Luận văn Nghiên cứu, chế tạo đệm từ trường dùng cho các thí nghiệm bảo toàn động lượng

trường: khảo sát từ phổ của nam châm và nghiên cứu lực tương tác giữa các nam châm với nhau. Ở từng bước, tôi sẽ trình bày rõ mục đích, phương pháp tiến hành cũng như các kết quả thu được.Vì mục tiêu của đề tài là sử dụng các nam châm vĩnh cửu để chế tạo hệ thống đệm từ trường, do đó, việc khảo sát độ lớn của nhiều nam châm ghép lại với nhau là rất cần thiết. Nếu khi ghép nhiều nam châm lại tạo thành một nam châm lớn mà có giá trị cường độ từ trường tại các vị trí tương đối bằng nhau thì ta có thể sử dụng các nam châm này cho việc thiết kế, chế tạo mô hình. Ngoài ra, việc nghiên cứu lực tương tác giữa các nam châm sẽ cho giúp ta tính toán được khối lượng tối đa của xe trong từng cấu hình cụ thể. 2.1 Khảo sát từ phổ của nam châm. Chọn vật liệu chính để làm hệ thống ray là nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm). Do đó, tôi tiến hành khảo sát từ phổ đối với nam châm loại này. 2.1.1 Mục đích. - Khảo sát độ lớn từ trường tại các vị trí khác nhau trên bề mặt của một nam châm. Từ đó đưa ra nhận xét về đặc điểm độ lớn cảm ứng từ do nam châm sinh ra. - Ghép 4 nam châm lại với nhau tạo thành một nam châm lớn: khảo sát từ trường của các vị trí trên nam châm ở các khoảng cách khác nhau. Từ kết quả thu được, trả lời cho câu hỏi: “Có thể sử dụng các nam châm ghép lại để tạo thành một nam châm kích thước lớn và có độ lớn cảm ứng từ đồng nhất hay không?”. 2.1.2 Cách thực hiện. 15 - Bước 1: Dùng giấy có kẻ ô li bọc nam châm để dễ dàng xác định từng vị trí trên nam châm. Trên bề mặt nam châm được đánh số thứ tự từ trái qua phải; được đánh số thứ tự hàng từ trên xuống dưới như hình 2.1. 1 m 2 Hàng1 Hàng n Hình 2.1 Sơ đồ xác định vị trí khảo sát bề mặt nam châm. - Bước 2: Dùng máy đo từ trường để xác định giá trị cảm ứng từ B ở từng vị trí trên nam châm theo các khoảng cách khác nhau. Để xác định chính xác từng vị trí, ta dùng đèn rọi vào nam châm. Vị trí bóng của đầu dò sensor cho phép ta xác định chính xác vị trí cần đo. + Khảo sát từ trường tại các vị trí trên một nam châm khi đặt đầu dò cách bề mặt nam châm 5mm. Mỗi vị trí khảo sát cách nhau 2mm. Do đó, một hàng trên bề mặt nam châm sẽ có 30 vị trí khảo sát. + Ghép 4 nam châm lại tạo thành một nam châm lớn. Khảo sát từ trường tại các vị trí trên một nam châm khi đặt đầu dò cách bề mặt nam châm 1,5cm và 2cm. Mỗi vị trí khảo sát cách nhau 4mm. Do đó, một hàng trên bề mặt của 4 nam châm ghép lại sẽ có 63 vị trí khảo sát. - Bước 3: Xử lý số liệu và nhận xét kết quả thu được. 16 Hình 2.2 Cách bố trí dụng cụ đo cường độ từ trường của 4 nam châm ghép sát. 2.1.3 Kết quả thu đƣợc. . Hình 2.3 Đồ thị thể hiện giá trị từ trường của 1 nam châm tại các vị trí khác nhau, ở khoảng cách 5mm so với bề mặt nam châm. -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Đ ộ l ớ n t ừ t rư ờ n g t ạ i c á c v ị tr í (m T ) Thứ tự vị trí khảo sát trên một hàng Hàng 1 Hàng 2 Hàng 3 Hàng 4 Hàng 5 Hàng 6 Hàng 7 17 Hình 2.4 Đồ thị thể hiện giá trị từ trường của 4 nam châm ghép lại tại các vị trí khác nhau, ở khoảng cách 1,5cm so với bề mặt nam châm. Hình 2.5 Đồ thị thể hiện giá trị từ trường của 4 nam châm ghép lại tại các vị trí khác nhau, ở khoảng cách 2cm so với bề mặt nam châm. Ghi chú: Trên đồ thị. + Trục tung thể hiện các giá trị từ trường tại các vị trí của nam châm. 0 5 10 15 20 25 30 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 Đ ộ l ớ n t ừ t rư ờ n g t ạ i c á c v ị tr í (m T ) Thứ tự vị trí khảo sát trên một hàng Hàng 1 Hàng 2 Hàng 3 Hàng 4 Hàng 5 Hàng 6 Hàng 7 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 Đ ộ l ớ n t ừ t rư ờ n g t ạ i c á c v ị tr í (m T ) Thứ tự vị trí khảo sát trên một hàng Hàng 1 Hàng 2 Hàng 3 Hàng 4 Hàng 5 Hàng 6 Hàng 7 18 + Trục hoành thể hiện các vị trí của nam châm mà ta đã đánh số thứ tự. + Từng đường trên đồ thị thể hiện số liệu theo từng hàng ta khảo sát. 2.1.4 Nhận xét.  Đối với 1 nam châm, ở vị trí có độ cao cách nam châm 5mm. - Giá trị từ trường của các vị trí khác nhau của nam châm chênh lệch nhau khá lớn . - Ở vùng trung tâm của nam châm từ trường lớn, giảm dần về hai bên rìa. - Trên cùng một bề mặt của nam châm, cực nam châm không thống nhất tại một số vị trí.  Khi ghép nhiều nam châm lại với nhau (4 nam châm) tạo thành khối nam châm lớn. - Tại vị trí cách xa 2 nam châm ở biên, giá trị từ trường nhỏ hơn hai đầu của hệ nam châm. Tuy nhiên, độ chênh lệch về giá trị độ lớn từ trường trong vùng này không lớn như đối với trường hợp khảo sát 1 nam châm. - Tăng khoảng cách giữa vị trí đo đạc với bề mặt nam châm, ta thấy sự chênh lệch độ lớn từ trường của các vị trí càng giảm. Vì lúc này, từ trường tại từng vị trí là tổng hợp từ trường do các nam châm khác nhau sinh ra. Như vậy, ta có thể sử dụng các nam châm nhỏ ghép lại để tạo thành một nam châm lớn, và sử dụng phần từ trường ở khoảng giữa của nam châm phục vụ mục đích nghiên cứu.  Trong thực tế, mỗi nam châm khác nhau có cường độ từ trường khác nhau. Do đó, để có một dãy các nam châm có từ trường tương đối đều nhau, thì khi tiến hành lắp ráp mô hình cần đo đạc sơ bộ cường độ từ trường của các nam châm nhằm lựa chọn được nam châm có độ lớn gần nhau để sử dụng bằng tiến hành các bước sau: - Dùng một nam châm thử để khảo sát từ tính trên cùng một mặt của từng nam châm để đảm bảo: trên cùng bề mặt nam châm, các cực từ trường tại các vị trí giống nhau. 19 - Dùng máy đo từ trường khảo sát giá trị từ trường tại điểm giữa của nam châm. Hinh 2.6 Cách bố trí dụng cụ khảo sát giá trị từ trường tại điểm giữa của nam châm. 2.2 Nghiên cứu tƣơng tác lực từ giữa ray và xe trƣợt. 