LÉVITATION MAGNÉTIQUE STATIQUE
Lévitation
La définition originale : « élever une personne au-dessus du sol sans appui ni aide matérielle » (Le Petit Robert). C’est quasiment de l’antigravité (pas de report de la masse lévitante au sol), assister à un tel phénomène serait plutôt inquiétant, quant aux démos en labo, vu que l’on peut faire léviter des grenouilles...
En étendant la définition aux objets matériels pesants et en restreignant la condition "ni aide matérielle" à "pas de supports physiques" (qui possèdent une masse), un champ qui maintient un objet en suspension au dessus du sol sans aucun lien physique matériel entre le sol et n'importe quel point de l'objet met cet objet en lévitation. Ainsi un hélico, une balle de ping-pong sur un jet d'eau ou un ballon dans le jet d'air d'un aspirateur ne lévitent pas, le fluide qui les maintient possédant une masse. De fait rien ne lévite tout seul sur cette planète et probablement sur beaucoup d'autres.
L'étonnement que nous procurent certains magiciens dans l'exécution de leurs tours est provoqué, entre autres, par une totale disparité entre ce que nos sens nous font percevoir d'un événement simple et les lois physiques élémentaires inscrites dans notre cerveau par l'expérience, ils trompent nos sens.
L'étonnement que nous procurent certains magiciens dans l'exécution de leurs tours est provoqué, entre autres, par une totale disparité entre ce que nos sens nous font percevoir d'un événement simple et les lois physiques élémentaires inscrites dans notre cerveau par l'expérience, ils trompent nos sens.
Critères
En conclusion, pour produire une expérience de lévitation réussie, plaisante à contempler, qui étonne, on peut s'accorder sur les critères minimums suivants, tous d'égale importance :[1] L'objet en lévitation doit être d'apparence pesante.
[2] L'objet en lévitation doit être totalement immobile ("boulonné dans l'espace").
[3] L'objet en lévitation doit être totalement silencieux.
[4] La surface représentant le sol au dessus de laquelle l'objet lévite doit être plane.
[5] L'espace au dessus du plan de sol et autour de l'objet doit être libre et vide de tout dispositif.
[6] Le(s) moyen(s) de sa lévitation doit(vent) être discret(s) sinon imperceptible(s).
Lévitation magnétique
Le procédé de mise en lévitation qui nous occupe, connu de tous, est l'utilisation de champs magnétiques issus dans ce cas d'aimants permanents. Très simple en principe mais qui peut s'avérer délicat en pratique lorsque l'on prend en compte tous les critères définis ci-haut.
Comme chacun sait, si des arrangements d'aimants permanents ou autres permettent de créer des forces répulsives, ils ne permettent pas l'auto-stabilité de l'objet en lévitation (théorème de Earnshaw). Pour rencontrer nos critères nous devons en plus de définir une géométrie adéquate remplissant déjà la fonction de sustentation, ajouter un dispositif remplissant la fonction de stabilisation. Les critères [4] & [5] imposent que ces deux fonctions de base soient affinées par des dispositifs électroniques complémentaires
Comme chacun sait, si des arrangements d'aimants permanents ou autres permettent de créer des forces répulsives, ils ne permettent pas l'auto-stabilité de l'objet en lévitation (théorème de Earnshaw). Pour rencontrer nos critères nous devons en plus de définir une géométrie adéquate remplissant déjà la fonction de sustentation, ajouter un dispositif remplissant la fonction de stabilisation. Les critères [4] & [5] imposent que ces deux fonctions de base soient affinées par des dispositifs électroniques complémentaires
Lévitation magnétique à la manière de ...
A la manière de... ce que l'on peut faire dans les labos de physique, en apparence bien sûr, le dispositif proposé va réaliser la mise en lévitation stable, sans matériaux sophistiqués, à température ambiante d'aimants permanents, il n'y manquerait plus que la simulation de quelques volutes engendrées par le liquide cryogénique pour que l'illusion soit complète.
L'auto-stabilité n'est pas possible mais rien n'interdit de rechercher une géométrie plus "favorable" c'est-à-dire une géométrie dont l'instabilité est plus aisée à contrôler et qui requière un minimum d'énergie pour obtenir la stabilité, car si aucune géométrie n'est auto-stable, certaines le sont plus ou presque... et combien d'axes sont concernés ?
L'auto-stabilité n'est pas possible mais rien n'interdit de rechercher une géométrie plus "favorable" c'est-à-dire une géométrie dont l'instabilité est plus aisée à contrôler et qui requière un minimum d'énergie pour obtenir la stabilité, car si aucune géométrie n'est auto-stable, certaines le sont plus ou presque... et combien d'axes sont concernés ?
