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LEVITATION

Statique ou dynamique


Vers LÉVITATION DYNAMIQUE

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 au sol du poids de l'objet en lévitation), assister à un tel phénomène serait plutôt inquiétant, Le poids de l'objet est reporté au sol. 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.

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


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 ?

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'un cylindre 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 "Flyingmagnet". 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 plus spectaculaires mais très efficaces (solidité de la position et stabilité).


Circuit imprimés 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].

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. Le principal obstacle au bon fonctionnement est manque de précision dans la réalisation 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 des composants électroniques sur des circuits imprimés universels 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 ou croquis des embases pour gèométrie N°1 et N°5.



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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 à l'exception de l'exemple qui suit ou d'objet reposant sur un aimant unique mais on s'en inspire 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 remplace par le critère [12] et on en créer de nouveaux.

Mais avant, un coup d'oeil à cet exemple : Expérimentations et mesures autour de la force centrifuge avec coefficient de frottement nul. (énergie cinétique, énergie potentielle de gravitation, simulation de mouvements orbitaux, etc.). Dans cette expérience la force centrifuge est utilisée pour faire monter sans frottement une masse sur un pan incliné afin d'observer le comportement dynamique de l'ensemble (vitesse, rayon de l'orbite autour d'un champ local virtuel ?) comparées a d'autre configuration pentes faibles ou nulle avec champ local (sphère) .


Gabarit de test force centrifuge géométrie levmag N°5_6 (temporaire), mode de guidage opto laser
Vue du plateau d’entraînement, d'alimentation et de mesures, construit à partir d'un disque dur.
Gabarit de test (suite)
Vue de la zone de lévitation stabilisée.
Vidéo : clic sur l'image.
Evidence d'absence de friction :
 Contacts glissants, entrainement & capteur/rapporteur 360° mesure vitesse  Zone de coefficient de friction nulle : 8-12,75 cm (r=9 à 11,5 cm)
Aperçu de l'ensemble en rotation.
Vidéo : clic sur l'image.
  • Plateau rotatif entraîné par friction faible ou forte (servo moteur);
  • Dispositif de maintien du système de lévitation;
  • Dispositif de lecture optique de la vitesse de rotation;
  • Contacts glissants (2): alimentation du contrôleur de lévitation;
  • Contacts glissants (2): signal variation énergie cinétique de l'objet observé.
  • Angle d'inclinaison fixé à 4°;
  • Lecture optique, 360 impulsions/tour;
  • Zone de lévitation contrôlée en mode opto, (diode laser + servo contrôleur + bobines à air);
  • Masse principale en rotation : 830 g, équilibrée autour de l'axe de rotation;
  • Masse de l'aimant dans le test montré (objet observé) : 37 g .
Notes :
La vitesse de rotation et d'autres paramètres relatifs à la force centrifuge sont mesurés et calculés par des scripts Scilab ou Matlab.


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.
Ces caractèristiques combinées à la gestion de la pente permettent l'utilisation facile de la gravité pour le déplacement en silence, d'objets.
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).
Il est nécessaire de faire la différence entre les systèmes lourds de grandes puissances (maglev par exemple) et une expérience concernant quelques centaines de grammes sur quelques mètres.
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 peut 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".
 Géometrie du train en test   Géometrie du train en test
Contrôle des "essieux" avant et arrière par 2 canaux séparés, 2 bobines de champs.et 4 capteurs hall. La hauteur de lévitation du gabarit de test intègre le poids à venir de l'électronique et des batteries.


Deuxième étape : nouveau modèle de test autonome plus proche du modèle réel imaginé.


Modele de test autonome.
Vue de coté.du "véhicule", dimensions : 115x63x46 (mm).
Modèle de test (suite)
Vue de coté du "véhicule", en lévitation sur ses " rails".
La hauteur réelle de lévitation est d'environ 10 mm.
Poids total : 445g avec bat. alcalines ou 425 g avec bat. Lithium.
Poids des aimants (4) et bobines (2) : respectivement 82 g et 85 g.
 Modéle réel de train à lévitation magnétique  Test du modèle maison de train levmag
Construction
Les 2 canaux sont alimentés par 2 batteries 9 V (18 V).
Le long fil à gauche est utilisé pour le "ravitaillement en vol" (réglages et mesures).

Les 2 cartes analogiques superposées, dessinées spécialement aux dimensions de ce modèle, constituent le "châssis" du véhicule. L'alimentation est basée sur 3 régulateurs RECOM R-7812-0.5 permettant d'extraire le maximum des 2 batteries 9 volts, l'auto-balance et l'arrêt automatique sont des fonctions qui contribuent également à la longévité des batteries.
Les vertus d'un coéfficient de friction pratiquement nul.
La piste est en deux parties formant 2 pentes opposées ("V" très plat, environ 176°, longueur 65 cm), ce "V" s'écarte de la verticale (iam) donc le trajet est plus long vers la gauche que vers la droite (au premier cycle depuis la partie droite).
Vidéo 700 Ko - 40 s, (.AVI, wmv9)
La durée de l'oscillation n'a pas pu être mesurée, les batteries n'y auraient pas suffit, de plus il est possible qu'une partie infime d'énergie soit transfèrée du guidage transversal au mouvement longitudinal. En utilisant le "ravitaillement en vol" l'amortissement est visible mais encore bien loin d'un "4 roues".



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