2.2.1 Mục đích. Xác định giá trị lực đẩy lớn nhất mà hai nam châm có thể tạo ra khi hai nam châm đặt trực diện với nhau. Từ đó, chúng ta có thể tính toán được khối lượng tối đa của xe mà hệ thống ray có thể nâng ứng với từng cấu hình cụ thể nghiên cứu. 2.2.2 Cách tiến hành và kết quả thu đƣợc. Chọn vật liệu chính để làm hệ thống ray là nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm). Xe trượt có thể sử dụng các nam châm cùng loại. Do đó, để nghiên cứu tương tác lực từ giữa ray và xe trượt, ta đặt nam châm sẽ dùng trên xe trực diện với nam châm đen của ray, rồi cho chúng cách nhau một khoảng nhất định để khảo sát lực tương tác. 2.2.2.1 Mô tả cách khảo sát. - Dùng cân điện tử để cân khối lượng nam châm đen lớn (2,5cmx2cmx1cm) là m1. - Đặt nam châm cần khảo sát ở các vị trí có các khoảng cách khác nhau so với bề mặt nam châm đen (đảm bảo sao cho chúng trực diện với nhau và 2 mặt đối diện nhau phải cùng cực). 20 - Đọc số chỉ của cân (chính là khối lượng biểu kiến của nam châm đen) là m2. - Tính hiệu m1-m2; tính lực tương tác bằng biểu thức: (m1-m2).g ; (với 10g  m/s 2 , gọi là gia tốc trọng trường). 2.2.2.2 Kết quả thu đƣợc sau khi khảo sát. Sau khi tiến hành khảo sát với các loại nam châm khác nhau, ở các khoảng cách so với bề mặt nam châm đen lớn, ta thu được số liệu mô tả trong bảng 1. Bảng 1: Khảo sát độ lớn lực tương tác giữa nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm) với một số loại nam châm (đơn vị N). Khoảng cách 4cm 3cm 2cm 1cm Tròn đen (d=2cm) 0,055N 0,097N 0,145N 0,237N Tròn trắng (d=2cm) 0,145N 0,242N 0,371N 0,541N Tròn trắng (d=3cm) 0.254N 0,406N 0,595N 0,77N Đen vuông (2,5cmx2cmx0,1cm) 0,057N 0,110N 0,186N 0,332N Đen vuông lớn (2,5cmx6cmx1cm) 0,610N 1N 2.2.2.3 Nhận xét. - Lực tương tác giữa nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm ) và nam châm cùng loại là lớn nhất. - Lực tương tác giữa nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm) và nam châm tròn đen có đường kính d=2cm là nhỏ nhất. 21 - Tùy theo cấu hình bố trí hệ thống nam châm trên ray và xe mà ta sẽ tính toán lực nâng cần thiết, sau đó lựa chọn loại nam châm trên xe phù hợp. 22 CHƢƠNG 3 CÁC CẤU HÌNH NGHIÊN CỨU Trong chương này, tôi xin trình bày 2 cấu hình mà tôi đã nghiên cứu trong thời gian thực hiện đề tài. Cấu hình thứ nhất đệm từ trường lấy ý tưởng từ mô hình đệm không khí trong thí nghiệm bảo toàn động lượng. Sau khi nghiên cứu, tính toán về mặt lý thuyết, tôi tiến hành chế tạo, lắp ráp với kết quả thu được: xe không nâng lên được, luôn bị hút về một phía ray. Qua nhiều phương án khác nhau: thay thế các loại nam châm trên xe khác nhau, hạ trọng tâm xe,.. tôi đều thu được hiện tượng như trên. Từ đó, tôi rút ra hạn chế của cấu hình này là 2 nam châm trên xe và ray không thể đặt trưc diện với nhau được như lý thuyết đưa ra. Từ hạn chế của mô hình 1, tôi tiếp tục nghiên cứu theo hướng thay đổi cấu hình của hệ thống nam châm và đã chế tạo thành công hệ thống đệm từ trường theo cấu hình 2. Nên trong chương này, tôi sẽ trình bày quá trình nghiên cứu, lắp ráp, những đánh giá bước đầu về chất lượng vận hành của hệ thống đệm từ trường đối với cấu hình đã chế tạo. 3.1 Cấu hình 1. 3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết. Lấy ý tưởng từ mô hình đệm không khí, tôi đã đưa ra phương án nghiên cứu hướng lắp ráp mô hình đệm từ trường như sau: hệ thống ray gồm 2 hàng nam châm đặt trên mặt bên của lăng trụ tam giác vuông cân; xe là một mô hình tam giác đồng dạng với hệ thống ray, trên 2 mặt bên của xe của xe cũng được gắn các nam châm cùng cực với nam châm trên ray. 23 Hình 3.2 Phác họa hệ thống nam châm của cấu hình 1. Theo cấu hình trên, xe chịu tác dụng của 2 lực đẩy 21F , 31F và trọng lực của xe. 21F , 31F tạo với nhau một góc vuông và mỗi vectơ tạo với phương thẳng đứng góc 045 . Hình 3.3 Phân tích lực đẩy tác dụng lên xe. 𝐹 31 𝐹 21 𝐹 31 𝐹 21 𝐹 21𝑥 𝐹 31𝑥 𝐹 Oy Ox 𝐹 21𝑦 24 Giả sử từ trường của hai hàng ray là giống nhau, khi đó 31F = 21F . Chiếu 2 lực lên trục Ox, Oy. Ox: 0xF  ; Oy: 312 yF F 12F F  . Thành phần lực theo phương ngang bị triệt tiêu, chỉ còn lại thành phần lực theo phương thẳng đứng làm nâng xe. 3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm. 3.1.2.1 Các bƣớc tiến hành.  Bƣớc 1: Chuẩn bị vật liệu. - Xe: 2 miếng mica (10cmx8cm). - Ray: 2 miếng mica (10cmx30cm). - Nam châm các loại: nam châm đen khối (2,5cmx6cmx1cm); nam châm tròn đen (d=2cm); nam châm tròn trắng với các kích thước d=1cm, d=2cm, d=3cm.  Bƣớc 2: Lựa chọn nam châm phù hợp cho cấu hình trên. Trong bước này, đầu tiên tôi khảo sát khối lượng của từng loại nam châm. Sau đó, tôi tính toán khối lượng của xe, lực đẩy của của hệ thống đối với xe ứng với mỗi loại và số lượng nam châm khác nhau. Cuối cùng, dựa trên những thông tin trên, tôi đưa ra phương án sử dụng nam châm nào cho xe là hợp lý: tổng lực nâng theo phương thẳng đứng lớn hơn trọng lực của xe. Dùng cân điện tử để khảo sát khối lượng nam châm và thu được bảng số liệu 2. 25  Bảng 2. Khối lựợng của mỗi viên nam châm và xe. Khối lượng (g). Xe 109,00 Nam châm tròn trắng (d=2cm) 6,03 Nam châm tròn trắng (d=3cm) 10,52 Nam châm tròn đen (d=2cm) 4,34 Nam châm đen vuông (2cmx2,5cm) 9,16 Nam châm đen lớn (2,5cmx6cmx1cm) 10,63 Giả sử xe được nâng lên cách ray 1cm, khi đó độ lớn trọng lượng của xe, giá trị 21F , giá trị lực đẩy tổng hợp F tác dụng lên xe được thể hiện trong bảng 3.  Bảng 3. Các thông số của cấu hình ứng với từng trường hợp sử dụng nam châm khác nhau. Loại nam châm trên xe Số lượng nam châm trên xe Trọng lượng của xe 21 F F Tròn trắng (d=2cm) 4 viên 1,33N 1.08N 1.53N Tròn đen (d=2cm) 8viên 1,44N 0,94N 1,33N Nam châm đen vuông (2cmx2,5cm) 8 viên 1,82N 1.33N 1,88N Sau khi so sánh trọng lượng của xe và độ lớn lực đẩy, tôi thấy có thể sử dụng nam châm trắng (d=2cm) và nam châm đen vuông (2cmx2,5cm). Tuy nhiên, giá thành của nam châm trắng cao. Do đó, tôi dùng nam châm đen vuông (2cmx2,5cm) để lắp ráp trên xe.  Bƣớc 3: Lắp ráp. 3.1.2.2 Khảo sát mô hình.  