Projecte Self-Magnet

SE Tgnès17/02/17  

Ins Pons d'Icart - Justin HidalgoTítol: Projecte Self-Magnet
Autor: Justin Hidalgo Vélez
Tutor: Luis González
Modalitat: Ciències i tecnologia: Cientificotècnic
Àrea curricular: Tecnologia industrial
Centre: Ins Pons d’Icart
Localitat: Tarragona

Avui en dia els combustibles fòssils són els més utilitzats per produir energia davant altres fonts amb la mateixa finalitat, amb menys rendiment, pot ser, però renovables i amigues del medi ambient. Des del meu punt de vista energies com la solar, la eòlica, la geotèrmica entre d’altres, no estan suficientment desenvolupades i  no es degut a la manca de recursos pel seu estudi.

La falta d’interès per aprofitar el màxim possible l’energia que el nostre planeta Terra desprèn, va lligada de la mà amb el capitalisme de les companyies petrolíferes que encapçalen el mercat.

Aquest treball busca desenvolupar una màquina que converteixi energia mecànica en elèctrica. Energia cinètica creada per la força dels camps magnètics al fer girar un cilindre. Aquests tipus de motors s’anomenen  motors de moviment perpetu, que són poc coneguts ja que és una màquina que hipotèticament després d’un impuls inicial, continuaria el moviment sense necessitat d’energia externa addicional.

Màquines com la de Carnot i aquesta, només funcionarien teòricament, no obstant gràcies a elles s’ha pogut avançar en investigacions posteriors. La màquina de moviment perpetu viola la segona llei de la termodinàmica, la conservació infinita d’aquesta energia és impossible.

Així doncs no es tracta d’aconseguir un motor sense pèrdues d’energia, sinó treballar en un de forma que el treball de les forces no conservatives, com ara el de la força de fricció, sigui el més baix possible.

Objectius:

Aquesta recerca busca profunditzar en l’àmbit dels motors magnètics seguint una metodologia teòrica-pràctica.

Teòricament s’analitzarà el principal material, els imants de neodimi, també el camp magnètic que és el principi fonamental del moviment entre imants. Seguidament examinarem la història dels motors de moviment perpetu, què són, els estudis que s’han fet sobre aquest tema i com han evolucionat.

La finalitat de la part teòrica comporta l’objectiu més rellevant, la construcció d’un motor que aprofiti aquestes forces d’atracció i repulsió entre imants, sense ajuda de cap energia exterior, un moviment que es pugui transformar en energia elèctrica o en treball útil directament.

Per tant aconseguiria un mètode d’obtenció d’energia renovable, energies que en un futur poden suplantar el petroli, motors que reemplaçarien els més utilitzats actualment, els motors de combustió.

El procés:

Origen de la idea

La part practica d’aquest treball consisteix en convertir la força de repulsió dels imants en moviment. És a dir crear energia d’una manera renovable. Allò que em va motivar a aventurar-me en aquest projecte va ser una conversa amb el meu cunyat que es dedica a la mecànica.

Un cotxe que utilitza un motor de combustió no pot funcionar sense la energia inicial de la bateria, un cop encès l’automòbil genera la seva pròpia electricitat.

Els propietaris de caravanes sovint porten més de dues bateries carregades per poder fer front a l’energia demandada per tots els estris que en aquestes cases mòbils es consumeix. Una solució a aquest gest energètic són les plaques fotovoltaiques, però aquesta font d’energia requereix de plaques solars d’un preu econòmic elevat.

Durant un viatge en caravana amb tota la meva família a una ciutat de Galícia va sorgir aquest tema. Com poder obtenir energia sense la necessitat de bateries o combustibles contaminants? Es aquí on entra el paper dels imants com a principal generador de la força. El combustible de una eina que en aquell moment per a mi era una idea original, per primer cop plantejada en el món de l’enginyeria.

Aquest plantejament va agafar força quan el meu oncle em va oferir uns imants de neodimi que havia aconseguit en una química on treballava i feien servir aquests imants permanents. Aleshores va començar la recerca de les propietats d’aquests imants i com aprofitar la seva força de repulsió.