Il faut préciser l'utilisation du terme employé : géométrie. La géométrie de l'objet qui flotte est fixe dans l'exemple décrit ici, il s'agit de sa forme générale ainsi que de la position et du type d'aimants permanents qu'elle contient. Dans l'exemple présenté, il s'agit d'une forme oblongue, cylindrique servant d'enveloppe à des aimants permanents. Cette enveloppe est la première étape vers la lévitation et la stabilité, en annulant les forces de rotation autour des axes passant entre chaque paire de pôles NS des aimants gauche et droit. Elle détermine à son tour la géométrie de l'embase porteuse : formes, positions et nombre de composants (aimants porteurs et bobines de correction de champs). Contrairement à l'objet flottant, la géométrie de l'embase permet certains ajustements de distance entre composants. L'objet flottant et l'embase déterminent donc globalement la géométrie du montage.
Compte tenu des critères [4] [5] & [6], six géométries de base ont été déterminées suivant les résultats à atteindre, identifiées N°1 à N°4 & N°5 à N°6, ces deux dernières ont des propriétés très différentes des quatre premières. La géométrie N°1 est l'origine du concept. C'est la plus simple et économique à réaliser pratiquement (pour commencer...). Dans le cas des géométries N°1 & N°2 (flyingmagnet et skateboard - pages "Photos" et "Tech's" l'instabilité est ramenée à un axe seulement, autrement dit, il suffit de contrôler activement un seul axe pour rendre l'objet stable. Dans le cas des géométries N°3 & N°4 (croix ou étoile à 3 branches - OVNI - pages "Photos" et "Tech's" l'instabilité est ramenée sur 2 ou 3 axes mais situés dans le même plan ou dans des plans parallèles, le cas de la N°5 est particulier. Pour toutes les géometrie testées sur ce site la méthode de stabilisation utilisée est la rétroaction ; on localise en permanence la position de l'objet à l'aide de capteurs adéquats et on modifie les champs en fonction du mini-déplacement détecté pour le ramener proche de la position d'équilibre choisie. Ce système peut s'appliquer à d'autres géométries moins discrètes mais très efficaces (solidité de la position et stabilité).
Compte tenu des critères [4] [5] & [6], six géométries de base ont été déterminées suivant les résultats à atteindre, identifiées N°1 à N°4 & N°5 à N°6, ces deux dernières ont des propriétés très différentes des quatre premières. La géométrie N°1 est l'origine du concept. C'est la plus simple et économique à réaliser pratiquement (pour commencer...). Dans le cas des géométries N°1 & N°2 (flyingmagnet et skateboard - pages "Photos" et "Tech's" l'instabilité est ramenée à un axe seulement, autrement dit, il suffit de contrôler activement un seul axe pour rendre l'objet stable. Dans le cas des géométries N°3 & N°4 (croix ou étoile à 3 branches - OVNI - pages "Photos" et "Tech's" l'instabilité est ramenée sur 2 ou 3 axes mais situés dans le même plan ou dans des plans parallèles, le cas de la N°5 est particulier. Pour toutes les géometrie testées sur ce site la méthode de stabilisation utilisée est la rétroaction ; on localise en permanence la position de l'objet à l'aide de capteurs adéquats et on modifie les champs en fonction du mini-déplacement détecté pour le ramener proche de la position d'équilibre choisie. Ce système peut s'appliquer à d'autres géométries moins discrètes mais très efficaces (solidité de la position et stabilité).
Cartes et embases de lévitation magnétique stabilisée
Il est nécessaire pour réaliser ces expériences de posséder une certaine pratique en montages, mesures de circuits électroniques et travaux minutieux utilisant perceuse, limes et autres petits outillages. La mise au point de ces réalisations demandera, à un moment ou à un autre, analyse et initiative (disparités des dimensions, des caractéristiques des composants, etc.). Dans tous les cas vous devrez obtenir le résultat défini par les critères [1] à [6].
Les descriptions de ces cartes sont accéssibles depuis la page "Circuit imprimé". Ce sont des cartes analogiques à usages multiples, "presque universelles"..., toutefois de type servo-contrôleur analogique, elles sont conçues pour servir d'outils, Plusieurs géométries de lévitation peuvent être contrôlés par une ou plusieurs cartes.
La construction d'une embases en aluminium est possible avec peu d'outillage, on obtient une base d'expérimentation très souple permettant les variations géométriques et l'évaluation de l'influence des paramètres sur les résultats. Les deux principaux obstacles au bon fonctionnement sont : :
1-erreur de positionnement des composants sur le circuit imprimé;
2-manque de précision à effectuer de la base en aluminium.