Vật liệu. 26 - Xe: trên mỗi bên của xe có gắn 4 nam châm đen vuông (2cmx2,5cm) tạo thành một hàng. Bố trí sao cho hai hàng nam châm trên xe đối xứng nhau qua trục của xe. - Hệ thống ray: gồm 2 hàng nam châm đen lớn (2,5cmx6cmx1cm) cũng được bố trí sao cho đối xứng nhau qua trục của hệ thống.  Kết quả sau khi lắp ráp. Hình 3.4 Hàng ray mô hình 1. Hình 3.5 Hệ thống ray và xe của mô hình 1. 27 Hình 3.6 Xe bị hút lệch về một bên hàng ray.  Hiện tƣợng quan sát đƣợc. - Xe không nổi được trên hệ thống ray mà bị hút lệch sang một bên ray. - Nếu dùng tay tác dụng lên xe một lực hướng xuống, ta thấy xe chịu một lực nâng tổng hợp lớn.  Nguyên nhân dẫn đến hiện tƣợng trên. Ta có thể coi cơ chế xe nổi trên đệm từ như cơ chế vật nổi chịu tác dụng của hai lực: trọng lực và lực nâng. Khi đó, xe sẽ chịu tác dụng của hai lực: trọng lượng của xe có điểm đặt tại khối tâm xe và lực đẩy có điểm đặt tại giao điểm của 21F và 31F . Ta có: - Xe ở trạng thái cân bằng khi: lực đẩy và trọng lực cân bằng với nhau. - Xe sẽ có xu hướng quay khi khối tâm ở vị trí cao hơn điểm đặt của lực đẩy. - Xe có khối tâm đặt càng thấp thì xe càng được cân bằng bền. 28 a. b. c. Hình 3.7: Các trạng thái của vật: (a) vật đang ở vị trí cân bằng; (b) vật có xu hướng xoay nếu giá của lực F và P không trùng nhau; (c) vật ở vị trí cân bằng bền. Trên thực tế, lực đẩy 21F và 31F có độ lớn khác nhau vì từ trường do nam châm trên hai ray không giống nhau. Do đó, giá của véctơ trọng lực và giá của véctơ lực đẩy tổng hợp không trùng nhau. Chính vì vậy, moment của trọng lực và moment lực nâng tổng hợp sẽ không triệt tiêu nên sẽ có hiện tượng xe bị quay dẫn đến các nam châm trên xe và ray không còn ở vị trí trực đối nữa.  Phƣơng hƣớng điều chỉnh.  Cách 1: Hạ thấp khối tâm của xe bằng cách gia trọng thêm túi cát hai bên xe (tức là tăng thêm khối lượng cho xe). Kết quả sau khi điều chỉnh. Vẫn còn hiện tượng xe bị hút lệch về một bên của hàng ray, xe không nổi được trên hệ thống. 𝐹 𝑃 𝑃 𝐹 𝑃 𝐹 29 Hình 3.8 Xe bị hút lệch về một phía ray sau khi tinh chỉnh.  Cách 2: Gắn mỗi bên xe 1 viên nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm) đặt sao cho vuông góc với hàng nam châm trên ray. Mục đích: - Tăng khối lượng của xe để hạ thấp khối tâm của xe. - Bố trí nam châm trên xe vuông góc với nam châm trên ray để đảm bảo:  Nam châm trên xe luôn được đặt trực diện với nam châm trên ray.  Lực nâng có giá trị gần bằng trường hợp sử dụng nam châm vuông nhỏ trên xe. Xét ở cùng khoảng cách 2cm so với bề mặt nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm), 31 0,42F N khi đặt nam châm (2,5cmx6cmx1cm) vuông góc với ray; 31 0,37F N khi sử dụng nam châm vuông nhỏ trên xe. 30 Hình 3.9 Xe trong mô hình 2. Hình 3.10 Xe không được nâng lên trên hệ thống ray. Hiện tƣợng quan sát đƣợc: Xe không nâng lên được do lực nâng tổng hợp nhỏ hơn trọng lượng của xe vì diện tích tiếp xúc đối nhau của 2 nam châm nhỏ.  Cách 3: Xoay nam châm trên xe theo các hƣớng khác nhau. Mục đích: Tăng diện tích tiếp xúc đối nhau của 2 nam châm để tăng lực nâng giữa ray và xe. 31 Hình 3.11 Nam châm được đặt theo phương nằm ngang trên xe. Hình 3.12 Nam châm được đặt theo phương xiên trên xe. Hiện tƣợng quan sát đƣợc: xe được đẩy lên nhưng bị hút lệch về một bên ray. 32 Do đó, tôi chọn phương án đặt nam châm trên xe vuông góc với nam châm trên ray, sau đó tôi sẽ tăng lực đẩy bằng cách thêm hàng nam châm song song với hàng nam châm trên ray.  Phƣơng án 1: Dùng nam châm lớn. Bố trí mỗi bên của hệ thống ray 2 hàng nam châm song song nhau (hình 3.13). Trên xe thì mỗi bên gắn 1 nam châm sao cho vuông góc với nam châm trên ray. Hình 3.13 Hệ thống ray gồm 4 hàng nam châm.  Hiện tƣợng quan sát đƣợc: Xe bị lệch do lực đẩy lớn (vì lúc này diện tích tiếp xúc đối nhau của nam châm trên xe và ray được tăng lên gấp đôi so với lúc chưa thêm hàng nam châm).  Hƣớng giải quyết đƣợc đƣa ra: Tăng khối lượng cho xe bằng cách gắn trên mỗi bên xe 2 nam châm. 33 Hình 3.14 Xe bị hút lệch về một bên ray sau khi chỉnh. Kết quả: Xe không nổi được trên hệ thống ray và bị hút lệch về một phía của ray (giống hiện tượng mô hình 1).  Phƣơng án 2: Dùng các nam châm nhỏ. Tăng lực nâng bằng cách sử dụng thêm hàng nam châm nhỏ đặt song song với hàng nam châm trên ray. Tôi tiến hành khảo sát với từng loại nam châm khác nhau nhưng kết quả thu được xe không được nâng lên. Nếu dùng tay tác động (nhấc nhẹ) vào xe thì xe có xu hướng bị lật và bị hút về một bên của ray. Ngoài ra, tôi thử thay đổi các vị trí khác nhau của nam châm trên xe nhưng hiện tượng quan sát được đó là không đủ lực đẩy để nâng xe lên hoặc xe được đẩy lên nhưng bị lệch về một bên. 3.1.2.3 Nhận xét. Từ việc khảo sát thực tế các mô hình trên, tôi nhận thấy rằng cấu hình 1 có nhiều hạn chế. - Thiếu lực kéo về khi xe bị lật. - Các nam châm không thể nằm trực diện với nhau được. Trên cùng một mặt cực của nam châm, từ trường không đồng nhất tại mọi điểm nên khi đặt 2 nam châm trực diện nhau thì đó là vị trí cân bằng không bền. Do đó, chỉ cần 34 nam châm trên xe thay đổi vị trí thì tương tác giữa nam châm trên xe và ray không còn là lực đẩy nữa mà trở thành lực hút. Hình 3.15 Vị trí trực diện của hai nam châm là vị trí cân bằng không bền. Kết luận: Ta không thể chế tạo đệm từ trường theo cấu hình 1 được với điều kiện hiện có. 3.2 Cấu hình 2. 3.2.1 Nghiên cứu lý thuyết. Cấu hình này gồm: hai thanh ray nam châm chạy song song nhau và xe có có gắn nam châm được bố trí như hình 3.15. Hình 3.15 Phác họa hệ thống nam châm của cấu hình 2. 1 3 2 35 Từ việc biểu diễn các đường sức từ của nam châm, ta có thể xác định một cách định tính lực tương tác giữa nam châm trên xe với các nam châm trên ray. Cụ thể đối với cấu hình này, các đường sức từ của nam châm trên xe và ray có xu hướng đẩy nhau và xếp chồng lên nhau. Do đó, giữa nam châm trên xe và ray sẽ xuất hiện lực tương tác có phương như hình 3.16. Hình 3.16 Mô tả lực tương tác giữa ray và xe. Theo cấu hình này, xe sẽ chịu tác dụng của hai lực nâng 21F và 31F (như hình 3.16). Ta phân tích 2 lực 21F , 31F thành các thành phần trên phương Ox và Oy tương tự như hình 3.3. Đối với cấu hình 2, ta cũng giả sử từ trường của hai hàng ray là giống nhau, khi đó 31F = 21F . Chiếu 2 lực lên trục Ox, Oy. Ox: 0xF  . Oy: 312 yF F . Thành phần lực theo phương ngang bị triệt tiêu, chỉ còn lại thành phần lực theo phương thẳng đứng làm nâng xe. 3.