Mètode de treball

El mètode científic fa servir l’assaig i error en la seva formulació d’hipòtesis ja que, per definició, una hipòtesi és només una conjectura subjecta a verificació, és a dir, que sempre és veritable. El mètode no està dirigit a la resolució “cega” d’un problema, sinó a la identificació de l’explicació o causa correcta d’un procés mitjançant un assaig. El mètode hipotètic-deductiu té diversos passos essencials: observació del fenomen a estudiar, creació d’una hipòtesi per explicar aquest fenomen i verificació o comprovació de la veritat dels enunciats deduïts comparant-los amb l’experiència. Aquest mètode obliga el científic a combinar la reflexió racional o moment racional (la formació d’hipòtesis i la deducció) amb l’observació de la realitat o moment empíric (l’observació i la verificació).

L’expressió assaig i error, també coneguda com a prova i error, és un mètode heurístic per a l’obtenció de coneixement. Consisteix en provar una alternativa i verificar si funciona. Si és així, es té una solució. En cas contrari (resultat erroni) s’intenta una alternativa diferent.

Característiques

  • Orientat a solucions: no s’intenta descobrir per què funciona una solució. Només s’aspira a aconseguir-la.
  • Problema específic: no es tracta de generalitzar solucions a altres problemes.
  • No òptim: s’enfoca a trobar només una solució: no totes, ni la millor.
  • Necessitat de coneixement mínim: es procedeix en temes de què el coneixement en la matèria, disciplina o especialitat és minso o nul, per exemple en una investigació científica.
  • Costós: es requereixen diversos mitjans per realitzar-se, però no sempre és segur un resultat positiu.

Inici de la recerca

Al començament les vies que conduirien aquest tren a l’èxit formaven una circumferència. Però la sortida la vaig trobar amb un vídeo que havia plasmat la idea que tenia al cap en una maqueta real i havia solucionat el principal problema, com allunyar i apropar el imant que crea el gir automàticament.

Aquest motor no consta de energia principal per crear el moviment, més que una petita empenta. Els imants del cilindre estan col·locats en una posició anomenada V-gate.

Per mantenir el moviment i de fet aconseguir més velocitat en el transcurs del temps fa servir una figura el·líptica retallada que xoca a dalt amb un imant en  barra i a baix amb un imant rodó que creen la repulsió.

Després d’observar aquest model de motor magnètic autosuficient van vindre de la mà altres prototips que utilitzaven aquestes forces magnètiques.  Alguns molts sense cap tipus d’energia inicial i d’altres amb petites o instantànies energies,  ja siguin elèctriques o manuals.

Aquest prototip utilitza el gir d’un sol imant per fer girar solidàriament el imants col·locats al disc de fusta. Hi ha més prototips semblants a aquest que utilitzen materials diferents, per exemple en comptes de discs de fusta, rodes de bici o CD’s.

El principal problema que vaig trobar a l’hora de plantejar-me fer aquest motor es que necessita d’una energia inicial que faci girar l’imant principal. Aquesta energia es aplicada per una manovella o mitjançant un motor petit elèctric, com els usats a una batedora però en miniatura. Estava clar que havia de continuar investigant com provocar el gir. Com a resultat van sorgir nous prototips i noves idees pròpies del disseny d’un motor magnètic.

Primers passos

Com he explicat anteriorment aquest treball utilitza el mètode assaig i error. Així doncs havia de trobar una manera d’ubicar els imants i que al aproximar un altre amb el pol oposat comencés a girar. El primer pas consistia en ubicar els imants a la distància en que la interacció entre ells sigui poca i suficient amb el exterior per a que seguís rodant. Només al apropar l’imant el cilindre gira, però en quant arriba el següent la velocitat disminueix. La solució és apropar i allunyar l’imant constantment. Aquest patró de funcionament ha sigut el més efectiu ja que ha estat el que més velocitat ha aconseguit.