Ces expériences vous intéressent ? les premiers points à définir avant de vous procurer les éléments composant l'ensemble, ce sont vos possibilités pratiques. Un minimum d'outillage est nécessaire. La personne qui s'intéresse à l'expérience elle-même n'est pas forcément concernée par l'électronique ou des travaux proches du modélisme, par contre ce montage a une valeur pédagogique certaine car de nombreux aspects de différentes disciplines sont sous-jacents à ces petits projets, sans parler du plaisir qu'auraient certains "matheux" à décortiquer les modèles...
Les descriptions de ces cartes sont accéssibles depuis la page "Circuit imprimé". Ce sont des cartes analogiques à usages multiples, "presque universelles"..., toutefois de type servo-contrôleur analogique, elles sont conçues pour servir d'outils, Plusieurs géométries de lévitation peuvent être contrôlés par une ou plusieurs cartes.
La construction d'une embases en aluminium est possible avec peu d'outillage, on obtient une base d'expérimentation très souple permettant les variations géométriques et l'évaluation de l'influence des paramètres sur les résultats. Les deux principaux obstacles au bon fonctionnement sont : :
1-erreur de positionnement des composants sur le circuit imprimé;
2-manque de précision à effectuer de la base en aluminium.
Ces expériences vous intéressent ? les premiers points à définir avant de vous procurer les éléments composant l'ensemble, ce sont vos possibilités pratiques. Un minimum d'outillage est nécessaire. La personne qui s'intéresse à l'expérience elle-même n'est pas forcément concernée par l'électronique ou des travaux proches du modélisme, par contre ce montage a une valeur pédagogique certaine car de nombreux aspects de différentes disciplines sont sous-jacents à ces petits projets, sans parler du plaisir qu'auraient certains "matheux" à décortiquer les modèles...
Les moyens & l'expérience requis
- Tracer, percer, couper avec une précision suffisante (entre ±½mm et ±1/10 mm) quelques pièces d'aluminium d'épaisseur entre 1mm et 2 mm en fonction d'un plan coté et les assembler.
- Se procurer localement la matière première: feuille d'aluminium 1.5 mm/ 2mm: 220x100 mm minimum, cornière (alu) 13x19 mm (1/2"x3/4"), visserie non magnétique de bonne qualité 3 mm, 4 mm, (4-40), (laiton, inox) entretoise non magnétique etc.
- Se procurer localement les composants électroniques en fonction de la liste de pièces fournies : tous les composants ont été choisis pour leur large diffusion et leur robustesse, les valeurs ont été unifiées au mieux.
- Assembler les composants électroniques sur des circuits imprimés double-face (fer à souder 25 W, pompe à dessouder...).
- Procéder aux réglages physiques et électroniques de l'ensemble (réglet ou règle graduée non magnétique, pied à coulisse, compas, multimètre numérique, etc.). Avoir au moins l'accès à un oscilloscope est un plus non seulement en cas de problème mais accroît la compréhension du montage, également l'utilisation d'une alimentation double de labo est presque obligatoire pendant la mise au point.
La finalisation des ajustements et réglages par l'expérimentateur constituera la partie la plus ludique de cette réalisation car c'est à ce moment que ça lévitera enfin...
Eléments actuellement disponibles pour aider à la réalisation
- circuits imprimés documentés;
- circuits imprimés documentés ou dessins des bases;
- informations pratiques d'assemblages et de réglages.
Cliquer ici pour accéder à la vidéo
LÉVITATION MAGNÉTIQUE DYNAMIQUE
Mise en lévitation d'objets mobiles
Quel intérêt ?
Les applications possibles sont plus nombreuses, les expériences encore plus intéressantes.
On passe sur la lévitation d'aimant unique ou d'objet reposant sur un aimant unique mais on s'en inspire (géo N°5-6 .AVI - vwm9) pour arriver aux idées de patins magnétiques, de plateaux mobiles, de véhicule, de "maglev" (de tailles très modestes, nous ne sommes pas Alstom ou Siemens); Alors que précédemment le critère [2] était l'immobilité absolue ("boulonné dans l'espace") on le remplacer par le critère [12] et on en créer de nouveaux.
Les applications possibles sont plus nombreuses, les expériences encore plus intéressantes.
