целом ухода минимум.
- Требовательность к освещению.
В то же время, чтобы мотор заработал, нужен достаточно яркий свет. В пасмурный день или при слабом освещении комнаты ротор может вообще не сдвинуться или еле-еле поворачиваться. Лучшие условия – прямые солнечные лучи или очень яркая лампа, направленная на одну сторону ротора. Кстати, можно поэкспериментировать: если подсветить мотор с разных сторон, вы сможете даже слегка регулировать направление и скорость вращения. Но в целом без солнца этот «солнечный цветочек» склоняет голову и засыпает.
- Хрупкость и настройка.
Ещё одна особенность – двигатель требует аккуратности. Магниты должны быть правильно отрегулированы, ротор – хорошо отбалансирован. Малейший перекос или трение, и мотор остановится. Поэтому готовые модели обычно настроены производителем, а если вы решите собрать такой мотор своими руками (а многие энтузиасты это делают по инструкциям из интернета), придётся потратить время на тонкую настройку. Но в этом тоже есть свой интерес: вы на практике познакомитесь с тем, как работают магнитные подвески и солнечная электроника.
Что касается практического применения, то, как мы уже поняли, прямого утилитарного назначения у мендосинского мотора нет – слишком уж он маломощный. Это скорее научный экспонат, учебный прибор или декоративный техно-сувенир. Его можно встретить в научных музеях, на выставках по возобновляемой энергетике, в школьных лабораториях. Многие радиолюбители и мастера сами изготавливают такие моторчики, чтобы украсить свой рабочий стол или продемонстрировать гостям «фокус» с парящим и вечно крутящимся брусочком. В промышленности или технике подобная схема не используется для работы – но идеи, лежащие в основе (бесколлекторные двигатели, магнитные подшипники, солнечные источники питания), имеют широкое применение в серьёзных устройствах. В этом смысле мендосинский мотор – как наглядная модель, показывающая принципы, которые потом воплощаются в сложных технологиях.
Мендосинский мотор прекрасно демонстрирует, какие удивительные эффекты можно получить, сочетая простые физические явления. В нём соединились лучи солнца и сила магнетизма – и результатом стал двигатель, похожий на научный фокус. Конечно, практической пользы от него немного, зато сколько вдохновения! Глядя на него, невольно понимаешь, что законы природы могут работать в гармонии, порождая нечто почти волшебное. Мендосинский мотор напоминает нам: технологии не обязательно шумные или громоздкие – иногда они выглядят как изящная игрушка, которая танцует от солнечного света.