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/ NetNews Usenet Archive 1992 #30 / NN_1992_30.iso / spool / sci / physics / 20909 < prev    next >
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Text File  |  1992-12-11  |  6.9 KB  |  133 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!gatech!concert!uvaarpa!murdoch!kelvin.seas.Virginia.EDU!crb7q
  3. From: crb7q@kelvin.seas.Virginia.EDU (Cameron Randale Bass)
  4. Subject: Re: Passive Magnetic Levitation (was: Science Fair Project)
  5. Message-ID: <1992Dec11.202853.8041@murdoch.acc.Virginia.EDU>
  6. Sender: usenet@murdoch.acc.Virginia.EDU
  7. Organization: University of Virginia
  8. References: <1992Dec10.221950.13548@asl.dl.nec.com> <BCR.92Dec11013519@hfl3sn02.cern.ch> <1992Dec11.170337.22897@asl.dl.nec.com>
  9. Date: Fri, 11 Dec 1992 20:28:53 GMT
  10. Lines: 121
  11.  
  12. In article <1992Dec11.170337.22897@asl.dl.nec.com> terry@asl.dl.nec.com writes:
  13. >In article <BCR.92Dec11013519@hfl3sn02.cern.ch>
  14. >bcr@cernapo.cern.ch (Bill Riemers) writes:
  15. >
  16. >> In article <1992Dec10.221950.13548@asl.dl.nec.com>
  17. >> terry@asl.dl.nec.com writes:
  18. >>
  19. >> | Wow, strong magnets!  But I cannot see how that could possibly be right --
  20. >> | the [Bollinger] 3-pronger will either slide off in some fashion, or it
  21. >> | won't.  There isn't enough stored energy in the system to make it flip,
  22. >> | nor do the intense regions of the repulsive fields extend far enough out
  23. >> | to perform such a feat.
  24. >>
  25. >> Not true.  If there is enough force to levitate it then there must also be
  26. >> enough force to flip it.
  27. >
  28. >Sure -- in the absence of gravity, my 3-pronger will eventually flip over.
  29. >
  30. >However, when I said that there "isn't enough stored energy in the system to
  31. >make it flip," I was referring to the energy needed to raise it out of the
  32. >metastable state, not the net energy gain:
  33. >
  34. >            Metastable   Energy Needed to     Stable
  35. >            Levitation    Rotate 3-Prong       Final
  36. >           Energy State  Around horiz axis     State
  37. >                                                       
  38. >                                --                     
  39. >                              -    -                   
  40. >                             -      -                  
  41. >                            -        -                 
  42. >                           -          -                
  43. >                          -             -              
  44. >                        -                -            
  45. >               -------                     -           
  46. >                                             -         
  47. >                                               ------  
  48. >                                 
  49. >     Peak_energy(theta) = f(arm_length) = ~ constant x arm_length
  50. >
  51. >Would you agree that this diagram and the ballpark equation under it describe
  52. >the energetics of flipping my three-pronged device in gravity?  Note that if
  53. >you assume the (levitated) magnets to have constant mass and that materials
  54. >exist whereby stretching the length of the arms within plausible limits (say
  55. >up to a meter) adds no significant mass to the starting mass of the system,
  56. >you can *always* increase the flip-over stability of the system until the
  57. >likelihood of a flip-over around a horizontal axis becomes vanishingly small.
  58.  
  59.       Yes, but then they still tip and torque and find the minimum in the
  60.       field strenght and flop over.
  61.  
  62. >However, rotating the 3-prong device around a vertical axis (and/or moving
  63. >moving it in the horizontal plane) also produces a curve like the one above,
  64. >except that the "final" state just becomes removing the 3-prong and setting
  65. >it down on the table.  This is the potential energy curve that I would argue
  66. >is the relevant one for a 3-prong, because unlike the first curve there is
  67. >no obvious, easy way to increase the height of the potential energy peak
  68. >when going from the levitation state to the "flat on the table" state.
  69.  
  70.       There are six degrees of freedom.  You've pinned two.  There are now
  71.       three translations and one rotation unaccounted for.  You can
  72.       always arrange it so that you pin five degrees of freedom, and the last
  73.       one will still cause it to flop.  The 'top' of your levitating magnet
  74.       in the 'pizza box' is strongly attracted to the outer levitator
  75.       magnets on the 'arms'.  My guess is that torsional perturbations
  76.       do you in. The levitated object simply flops out of your carefully
  77.       arranged situation and proceeds to low energy resting on the ground.
  78.  
  79. >But what if the arm between A and B is very, very long?  If B rises by the
  80. >same amount, the resulting angular motion of A will be greatly reduced,
  81. >and thus the torque instability (which for small angles is proportional
  82. >to the angle to which the magnet's axis has been twisted away from vertical)
  83. >will be greatly reduced, too.  Feed that back through the long leverage arm
  84. >between A and B and the return lift to B will be also be rather drastically
  85. >reduced.  You can get a general feel for what's going considering case of
  86. >what would happen if infinitely rigid, infinitely light arms were extended
  87. >to infinity; *any* twisting of *any* of the magnets would require infinite
  88. >energy to accomplish, no matter how small the angle involved.
  89.  
  90.      I suppose if the arms were very very very long, then angular momentum
  91.      considerations could arbitrarily slow the instability.  But that's
  92.      not really fair is it?  An arbitrarily long rigid massless rod
  93.      connecting two masses is going to require arbitrarily large amounts of 
  94.      energy to rotate it, but that is not really connected with the stability
  95.      of systems of permanent magnets.
  96.  
  97. >But in all real cases there is still *some* of this twisting-and-feedback
  98. >effect, right?  Yes, but what I've had no luck at all if figuring out how
  99. >such greatly attenuated responses could destabilize the system.  The
  100. >problem is that once their impact falls to a level below the height of the
  101. >levitation-to-table energy barrier (the one provided ring magnets), they
  102. >no longe appear to be capable of "joining together" to make the overall
  103. >setup unstable.  If that is true, a real, bonafide passive "pizza box"
  104. >levitation arrangement should be attainable with the 3-prong.
  105.  
  106.      It's simply stability theory.  A system can be unstable to arbitrarily
  107.      small perturbations, no matter what the time constant of the system
  108.      response.  You are mixing the two concepts, the stability and the
  109.      time constant of an unstable response.  
  110.  
  111. >Anyone notice any subtle instabilities, or errors in the above analysis?
  112.  
  113.      Only that six DOF systems containing only permanent magnets are not
  114.      possible, no matter how clever the arrangement of magnets.  I'd love
  115.      to be able to quote chapter and verse, but it appears I have
  116.      no good references within arms reach on the subject (and I'm not 
  117.      willing to wing it).  Maybe someone else has the time?
  118.  
  119. >(Dr. Carr, any comments?)
  120. >
  121. >Any experiments yet?  It might make a nice paper if it actually works...
  122.  
  123.      It's a lifetime project.  I wouldn't hold my breath on a paper.
  124.  
  125.      Have a nice day.
  126.  
  127.                            dale bass
  128. -- 
  129. C. R. Bass                                          crb7q@virginia.edu        
  130. Department of Mechanical, 
  131.      Aerospace and Nuclear Engineering
  132. University of Virginia                              (804) 924-7926
  133.