On passe sur la lévitation d'aimant unique ou d'objet reposant sur un aimant unique mais on s'en inspire (géo N°5-6 .AVI - vwm9) pour arriver aux idées de patins magnétiques, de plateaux mobiles, de véhicule, de "maglev" (de tailles très modestes, nous ne sommes pas Alstom ou Siemens); Alors que précédemment le critère [2] était l'immobilité absolue ("boulonné dans l'espace") on le remplacer par le critère [12] et on en créer de nouveaux.
Nouveaux critères
[12] L'objet en lévitation doit pouvoir se déplacer sur une trajectoire rectiligne en conservant son axe longitudinal parallèle à la direction du déplacement.[13] La trajectoire de l'objet en lévitation doit rester à l'intérieur de la trajectoire imposée.
[14] L'espace au dessus du plan de sol (rails, piste ...) et autour de l'objet doit être libre et vide de tout dispositif (sauf particularités).
[15] L'objet en lévitation doit disposer de dispositifs de propulsion et de freinage (sauf particularités).
[16] Le coût en matériel de l'ensemble rails-piste et dispositif de contrôle de stabilité ne doit dépendre que très faiblement de la longueur du trajet, en clair, on s'interdit l'utilisation de bobines, d'aimants coûteux, capteurs, etc., tout au long de l'ensemble rails-piste.
[17] On reprend les critères de 13 à 16 mais pour des trajectoires courbes et ça c'est pas simple ...
La lévitation VS la roue pour les objets mobiles
Avantages et inconvénients : On peut imaginer au moins les points suivants :- équivalent du coefficient de friction quasi-nul : vitesses élevées avec peu d'énergie perdue pour la propulsion (et pourquoi pas à basse et moyenne vitesses), ;
- le silence de l'objet en mouvement quasi-nul : absence de vibrations;
- suspension primaire naturelle : absence de vibrations mécaniques hf.
A noter que la roue n'a pas dit son dernier mot Record du monde de vitesse le 3 avril 2007 : TGV Alstom : 574.8 km/h
Les difficultés (inconvénients) :
- le guidage : particulièrement la gestion des courbes;
- la gestion des pentes;
- le freinage, le freinage d'urgence (maglev de taille réelle);
- l'alimentation en énergie (au moins pour une maquette ou un jouet);
- le poids du système de roulement auxiliaire (maglev de taille réelle).
Par exemple :
On ne peut pas placer des aimants permanents de sustentation tout au long d'une voie Maglev mais ce n'est pas un problème pour un système de petite dimensions, même pour une application utilitaire comme déplacer des charges relativement légères (plateau de transport) sur des distances de quelques mètres.
La géométrie levmag©
Une géométrie parmi plusieurs expérimentées, à base d'aimants céramiques semble rencontrer tous les critères.
Dérivée de la géométrie N°5-6, mais plus complexe pour le système de rails (base) et pour le véhicule en lévitation qui est actif, principalement pour le contrôle des essieux avant et arrière.
Comme les démos de lévitation d'objets magnétiques fixes d'autres géométries expérimentées sur ce site, la consommation électrique pour la stabilisation est minimale et les pertes par courants induits sont infimes, pour ce concept, ce point est très important. Cette géométrie peu aussi être appliquée à de simples bogies ou patins magnétiques intégrés à une surface porteuse plus grande.
Dérivée de la géométrie N°5-6, mais plus complexe pour le système de rails (base) et pour le véhicule en lévitation qui est actif, principalement pour le contrôle des essieux avant et arrière.
Comme les démos de lévitation d'objets magnétiques fixes d'autres géométries expérimentées sur ce site, la consommation électrique pour la stabilisation est minimale et les pertes par courants induits sont infimes, pour ce concept, ce point est très important. Cette géométrie peu aussi être appliquée à de simples bogies ou patins magnétiques intégrés à une surface porteuse plus grande.
Lévitation magnétique à la manière de ...
Cette fois on va tenter de reproduire une des nombreuses expériences de lévitation utilisant les supraconducteurs et l'azote liquide des labos comme par exemple l'ancienne démo du département de Physique de l'université de Sherbrooke (Qc).Première étape : évaluation de la géométrie levmag© N°1.
| Gabarit de test géométrie levmag N°1. Vue de coté.du "véhicule" |
Gabarit de test (suite) Vue avant ou arrière du "véhicule", dans la direction des " rails". |
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| Contrôle des "essieux" avant et arrière par 2 canaux séparés, 2 bobines de champs.et 4 capteurs hall. | La hauteur de lévitation avec le gabarit de test intègre le poids à venir de l'électronique et des batteries. |
Deuxième étape: un nouveau modèle de test autonome dérivé du précédent, plus proche du modèle réel imaginé.
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