A partir dels mateixos materials es va experimentar, jugant amb la posició del imants per a veure l’efecte en el fenomen rotatiu. Tot seguit es va provar el mètode V-gate però aquest fa el cilindre molt pesat per la abundància de imants en el cilindre i a mig assaig es va descartar aquesta idea ja que l’augment de la massa amb una mateixa força suposava la disminució de l’acceleració que inicialment es va aconseguir.

Tot rebutjant l’error del patró V-gate en la pràctica, va sorgir la idea de fer interactuar dos del primer model de motor realitzat. Amb la idea de que fossin com dos engranatges però sense la pèrdua d’energia que es genera per fricció degut a que els dos imants no es tocarien. El segon intent tampoc va tenir èxit. No es possible que els dos es facin girar recíprocament i l’efecte entre els dos era gairebé nul.

El tercer i darrer intent dels imants col·locats en el cilindre de plàstic consistia en posicionar els imant a la base i la tapa del cilindre. En aquesta posició es va intentar moure el cilindre des de diferents angles del imant exterior originador del moviment.

Al principi vaig col·locar un imant per un pol a la base i un altre per l’altre pol a la part superior. També en sentit iguals, però la resposta era mes aviat dèbil.

Per mirar de fer girar aquest cilindre des de un altre angle es va emprar un mètode similar a utilitzat amb el disseny del primer motor. Aquest consistia en utilitzar un altre cilindre amb els imants disposats de la mateixa manera i fer interactuar els dos. En aquest cas la resposta va ser nul·la.

Una altra manera de intentar crear moviment amb els imants va ser una idea que circula bastant per internet, la roda amb imants .
Aquest mètode també es bastant efectiu, però també s’ajuda del moviment del imant fet per la meva mà per girar la roda. Clar que en veritat es la mateixa matriu que el primer motor elaborat però canviant el cilindre per una roda i girant el mecanisme noranta graus. Passa  de ser vertical a ubicar-se horitzontalment.

En busca d’un altre sistema

Profunditzant en la recerca d’una tècnica diferent de fer moviment circular amb imants em vaig trobar amb un compte de la xarxa social YouTube (https://www.youtube.com/user/veproject1/videos) on només feien mòbils perpetus tal i com estan definits. Eureka, havia trobat milers de maneres de construir mecanismes perpetus, entenent per perpetus que s’acabaran parant després d’un llarg temps.

Per poder entendre aquests mecanismes, a la vista molt senzills però amb un rerefons suposadament matemàtic i físic, vaig investigar aquest canal. Res que trobar, ni una explicació del funcionament, ni una proba gràfica de la elaboració, res.

Comprovar que aquests invents perdurables funcionaven en realitat suposava un risc elevat per diferents motius, temps, diners, fiabilitat, entre d’altres. Així que la recerca continuava. L’alegria d’aquest descobriment va ser efímera i encara faltava per vindre una altra notícia.

Recordem el primer motor que utilitzava el sistema V-gate que va recolzar la idea de que aquest projecte era factible.

Indetectable als ulls dels que visionaven aquest vídeo aquesta realitat no era més que un muntatge, una distorsió de la realitat que amagava un origen diferent del moviment, l’aire.

I es així com veritablement feien girar el mecanisme, la part oculta consisteix en una pistola d’aire comprimit que al xocar amb al cilindre prova el gir. Simple manera de fer veure que no tot allò que es difon per la web no es té perquè se veraç.

Malgrat aquesta gran decepció que per moments esfondrava el treball fins ara realitzat, no vaig deixar d’investigar. Jo sabia que aquests motors magnètics no son perpetus perquè desafiarien la segona llei de la termodinàmica, però com he esmentat abans el meu objectiu no era ni és la durabilitat infinita d’un moviment.