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm. 𝐹 31 𝐹 21 1 3 2 36 3.2.2.1 Các bƣớc tiến hành. -Bước 1: Chuẩn bị vật liệu gồm: 2 xe gỗ, nam châm, bàn gỗ, 2 thanh gỗ làm ray, lò xo. -Bước 2: Lắp ráp và điều chỉnh hệ thống. 3.2.2.2 Kết quả sau khi lắp ráp. Hình 3.17 Hàng ray từ. Hình 3.18 Xe nổi trên hệ thống ray từ. 37 Hình 3.19 Hai xe nổi trên hệ thống ray từ. Hình 3.20 Xe nổi trên ray nhưng tựa vào một bên ray.  Hiện tƣợng quan sát đƣợc. - Xe được nâng lên bởi hệ thống 2 đường ray nhưng xe tựa vào một trong hai bên thành của ray. Do đó, khi xe chuyển động thì vẫn tồn tại ma sát trượt giữa xe và thành ray. - Trong quá trình chuyển động, tại một số vị trí xe bị dao động. - Khi xe chuyển động nhanh trên ray lực ma sát tác dụng lên xe có xu hướng ít hơn so với trường hợp xe chuyển động chậm. 38  Giải thích hiện tƣợng xe chuyển động tựa vào thành của ray và hƣớng khắc phục.  Xe chuyển động tựa vào thành của ray. Nguyên nhân. - Từ trường của các nam châm không giống nhau. Mặc dù ta đã lựa chọn nam châm trên cùng một ray có độ lớn cường độ từ trường gần bằng nhau nhưng từ trường do các nam châm ghép lại trên một ray không đều. - Do hạn chế về số lượng nam châm có độ lớn từ trường gần bằng nhau nên các nam châm trên hai thanh ray có hai giá trị khác nhau (một ray gồm những nam châm có giá trị từ trường gần 11,6mT; ray còn lại gồm các nam châm có giá trị từ trường gần 12,4mT). Từ trường của 2 hàng ray không giống nhau dẫn đến độ lớn các lực đẩy 21F và 31F tác dụng lên xe khác nhau. Do đó, thành phần lực theo phương Ox không được triệt tiêu nên xe thường bị lệch về phía thanh ray có từ trường yếu hơn. Phƣơng hƣớng khắc phục. Tinh chỉnh bằng các nam châm dẻo gắn hai bên xe. Các nam châm dẻo này đặt sao cho cùng cực với cực nam châm trên ray. Mục đích, nhờ tính chất đẩy của hai nam châm cùng cực để xe có thể nằm trong khoảng giữa hai ray. Kết quả sau khi tinh chỉnh. Không khắc phục được hoàn toàn hiện tượng xe tựa vào thành ray. Ta chỉ tinh chỉnh để xe nổi đều trên hệ thống và làm giảm sự dao động của xe. Do đó, cần làm chuyển động của xe trơn hơn bằng cách thêm thanh mica vào hàng ray.  Giải thích hiện tƣợng khi xe chuyển động nhanh, lực ma sát tác dụng lên xe ít hơn so với khi xe chuyển động chậm. Cấu tạo xe gồm một miếng gỗ hình hộp chữ nhật, trên xe có gắn 2 nam châm. Nam châm bản chất cũng là khối kim loại. Do đó, khi nam châm chuyển động trong từ trường do hai hàng ray sinh ra thì trong nam châm sẽ xuất hiện những dòng điện 39 xoáy. Theo định luật Lentz thì dòng điện này có chiều chống lại từ trường thay đổi do nam châm chuyển động. Vì vậy, khi nam châm chuyển động trong từ trường thì sẽ chịu thêm một lực cản do dòng điện cảm ứng sinh ra và ta gọi đó là lực cản của từ trường (lực cản từ). Về mặt định tính, ta có thể hiểu được lực cản từ bằng cách xét từ thông khuếch tán vào hệ thống ray (tức là từ trường tìm cách khuếch tán vào hệ thống ray). Trong trường hợp xe chuyển động nhanh thì lúc này từ trường xuyên sâu vào nam châm. Tức là, các đường sức từ của nam châm và của hệ thống ray không đan xen sâu vào nhau. Do đó, lực cản từ nhỏ. Còn trường hợp khi xe chuyển động chậm, vận tốc chuyển động của nam châm trên xe nhỏ. Lúc này, các đường sức từ của nam châm và hệ thống ray sẽ đan sâu vào nhau làm tăng mức cản trở chuyển động của xe trong từ trường. 3.2.3 Đánh giá quá trình nâng của hệ thống. Để đánh giá hệ thống nâng tốt hay không, ta khảo sát vận tốc chuyển động của xe trên ray có đều hay không, nếu không đều thì ta sẽ xác định vận tốc từng vị trí thay đổi nhiều hay ít bằng cách tính vận tốc tại vị trí đang xét giảm bao nhiêu phần trăm so với vận tốc ban đầu. 3.2.3.1 Khảo sát vận tốc chuyển động của xe.  Phương pháp: sử dụng máy đo vận tốc Dopler xác định vận tốc của xe tại các vị trí trên quãng đường khảo sát. Hình 3.21 Bố trí dụng cụ đo vận tốc của xe tại các vị trí. Đầu đo Dopler 40  Khảo sát vận tốc đối với xe thứ nhất (xe không có gắn lò xo).  Một kết quả khảo sát được. Bảng 4: Số liệu khảo sát độ lớn vận tốc tại các vị trí trong quá trình chuyển động. Thứ tự các vị trí khảo sát. Vị trí cách máy đo (m). Độ lớn vận tốc (m/s). Độ giảm tương đối của vận tốc (%). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0,630 0,587 0,552 0,521 0,488 0,456 0,425 0,394 0,364 0,334 0,306 0,275 0,247 0,219 0,707 0,694 0,672 0,652 0,639 0,626 0,620 0,612 0,601 0,590 0,590 0,584 0,568 0,549 0 1,75 4,87 7,75 9,64 11,40 12,31 13,45 15,01 16,49 16,52 17,31 19,53 22,27 41 Hình 3.22 Đồ thị thể hiện vận tốc của xe thứ nhất tại các vị trí trong quá trình chuyển động.  Nhận xét. - Vận tốc chuyển động của xe thứ nhất trên quãng đường giảm dần. - Vật chuyển động trên quãng đường dài 0,4m; vận tốc khi xe tại vị trí cuối quãng đường giảm 22% so với vận tốc của xe tại vị trí bắt đầu xét. Từ đó, ta thấy sự thay đổi vận tốc trên quãng đường còn lớn. - Thực hiện phép đo vận tốc đối với xe thứ nhất nhiều lần, tôi đều thu được hình dạng đường biểu diễn vận tốc theo các vị trí chuyển động của xe như trường hợp trên.  Khảo sát vận tốc đối với xe thứ hai (xe có gắn lò xo).  Một kết quả khảo sát được. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Đ ộ l ớ n v ậ n t ố c ( m /s ) Thứ tự vị trí khảo sát 42 Bảng 5: Số liệu khảo sát độ lớn vận tốc tại các vị trí trong quá trình chuyển động. Thứ tự các vị trí khảo sát. Vị trí cách máy đo (m). Độ lớn vận tốc (m/s). Độ giảm tương đối của vận tốc (%). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 0,694 0,665 0,636 0,607 0,577 0,549 0,523 0,499 0,472 0,449 0,429 0,407 0,381 0,358 0,336 0,314 0,292 0,284 0,250 0,223 0,200 0,579 0,581 0,580 0,583 0,572 0,540 0,513 0,504 0,484 0,449 0,443 0,463 0,470 0,455 0,446 0,443 0,448 0,438 0,456 0,480 0,453 0 -0,24 -0,10 -0,61 1,29 6,77 11,53 13,05 16,51 22,55 23,51 20,02 18,95 21,41 23,04 23,58 22,67 24,37 21,22 17,19 21,76 43 Hình 3.23 Đồ thị thể hiện vận tốc của xe thứ hai tại các vị trí trong quá trình chuyển động.  Nhận xét. - Vận tốc chuyển động của xe thứ hai trên quãng đường cũng có xu hướng giảm dần. - Tại một số vị trí khảo sát, vận tốc của xe tăng rồi giảm. Thực hiện phép đo vận tốc đối với xe thứ hai nhiều lần, tôi đều thu được hình dạng đường biểu diễn vận tốc theo các vị trí chuyển động của xe như trường hợp trên.  Một vài nguyên nhân khả dĩ làm vận tốc của vật giảm. - Hệ thống vẫn tồn tại ma sát trượt trong quá trình xe chuyển động. - Do hai ray có từ trường không đều nên xe luôn ở trạng thái không ổn định, dao động quanh khối tâm trong quá trình chuyển động. Động năng cung cấp ban đầu cho xe chuyển động sẽ chuyển hóa thành 2 phần: năng lượng cho xe chuyển động tịnh tiến và năng lượng cho xe dao động. Do đó, vận tốc xe giảm dần trong quá trình chuyển động. - Mỗi xe đều được tinh chỉnh bằng một lượng nam châm dẻo ở hai bên xe khác nhau. Các nam châm dẻo được bố trí sao cho cùng cực với nam châm trên ray. Mà vị trí khi đặt 2 nam châm cùng cực trực diện là vị trí cân bằng 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Đ ộ l ớ n v ậ n t ố c ( m /s ) Thứ tự vị trí khảo sát 44 không bền (hình 3.24a). Trong quá trình chuyển động của xe, các nam châm bị lệch khỏi vị trí cân bằng trên, lực tương tác giữa nam châm trên một bên ray và nam châm dẻo trên xe sẽ có dạng như hình ( 3.24b). Lúc này xe sẽ chịu thêm các lực 1F và 2F . Vì từ trường trên ray không đều nên tổng hợp 2 lực này không triệt tiêu nhau theo phương chuyển động của xe. Do đó, sẽ có hiện tượng xe chuyển động lúc nhanh lúc chậm ở cả hai xe (nhưng rõ nhất là ở xe thứ hai) và đây cũng là một trong những nguyên nhân làm xe dao động trong quá trình chuyển động. a. Vị trí cân bằng không bền. b. Vị trí khi xe chuyển động. Hình 3.24 Mô hình lực tương tác giữa nam châm tinh chỉnh và nam châm trên ray. Từ việc khảo sát vận tốc của hai xe tại các vị trí, ta nhận thấy hệ thống đệm từ trường còn tồn tại lực cản khá lớn. 3.2.3.2 Khảo sát độ lớn lực ma sát trong quá trình chuyển động của xe trên ray.  Phƣơng pháp. - Cho ray nghiêng góc  so với mặt phẳng nằm ngang sao cho xe chuyển động với gia tốc là a. - Dùng máy đo vận tốc Dopler để xác định gia tốc của xe. 𝐹 𝐹 1 𝐹 2 45 - Xác định khối lượng của từng xe: 1 2 350m m g  . Lấy giá trị gia tốc trọng trường g=9,8m/s2. - Sử dụng công thức động lực học theo phương chuyển động: sinmsF mg ma   để xác định giá trị của lực ma sát. Độ lớn thành phần theo phương chuyển động của trọng lực là mgsin .  Kết quả thu đƣợc. Trƣờng hợp 04  Bảng 6: Số liệu khảo sát lực ma sát giữa xe thứ hai với hệ thống khi 04  . Vị trí cách máy đo (m). Độ lớn vận tốc (m/s). Giá trị gia tốc (m/s 2 ). Giá trị lực ma sát (N). Tỷ lệ % giữa độ lớn lực ma sát và thành phần theo phương chuyển động của trọng lực. 0,406 0,402 0,397 0,392 0,386 0,379 0,373 0,367 0,36 0,353 0,347 0,34 0,332 0,324 0,317 0,308 0,3 0,293 0,285 0,083 0,091 0,1 0,112 0,121 0,125 0,129 0,132 0,134 0,135 0,138 0,146 0,151 0,154 0,159 0,161 0,157 0,153 0,154 0,108 0,164 0,197 0,186 0,134 0,09 0,067 0,052 0,046 0,06 0,095 0,109 0,089 0,072 0,047 -0,009 -0,044 -0,024 0,02 0,202 0,183 0,171 0,175 0,193 0,208 0,216 0,222 0,224 0,219 0,207 0,202 0,209 0,215 0,224 0,243 0,256 0,248 0,233 84,3 76,1 71,3 72,9 80,5 86,9 90,2 92,5 93,3 91,3 86,2 84,1 87 89,5 93,2 101,4 106,5 103,5 97,1 46 0,277 0,269 0,263 0,252 0,242 0,233 0,224 0,156 0,155 0,171 0,191 0,19 0,191 0,201 0,057 0,157 0,257 0,176 0,072 0,086 0,069 0,22 0,185 0,15 0,178 0,215 0,21 0,216 91,7 77,1 62,6 74,4 89,6 87,4 89,9 Trƣờng hợp 05  Bảng 7: Số liệu khảo sát lực ma sát giữa xe thứ hai với hệ thống khi 05  . Vị trí cách máy đo (m). Độ lớn vận tốc (m/s). Giá trị gia tốc (m/s 2 ). Giá trị lực ma sát (N). Tỷ lệ % giữa độ lớn lực ma sát và thành phần theo phương chuyển động của trọng lực. 0,667 0,647 0,627 0,607 0,586 0,565 0,542 0,519 0,496 0,473 0,449 0,424 0,4 0,373 0,346 0,317 0,289 0,387 0,394 0,403 0,413 0,426 0,441 0,452 0,461 0,465 0,471 0,483 0,498 0,517 0,537 0,554 0,565 0,574 0,156 0,172 0,196 0,233 0,26 0,244 0,201 0,148 0,13 0,185 0,263 0,329 0,369 0,346 0,281 0,225 0,173 0,245 0,24 0,231 0,218 0,209 0,214 0,23 0,248 0,255 0,235 0,208 0,185 0,171 0,179 0,201 0,221 0,24 81,8 79,9 77,1 72,8 69,7 71,5 76,6 82,8 84,9 78,5 69,3 61,6 56,9 59,6 67,2 73,7 79,8 47 Trƣờng hợp 06  Bảng 8: Số liệu khảo sát lực ma sát giữa xe thứ hai với hệ thống khi 06  . Vị trí cách máy đo (m). Độ lớn vận tốc (m/s). Giá trị gia tốc (m/s 2 ). Giá trị lực ma sát (N). Tỷ lệ % giữa độ lớn lực ma sát và thành phần theo phương chuyển động của trọng lực. 0,723 0,703 0,677 0,654 0,626 0,599 0,568 0,538 0,507 0,473 0,439 0,402 0,364 0,324 0,281 0,238 0,192 0,43 0,46 0,487 0,517 0,549 0,575 0,601 0,621 0,65 0,679 0,713 0,75 0,785 0,821 0,854 0,88 0,9 0,594 0,581 0,579 0,597 0,572 0,525 0,488 0,507 0,574 0,635 0,69 0,711 0,707 0,667 0,582 0,492 0,426 0,152 0,157 0,157 0,151 0,16 0,176 0,189 0,183 0,159 0,138 0,119 0,111 0,113 0,127 0,156 0,188 0,211 42,2 43,5 43,7 41,9 44,4 48,9 52,6 50,7 44,2 38,3 32,9 30,9 31,3 35,2 43,4 52,1 58,6  Nhận xét. Sau khi thực hiện tính toán nhiều lần lực ma sát của từng xe với hệ thống đệm từ trường, tôi rút ra được một số nhận xét như sau : - Ở trường hợp khi ray nghiêng một góc 04  so với mặt phẳng nằm ngang, tại một số vị trí xuất hiện giá trị gia tốc âm (giải thích tương tự như trường hợp khảo sát vận tốc của xe). - Khi tăng góc nghiêng giữa ray và mặt phẳng nằm ngang, thành phần trọng lực theo phương chuyển động của xe tăng nên gia tốc của xe cũng tăng. 48 Nhưng ở các trường hợp khi 04  và 05  , ta thấy các giá trị của lực ma sát gần như không đổi tại cùng một vị trí cách máy đo. Còn khi 06  , cũng xét cùng các vị trí đó nhưng giá trị lực ma sát lúc này giảm rõ. Ví dụ: Tại cùng một vị trí cách máy đo xấp xỉ 0,4m. Trường hợp khi góc nghiêng 04  , ta thu được giá trị lực ma sát là 0,183 N; 05  thì giá trị lực ma sát là 0,171N; 06  thì giá trị lực ma sát chỉ còn 0,111N. Điều này cho ta khẳng định được nhận định ban đầu về hiện tượng khi xe chuyển động nhanh sẽ ít ma sát hơn trong trường hợp xe chuyển động chậm. Khi 06  , lúc này góc nghiêng đủ lớn để xe có thể chuyển động với vận tốc lớn do đó lực cản từ sẽ nhỏ hơn ở hai trường hợp 04  và 05  . Mặc khác, khi góc nghiêng tăng thì ma sát giữa xe và ray giảm vì theo quan sát nhận thấy xe phần lớn chuyển động ở khoảng giữa 2 ray. - Ở cả 3 trường hợp đã xét, giá trị lực ma sát ở từng vị trí trên hệ thống khác nhau, chêch lệch giữa chúng khá lớn.  Từ việc khảo sát và phân tích lực ma sát giữa xe và hệ thống ray trong các trƣờng hợp trên, tôi rút ra một số kết luận nhƣ sau: - Lực ma sát của hệ thống còn tương đối lớn. - Lực ma sát tại các vị trí khác nhau trên hệ thống không giống nhau. - Lực ma sát bao gồm : lực cản của không khí ; lực ma sát giữa xe và ray ; lực cản của từ trường nam châm, 3.2.4 Đánh giá bƣớc đầu về chất lƣợng hoạt động của hệ thống đệm từ trƣờng nghiên cứu. - Xe trượt chuyển động trên hệ thống đệm từ trường vẫn còn ma sát khá lớn; ma sát tại các vị trí khác nhau trên hệ thống không đồng đều. - Xe nổi được trên ray nhưng đôi khi ở trạng thái dao động nên vận tốc chuyển động của vật không ổn định. - Hệ thống đệm từ trường hoạt động không loại bỏ hoàn toàn lực cản như mong đợi. 49 CHƢƠNG 4 THỬ NGHIỆM BAN ĐẦU CHO THÍ NGHIỆM VỀ BẢO TOÀN ĐỘNG LƢỢNG Vì hệ xe và ray vẫn còn tồn tại lực cản khá lớn nên ta chưa thể sử dụng mô hình này để kiểm chứng các thí nghiệm về bảo toàn động lượng. Tuy nhiên, chúng ta có thể sử dụng thí nghiệm về bảo toàn động lượng để đánh giá chất lượng của hệ thống thông qua thí nghiệm va chạm đàn hồi giữa 2 xe. 4.1 Cách bố trí dụng cụ thí nghiệm (nhƣ hình 4.1). Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm va chạm hai xe. 4.2 Cách tiến hành. - Đặt xe thứ hai đứng yên tại vị trí giữa ray, vận tốc của xe trước va chạm bằng không ( 2 0v  ). - Trên xe thứ nhất có gắn lá chắn cổng quang. Cho xe thứ nhất chuyển động với vận tốc 1v đến va chạm với xe thứ hai. - Xác định vận tốc của xe thứ nhất trước khi va chạm nhờ cổng quang điện. - Xác định vận tốc 2v của xe thứ hai sau va chạm nhờ máy đo Dopler. Lƣu ý Cổng quang điện Máy Dopler Xe 1 Xe 2 Đệm từ trường Lá chắn 50 Để xác định chính xác vận tốc của xe thứ nhất trước va chạm bằng cách sử dụng cổng quang thì chiều dài s của lá chắn cổng quang nhỏ và đặt vị trí cổng quang gần vị trí xảy ra va chạm. Ở đây, tôi chọn s=3cm, vì theo kết quả khảo sát vận tốc chuyển động của xe thì trong quãng đường đủ nhỏ để vận tốc của xe không chênh lệch nhiều. Vận tốc xe thứ nhất được xác định bởi : 1 s v t   ; s :chiều dài lá chắn cổng quang ; t : khoảng thời gian lá chắn qua cổng quang. Khối lượng 2 xe : 1 2 350m m g  . 4.3 Kết quả thu đƣợc. Sau khi va chạm, xe thứ nhất đứng yên ( 1' 0v  ), xe hai chuyển động cùng chiều với chiều chuyển động với xe thứ nhất với vận tốc 2'v . Đây là một trong những kết quả thu được. Bảng 9: Vận tốc của xe 1 trước va chạm và vận tốc xe 2 sau va chạm. Lần 1 Lần 2 Lần3 Vận tốc xe 1 trước va chạm. 0,79m/s 0,79m/s 0,79m/s Vận tốc xe 2 sau va chạm. 0,687m/s 0,691m/s 0,679m/s 4.4 Nhận xét. 4.4.1 Theo lý thuyết. 51 Hệ kín gồm 2 vật có khối lượng bằng nhau, vật 1 chuyển động với vận tốc 1v đến va chạm với vật 2 đang đứng yên. Sau va chạm, vật 1 đứng yên và vật 2 chuyển động với 2 1'v v . 4.4.2 Thực nghiệm. Sau khi tiến hành thí nghiệm va chạm giữa 2 xe, ta thu các số liệu được thể hiện trong bảng 9 và nhận thấy 2 1'v v . Bảng 10: Độ chênh lệch giữa giá trị vận tốc thực nghiệm so với giá trị lý thuyết của xe 2. Lần 1 Lần 2 Lần 3 Vận tốc xe 2 sau va chạm theo lý thuyết 2' LTv . 0,789m/s 0,789m/s 0,789m/s Vận tốc xe 2 sau va chạm theo thực nghiệm 2' TNv . 0,687m/s 0,691m/s 0,679m/s 2 2 2 ' ' 100% ' LT TN LT v v v  13% 12% 14% Ta thấy độ chêch lệch giữa giá trị vận tốc theo lý thuyết và thực nghiệm của xe 2 đều lớn hơn 10%. Mà đối với một thí nghiệm kiểm chứng thì độ chênh lệch hơn 10% giữa lý thuyết và thực nghiệm được coi là khá lớn, không thể chấp nhận được. Do đó, ta rút ra nhận xét: Động lượng theo phương chuyển động và động năng tịnh tiến của hệ hai xe trước và sau khi va chạm không được bảo toàn.  Một vài nguyên nhân khả dĩ làm động lƣợng của hệ không đƣợc bảo toàn. - Va chạm giữa hai xe không tuyệt đối đàn hồi xuyên tâm. - Sau khi va chạm, xe 2 vừa chuyển động tịnh tiến, vừa dao động quanh khối tâm. Động năng cung cấp ban đầu cho xe chuyển động sẽ chuyển hóa thành 2 phần: năng lượng cho xe chuyển động tịnh tiến và năng lượng cho xe dao 52 động. Do đó, vận tốc tịnh tiến của xe 2 giảm so với vận tốc tịnh tiến lý thuyết. - Xe chuyển động trên đệm từ còn chịu tác dụng của lực cản: ma sát trượt giữa xe và thành ray, lực cản từ, - Tương tác từ giữa nam châm trên hai xe với nhau. Kết luận: Thông qua kết quả thí nghiệm va chạm giữa 2 xe, ta thấy động lượng theo phương chuyển động của hệ trước và sau va chạm không được bảo toàn. Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến kết quả trên nhưng chủ yếu là do hệ thống đệm từ trường hoạt động chưa ổn định: xe chuyển động kèm theo dao động; còn tồn tại ma sát trên hệ thống ray và xe. Vì thời gian thực hiện đề tài hạn chế nên tôi chỉ kịp tiến hành thử nghiệm với một thí nghiệm về định luật bảo toàn động lượng. Do đó để xem xét việc đưa vào sử dụng bộ dụng cụ này cho thí nghiệm bảo toàn động lượng thì cần phải tiếp tục nghiên để khắc phục các hạn chế trên và tiến hành thêm các thí nghiệm khác bổ sung. 53 CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận. Sử dụng tính chất đẩy nhau của hai nam châm, hình dạng đường sức từ của nam châm vĩnh cửu và dựa trên những mô hình đã được lắp ráp về đệm từ trường, tôi đã tiến hành nghiên cứu hai cấu hình. Cả hai cấu hình này đều có chung một đặc điểm : xe chịu tác dụng của hai lực nâng từ hệ thống ray. Nhưng ở mỗi cấu hình thì sẽ có một kết cấu và sự sắp xếp các nam châm trên hệ thống ray khác nhau. 5.1.1 Đối với cấu hình 1. Kết cấu của hệ thống ray và xe giống mô hình của đệm không khí. Các nam châm trên hệ thống ray và xe được đặt trực diện với nhau. Nhưng sau khi tiến hành lắp ráp và nghiên cứu thực nghiệm, tôi rút ra nhận xét : Khi đặt hai nam châm cùng cực trực diện với nhau thì đó là vị trí cân bằng không bền. Do đó, xe không nổi được trên hệ thống ray và luôn bị hút lệch về một bên ray. Mặc dù đã tìm các phương pháp khác nhau để khắc phụ hiện tượng nhưng đều không được. Vì vậy, không thể tạo ra một hệ thống đệm từ trường theo cấu hình này. 5.1.2 Đối với cấu hình 2. - Kết cấu của hệ thống ray và xe gồm : 2 hàng ray nam châm đặt song song nhau; xe sẽ nổi trong khoảng giữa của 2 ray. Với kết cấu này, sau khi tiến hành lắp ráp và nghiên cứu thực nghiệm, tôi đã thu được sản phẩm : xe được nâng lên bởi hệ thống ray. - Tuy nhiên, do hạn chế về nguồn nam châm vĩnh cửu có độ lớn từ trường giống nhau; từ trường của các nam châm không đều; nên hệ thống vận hành chưa được tốt. Hệ thống vẫn còn một số hạn chế sau :  Xe chuyển động tựa vào thành ray dẫn đến ma sát với 2 thành ray.  Khi chuyển động, xe có trạng thái dao động tại một số vị trí. 54  Mặc dù đã tìm cách để giảm những hạn chế trên nhưng kết quả không triệt tiêu hoàn toàn các hiện tượng kể trên. - Qua các bước khảo sát ban đầu về chất lượng vận hành của hệ thống, tôi thấy : xe chuyển động trên hệ thống đệm từ trường còn tồn tại lực ma sát; ma sát tại các vị trí khác nhau trên hệ thống không giống nhau. - Việc thử nghiệm ban đầu cho thí nghiệm về bảo toàn động lượng một lần nữa đánh giá hoạt động của hệ thống vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế: xe chuyển động kèm theo dao động; còn tồn tại ma sát trên hệ thống ray và xe.  Kết luận. - Xe nổi được trên hệ thống. - Hệ thống đệm từ trường hoạt động chưa loại bỏ hoàn toàn được lực cản như mong đợi. - Chưa thể đưa vào sử dụng hệ thống đệm từ trường này vào dùng cho các thí nghiệm về bảo toàn động lượng. 5.2 Hƣớng phát triển. Từ những hạn chế của hệ thống đệm từ trường theo cấu hình 2, tôi đề xuất hướng phát triển của đề tài như sau : - Nghiên cứu phương án để xe có thể nổi trên khoảng giữa hai ray mà không tựa vào ray nhằm làm giảm tối đa lực cản. - Nghiên cứu các sắp xếp các nam châm sao cho từ trường trên các ray tương đối ổn định và đồng nhất. - Thực hiện thêm một số thí nghiệm về định luật bảo toàn động lượng khác. Ngoài ra, đối với hệ thống đệm từ trường này, ta có thể thực hiện một số thí nghiệm về dao động cơ học. Ví dụ như có thể thực hiện thí nghiệm về dao động cưỡng bức. 55 PHỤ LỤC 1 TÀU CHẠY TRÊN ĐỆM TỪ [7] 1. Nguyên tắc hoạt động của tàu chạy trên đệm từ (tàu Maglev). Hoạt động của tàu dựa vào lực đẩy của hai nam châm cùng tên và lực hút của hai cực khác tên của hai nam châm. 2. Kết cấu của hai loại tàu đệm từ trên thế giới hiện nay. Hiện nay, trên thế giới có hai loại tàu ứng với hai cấu tạo khác nhau: cách treo điện từ EMS (electromagnetic suspension) và cách treo điện động EDS (electrodynamic suspension). a. Tàu maglev kiểu EMS. Đối với cách treo điện từ, thường bố trí cho tàu chạy trên một đường dẫn dạng thanh dầm hình chữ T dưới thanh dầm có gắn hai đường ray sắt. Đáy tàu có hai cái ngàm ngậm vào thanh dầm chỗ đường ray. Ở chỗ ngàm của tàu có bố trí các nam châm điện cũng như dọc theo đường dẫn có bố trí ngầm các nam châm điện. Các nam châm điện này tạo ra lực hút mạnh vào thanh sắt dưới thanh dầm, tàu bị kéo lên, cao độ 10 milimet tạo ra đệm không khí. Các nam châm điện cũng làm nhiệm vụ đẩy tàu tiến về phía trước nhờ thay đổi nhịp nhàng chiều dòng điện trong các cuộn dây liên tiếp để tàu bị nam châm điện hút về phía trước và đẩy ở phía sau (hình 1). Các nam châm điện cũng được dùng để tự động chỉnh cho con tàu khi chạy luôn nổi cách mặt thanh dầm một khoảng cách nhất định là 10 milimet và luôn cân xứng ở giữa đường dẫn, không bao giờ để cho va chạm. 56 Hình 1. Tàu maglev kiểu EMS. b. Tàu maglev kiểu EDS. Đối với cách treo điện động EDS, người ta dùng các nam châm đặt trên tàu chuyển động để tạo ra dòng cảm ứng lên các cuộn dây ở trên đường dẫn. Kết quả là tạo ra lực đẩy, đẩy cho tàu nổi lên. Nam châm ở trên tàu phải mạnh và nhẹ nên người ta dùng nam châm siêu dẫn, thực chất chỉ là cuộn dây điện làm bằng chất siêu dẫn, lúc làm lạnh ở nhiệt độ rất thấp, điện trở của cuộn dây bằng không. Nhờ vậy có thể cho dòng điện cực lớn chạy qua mà không sợ nóng lên do hiệu ứng Joule. Cuộn dây siêu dẫn có dòng điện lớn chạy qua, không cần lõi sắt, vẫn cho từ trường rất mạnh như nam châm điện. Lực đẩy ở đây mạnh để tàu có thể nổi lên cao hơn mặt đường dẫn 100 milimet (cao gấp 10 lần so với tàu EMS) nhờ đó tàu chạy được nhanh hơn tàu EMS. Tàu maglev kiểu treo điện động EDS phải có chuyển động thì nam châm của tàu mới tạo ra dòng cảm ứng ở các cuộn dây dưới đường tàu. Do đó, tàu phải có các bánh xe cao su để tiếp xúc với mặt đường dẫn lúc đứng yên. Ngoài ra phải có những hệ khác để đẩy tàu chạy về phía trước, hệ tự động đảm bảo khoảng cách, chạy theo đường dẫn v.v... 57 Hình 2. Từ trƣờng vừa dùng để nâng vừa dùng để nâng. 58 PHỤ LỤC 2 BẢNG SỐ LIỆU KHẢO SÁT ĐỘ LỚN TỪ TRƢỜNG CỦA MỘT NAM CHÂM (Khi đặt máy đo cách bề mặt nam châm 5mm) - Đơn vị: mT. Thứ tự Hàng 1 Hàng 2 Hàng 3 Hàng 4 Hàng 5 Hàng 6 Hàng 7 1 1,59 1,61 1,66 1,64 1,59 1,54 1,44 2 1,83 1,89 1,97 1,69 1,82 1,73 1,71 3 2,27 2,33 2,28 2,29 2,29 2,12 2,03 4 2,79 2,94 2,87 2,77 2,81 2,61 2,44 5 3,39 3,69 3,59 2,53 3,42 3,21 3,05 6 4,1 4,45 4,41 4,29 4,21 3,89 3,72 7 5,37 5,9 5,56 5,6 5,44 5,17 4,8 8 6,75 7,72 7,16 7,28 6,93 6,71 5,94 9 9,12 9,6 9,9 9,1 9,09 8,53 7,75 10 13,1 12,9 12,4 12,7 12,2 11 1,01 11 16,8 17,5 17,6 17,2 16,6 15,5 13,7 12 23,6 23,9 24,3 23,5 23,1 21,1 18,4 13 32,7 32,7 32,2 34,7 34,2 28,2 28 14 44,7 44,9 44,2 43,7 45,5 38,4 34,6 15 58,7 61,8 60,7 58,9 57,2 54,8 47,3 16 63 63,5 63,1 63,6 62,1 56,5 50,7 17 51,1 51,2 50,5 49,2 46,6 43,8 35,7 18 34,8 33 35,6 34 33,6 28,7 24,3 19 18,1 18,6 21 21,3 20,9 18,1 14,5 20 8,02 8,3 11,1 11,6 11,3 11,3 9,9 21 -3,9 -0,69 -0,58 3,82 5,83 8,4 7,92 22 -7,4 -6,1 -3,65 1,05 2,76 5,82 6,79 23 -5,34 -5,12 -2,79 -0,52 1,52 4,12 5,93 24 0,02 0,05 0,23 -0,08 0,33 3,11 4,73 25 4,22 1,36 1,87 -1,27 -0,67 2,21 3,18 26 8,78 2,84 1,68 -3,37 -1,62 0,87 1,57 27 7,99 2,51 1,57 -2,68 -1,15 0,59 1,02 28 5,4 1,94 1,36 0,3 1,1 2,45 3,09 29 2,9 1,81 1,72 1,92 2,54 4,56 5,11 30 1,9 2,29 2,08 2,52 3,32 59 PHỤ LỤC 3 BẢNG SỐ LIỆU KHẢO SÁT ĐỘ LỚN TỪ TRƢỜNG CỦA 4 NAM CHÂM (Khi đặt máy đo cách bề mặt nam châm 1,5 cm) - Đơn vị:mT. Hàng 1 Hàng 2 Hàng 3 Hàng 4 Hàng 5 Hàng 6 Hàng 7 9,1 12,4 14,9 16,7 18 18,7 19 19 19 18,9 18,7 18,1 17,2 15,9 14,3 13,1 13,5 13,8 14,5 14,9 15,3 15,7 16,1 16,1 16,3 16,6 16,9 16,4 16 15,3 14,4 14,1 13,6 13,5 13,8 14 13,8 9,6 14,5 18 20,9 22,6 23,5 24,1 24,2 24,1 24 23,6 23 22 20,7 18,9 17,9 17,2 17,6 17,9 18,5 19,1 19,5 20 20,3 20,4 20,7 20,7 21 20,3 19,5 18,4 17,5 17,2 17 17 17,2 17,1 10,1 15,1 19,5 22,1 21,1 25,1 25,6 25,8 25,8 25,6 25,3 24,7 23,8 22,5 20,6 19,4 18,7 18,8 19,2 19,9 20,2 20,6 21,1 21,4 21,7 22 22,2 22,2 21,8 20,9 19,6 18,6 18,1 17,8 17,9 18 17,7 10,2 14,7 19,6 21,1 23,1 24 24,5 24,7 24,6 24,3 24,1 23,6 22,8 21,5 20,1 19,1 18 18,1 18,5 18,9 19,3 19,6 20 20,4 20,7 20,9 21,2 21,2 20,9 20 18,6 17,8 17,1 16,8 16,9 17 16,8 8,7 12,6 16 18,7 20,2 21 21,6 21,6 21,7 21,3 21,1 20,4 19,8 18,8 17,6 16,6 15,8 15,9 16,1 16,6 16,8 17 17,3 17,7 18,1 18 18,2 18,2 17,9 17,1 16,3 15,7 14,6 14,6 14,5 14,6 14,5 6,4 9,6 12,2 13,9 15,2 15,8 16,5 16,5 16,6 16,3 15,9 15,6 14,9 13,9 13,3 12,6 12,2 12,2 12,4 12,9 13,6 13,1 13,6 13,6 13,7 13,7 14 14,2 13,7 13,3 12,7 11,9 10,7 10,7 10,8 11,1 10,9 3,9 5,8 7,6 8,8 9,7 10 9,8 10,8 10,8 10,8 10,3 9,9 9,5 8,8 8,2 7,7 8,3 8,1 8,7 8,8 8,9 8,8 8 8,7 9,2 9,4 9,4 9,1 8,8 8,5 9,6 7 7,5 7 7,1 7 7 60 13,8 13,9 14,2 14,6 14,8 15,1 15,3 15,8 15,6 15,2 15,2 15,3 15,9 16,9 17,6 18,3 18,9 18,7 18,5 18,4 18,3 18 17,5 16,6 14,8 12,7 17,1 17,1 17,3 17,8 18,4 18,9 19,5 19,7 19,5 19,2 18,8 19 19,7 20,7 21,7 22,2 22 21,8 21,8 21,5 21,3 21,2 21,2 20,4 18,9 15,3 17,5 17,5 17,8 18,2 18,7 19,2 19,8 20,1 20,1 19,8 19,6 20 20,7 21,8 22,6 22,9 23 22,8 22,6 22,4 22,2 22,1 22,1 21,3 19,6 15,9 16,7 16,8 17,1 17,6 18 18,7 19,1 19,5 19,4 19,2 18,8 19,2 20 21,2 21,9 22,3 22,3 22,2 21,9 21,7 21,5 21,3 21,2 20,5 18,9 16,1 14,5 14,6 15 15,2 15,7 16,1 16,7 16,8 16,8 16,6 16,4 16,8 17,5 18,5 19,1 19,6 19,9 19,7 19,2 19 19 18,8 18,5 17,8 16,4 13,6 10,9 11,3 11,3 11,5 11,9 12,3 12,3 12,4 12,3 12,2 12 12,3 12,3 13,6 14,3 14,9 15,1 15 14,7 14,5 14,3 14,4 14,2 13,4 12,4 10,1 7,1 7,1 7,3 7,6 7,8 8 8,1 8,3 7,9 8,1 8 8,3 8,2 9,1 9,2 9,6 10,2 9,9 9,6 9,8 9,9 10 9,9 9,5 8,6 6,9 61 PHỤ LỤC 4 BẢNG SỐ LIỆU KHẢO SÁT ĐỘ LỚN TỪ TRƢỜNG CỦA 4 NAM CHÂM (Khi đặt máy đo cách bề mặt nam châm 2 cm) – Đơn vị: mT. Hàng 1 Hàng 2 Hàng 3 Hàng 4 Hàng 5 Hàng 6 Hàng 7 7,5 7,3 7,9 8 7,4 5,8 4 9,2 10 10,8 11,1 9,8 7,7 5,5 11,4 12 13 13,4 11,7 9,4 6,8 12,8 13,9 14,9 15,5 13,6 11 7,9 13,7 15,3 16,4 16,7 14,7 12 8,7 14,4 16,1 17,3 17,6 15,8 12,5 9,1 14,8 16,7 17,8 18,1 16 13 9,6 15 16,9 18,1 18,3 16,3 13,2 9,6 14,8 17 18,2 18,3 16,5 13,1 9,7 14,7 16,9 18,1 18,1 16,3 13 9,8 14,6 16,7 17,9 18 16,1 12,7 9,6 14 16,2 17,4 17,5 15,7 12,5 9,4 12,6 15,6 16,8 16,9 15,1 12,1 8,9 11,8 14,9 16 16,1 14,4 11,7 8,4 11,9 14 15,2 15,3 13,7 10,8 7,9 11,3 13,5 14,6 14,7 13 10,6 7,8 11,3 13,3 14,2 14,3 12,7 10,5 7,7 11,4 13,3 14,3 14,2 12,6 10,3 7,9 11,8 13,5 14,6 14,4 12,7 10,3 7,8 12 13,7 14,8 14,7 12,8 10,4 7,8 12,2 13,9 15,1 14,9 13,3 10,5 7,9 12,4 14,2 15,4 15,2 13,4 10,8 8 12,6 14,4 15,7 15,4 13,7 10,9 8 12,7 14,7 15,8 15,7 13,8 11 8,2 12,7 14,9 16,2 15,8 13,9 11,2 8 12,9 14,9 16,4 16 14,1 11,4 8,2 12,8 15 16,5 16 14 11,3 8,2 12,6 14,8 16,3 15,9 14 11,1 8,2 12,3 14,5 15,9 15,6 13,6 11,1 7,9 11,8 13,9 15,3 15 13,1 10,5 7,5 11,9 13,4 14,7 14,3 12,7 10,2 7,1 11,3 13,1 14,2 14 12 9,8 7 11,3 12,8 13,9 13,5 11,7 9,3 6,6 10,9 12,6 13,7 13,3 11,4 9,3 6,7 11 12,6 13,7 13,1 11,4 9,2 6,5 11 12,6 13,7 13,1 11,4 9,2 6,6 10,9 12,6 13,6 13 11,4 9,3 6,7 62 11 12,6 13,6 13 11,4 9,4 6,6 11 12,7 13,7 13,2 11,5 9,6 6,7 11,3 12,8 13,9 13,3 11,7 9,5 6,9 11,5 13,2 14,2 13,6 12 9,4 7,2 11,8 13,5 14,5 14 12,3 9,6 7,1 12 13,7 14,9 14,3 12,6 9,8 7,3 12,1 13,9 15,1 14,6 12,9 10,4 7,2 12,2 14,2 15,2 14,8 13 10,3 7,3 12,4 14,1 15,3 14,8 12,9 10,2 7,2 12,4 14,1 15,3 14,8 12,9 10,3 7,1 12,6 14,3 15,5 14,9 12,9 10,3 7,4 13,2 14,3 15,7 15,1 13,4 10,6 7,9 13,6 14,9 16,3 15,8 13,9 10,9 7,9 14,2 15,5 16,8 16,2 14,6 11,4 8,2 14,9 15,9 17,2 16,7 14,8 11,6 8,4 14,5 16,1 17,5 16,9 15 12,1 8,7 14,5 16,1 17,5 17 15,3 12,3 9,1 14,5 16,1 17,5 17 15,2 12,1 9 14,6 16,1 17,3 16,8 15 12,1 8,8 14,2 16 17,2 16,6 14,9 12 8,8 14,1 15,8 17 16,6 14,8 11,8 8,8 13,7 15,6 16,7 16,3 14,6 11,9 8,7 13,1 15,1 16,3 15,8 14,2 11,2 8,8 12,3 14,2 15,2 14,9 13,3 10,6 8,3 11,1 13 13,8 13,3 11,8 9,6 7,2 9,9 10,9 11,1 10,6 9,4 7,6 5,7 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 1. David Halliday – Robert Resnick – Jearl Walker. Cơ sở vật lí, NXB Giáo Dục – 1999. 2. 3. maglev-train.pdf 4. 5. 6. 7. thong/Tau-chay-dem-tu-27