“La nostra recompensa es troba en l’esforç i no en el resultat. Un esforç total és una victòria completa”

Mahatma Gandhi (1869-1948) Polític i pensador indi 

Les alternatives

Com alternativa a aquests intents i gràcies a una recerca nova basada en noves idees com la de combinar aparells que ja existissin i fer-los un. Van sorgir diverses idees. Unes completament noves dissenyades per la meva persona i unes altres combinacions de coses que ja existien. Ambdues però molt influïdes per informació escrita per majoritàriament visual, claus per a la elaboració dels esquemes

Per tant els mecanismes que havien estat des d’un principi poc a poc agafaven un segon pla davant les noves idees prometedores que s’anaven dibuixant. Tot i això mai van quedar oblidades aquestes maquines que si funcionen però que necessiten en casos energia elèctrica i en altres energia química transformada per nosaltres en moviment.

Levitació

La següent alternativa ve donada gracies a les propietats del coure, l’or o el germani, per exemple. Aquests materials són diamagnètics, terme que va ser encunyat per Michael Faraday al setembre de 1845, quan es va adonar que tots els materials responen (ja sigui en forma diamagnètica o paramagnètica) a un camp magnètic aplicat.

Un imant potent davant d’un material diamagnètic provoca una petita repulsió que fa que el material leviti. La idea d’aquest esquema consisteix en llençar un imant de neodimi a traves d’un tub de coure que al final té  una molla. El circuit es tanca, després d’haver llençat amb velocitat l’imant, amb una altra molla. Com que levita la fricció seria mínima i la energia perduda seria dissipada a la deformació de les molles dels extrems. Aquest mecanisme es podria realitzar al buit o no, seria un tema experimental. Personalment penso que al no haver aire tindrà una força menys que freni el moviment. També hem de tindre present el camp de Higgs al buit, quan les partícules es mouen pel buit, el seu fregament amb aquest camp fa que el moviment el realitzen amb més o menys dificultat. Aquesta levitació no necessita del buit però podria ser una bona opció per reduir el fregament.

El grafit pirolític, que té un diamagnetisme no especialment alt, s’ha usat com a demostració visual, ja que una capa fina d’aquest material levita (per repulsió) sobre un camp magnètic prou intens (a temperatura ambient).

El transport de levitació magnètica, o tipus maglev és un sistema de transport que inclou la suspensió, guia i propulsió de vehicles, principalment trens, utilitzant un gran nombre d’imants.

Aquest mètode té l’avantatge de ser més ràpid, silenciós i suau que els sistemes de transport públic sobre rodes convencionals. La tecnologia de levitació magnètica té el potencial de superar 6440 km / h (4000 mph) si es realitza en un túnel al buit. Quan no s’utilitza un túnel al buit, l’energia necessària per a la levitació no sol representar una gran part de la necessària, ja que la majoria de l’energia necessària s’empra per superar la resistència de l’aire.

El SCMaglev L0, que així es diu el maglev japonès, levita a 10 centímetres sobre la seva base. Tren i ferrocarril no són ja sinònims, el fregament amb elles faria impossible aconseguir aquestes velocitats. En el seu lloc, el tren es desplaça dins d’una guia-biga de formigó amb forma de u.

El canalitzen, el propulsen i el sostenen en l’aire uns potents electroimants: “La tecnologia està basada en el simple principi d’atracció i repulsió magnètica: els dos pols d’un imant s’atrauen si són de diferent signe i es repel·leixen si són del mateix

El tren japonès funciona a través de pols magnètic .Quan estigui operatiu, la ruta inicial des de Tòquio a la ciutat de Nagoya (286 quilòmetres), que el tren bala fa actualment a 100 minuts, trigarà només 40 minuts.

Gravetat

Aquest mecanisme utilitza la gravetat que fa caure l’aigua per crear pressió en un circuit d’ampolles i tornar l’aigua al punt de partida. No es considerat mòbil perpetu perquè utilitza energia potencial i té un límit que és la capacitat de les ampolles que al final s’omplirien i pararien la sortida d’aigua. És aquí on entra la meva aportació. Com en un rellotge d’arena donant-li la volta el moviment s’inverteix el fluid torna al seu lloc. Doncs d’aquí va sorgir la idea del següent esquema.

Ubicant les ampolles una damunt de l’altre amb unes copes fetes de plàstic també, podem invertir el procés de l’aigua. L’aigua baixa de la copa de dalt i plena l’ampolla, aquesta al emplenar-se fa pressió a la de dalt q a la vegada fa pressió i permet que l’aigua vagi cap a dalt. Un cop estigui ple el recipient de sota, per tant buit el de dalt, girem com si fos un rellotge d’arena per invertir el procés. L’aigua q arriba a dalt pot moure una turbina que generarà energia elèctrica.

Una pila i dos imants

Degut a la interacció del electrons dels materials es produeixen fenòmens com el pròxim. Amb una pila, dos imants potents i paper d’alumini podem crear dos tipus de moviments. El primer consisteix en ficar la pila amb els imants dins del paper d’alumini, el conjunts es desplaçarà en línia recta.

El segon consisteix en tindre quiet el grup imants-pila i ficar-lo dins el paper d’alumini. Com a reacció el paper d’alumini gira.

Doncs bé, investigant més detingudament aquest fenomen après en el programa d’antena 3 “El Hormiguero”. Vaig descobrir més aplicacions de dos imants i una pila. Una aplicació batejada amb el nom de tren magnètic.

El coure com a material conductor d’electricitat forma un electroimant al interactuar amb la càrrega de la pila. Com que la bobina q esta fixa no es pot moure, és el imant el que es veu atret en aquest cas cap a la dreta (part esquerra de l’esquema). De l’altra banda tenim una força de repulsió que també empeny la pila cap a la dreta .

Les conclusions d’aquest fenomen del tren magnètic les utilitzo per elaborar un sistema que aprofiti aquest moviment. I així neix una combinació de la roda de la qual em parlat ,amb els imants moguts per un imant que es mou, i el tren magnètic.

D’aquesta manera tinc un moviment que tot i que utilitza una pila pot fer girar un imant  que solidàriament faci girar una roda d’imants. L’estructura es fàcil, un material ferromagnètic atret per l’imant que és el conjunt imant pila gira amb ella. El grup pila-imants giren en un circuit tancat, gir que no pararà fins l’esgotament de la pila.

Allò que s’hauria de tenir en compte es si l’energia creada es major a 1,5 V que es normalment una pila normal.

Disseny propi

Aquest disseny esta composat de la espiral de Da Vinci, molles i imants i la seva força magnètica i elàstica, i engranatges. El funcionament es senzill. Amb una empenta inicial el mecanisme començaria a girar. La molla arriba al final del trajecte de compressió i empeny el imant cap a dalt. Gràcies a l’empenta inicial la molla continua i l’imant cau fent al caure per força magnètica moure el tambor central ple d’imants. El moviment d’aquest més petit per engranatges fa moure el mitjà per a que la molla continuï el seu camí.  Per fricció amb les parets  i les dents dels engranatges pararà, però necessitarà una petita empenta, res més.

Conclusions:

Malgrat no haver aconseguit els meus objectiu ja sigui per falta de recursos o manca de coneixement de enginyeria i disseny, he edificat els fonaments del meu futur, la recerca i la invenció. No em donaré per vençut i segurament continuï amb aquest tema, pensant en nous dissenys i intentar fer simulacions virtuals per poder aconseguir mantenir aquest moviment creant energia sostenible per al medi ambient i econòmica per a les nostres butxaques.

A mesura que s’ha anat desenvolupant el treball m’he trobat amb dificultats i decepcions que crec que he pogut fer front. No he descobert res de nou per si que he après coses que no sabia i que molts desconeixen.

Recalco que mai he volgut fer un mòbil perpetu, des del principi he conegut les limitacions que la física o més aviat la Physis, presenta. Tot i aquelles mirades, aquelles paraules de gent que el que feien es criticar el meu treball he continuat endavant perquè m’ha sigut suficient el recolzament que pocs m’han ofert.

 Bibliografia: