Pendel - EFOQUARZ

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Pendel

 
Galileo Galilei's Pendel entwickelt und hergestellt
von Lajos Bognar

Ausgestellt in Budapest/Ungarn

Der Pendel-Nachbau von Galileo Galilei konnte in die Uhrenausstellung von Ferenc Radvanszky im Iparmüvészeti Muzeum integriert werden und kann dort seit dem 24. Juni 2017 täglich besichtiget werden.

Das Pendel ist die älteste Zeitreferenz - respektive Bestandteil der Zeitmessung und passt somit ideal zu einer Uhrensammlung.

Adresse:
Kastélypark u. 9 – 11
1225 Budapest / Ungarn
Öffnungszeiten: 10.00 – 18.00Uhr
Zielsetzung der Projekt-Arbeit:
Das Ziel meiner Arbeit ist es mit den heute zur Verfügung stehenden Mittel  wie Elektronik, Glasfaseroptik und auch Feinmechanik, ein Pendel nach Galilei zu realisieren.

Angestrebte Spezifikationen:
- Glasfaser als Pendel mit einer Länge von 1 Meter
- LED als Anzeigung mit Richtung der Auslenkung
- Pendel-Rollaufhängung in Polarkoordinaten sowie
- Steuerung und Regelung der Auslenkungsamplitude.


In der vorliegenden Arbeit wird eine von mir neuentwickelte mikromechanische Pendelaufhängevorrichtung vorgestellt. Das Design orientiert sich nach der Rollbewegung in eine sphärisch konkave Rollfläche. Die mechanische Struktur wird in der Aufhängevorrichtung so integriert, dass neben der Auslenkung auch die 360° Rotationsdrehbewegung ohne Hindernisse erfüllt wird. Amplituden der Auslenkung in unserem Aufbau mit Glasfaser wird nur durch die numerische Apertur begrenzt. Die Glasfaser besitzt in unserer Anwendung eine NA 0,22. Somit wird die maximale Auslenkung auf 12° beschränkt. Die Arbeit konzentriert sich auf eine einfache Lösung, welche sich auch realisieren lässt. Dabei kommen analytische Methoden, die eine Rollaufhängung optimal und übersichtlich darstellen lässt, zur Anwendung.

Der erste Teil der Arbeit bezieht sich im Allgemeinen auf den Entwurfsprozess, die Modellierung und die Simulation mikromechanischer Strukturen. Vorgestellt wird die gemeinsame Lösung gekoppelter Felder mit Netzwerkmethode und die Lösung mittels Simulatorkopplung. Ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit untersucht das Rollverhalten mikromechanischer Elemente im engen Bewegungsraum. Es werden verschiedene Möglichkeiten der Polarbewegungen mit Rollelementen realisiert und untersucht.
Eine wichtige Besonderheit gegenüber anderen Lösungsvarianten ist die LED Lichteinkoppelung in die Glasfaser, die gleichzeitig die Pendelbewegung sichtbar macht. Dadurch wird nicht nur die Ausleuchtung der Pendelbewegung visualisiert sondern auch die Aufhängung, die sich stets im Brennpunkt der LED befindet.

Zunächst wird das Schwergewicht im Entwurf auf den mechanischen Aufbau der Aufhängung gelegt, welcher die erforderlichen Bewegungen in Polarkoordinaten ermöglicht. Zudem werden die Elektronik und die technologische Funktion grob vorgestellt, wie der Komponentenentwurf unmittelbar mit der Technologie verknüpft ist und wie das elektromechanische Verhalten im Zusammenhang mit der Steuerelektronik gesehen werden muss

Die enge Verknüpfung von Entwurf und Technologie erfordert ein enges Zusammenwirken von Technologen und Entwerfern. Durch die Weiterentwicklung der technologischen Möglichkeiten ergeben sich neue Freiheitsgrade im Entwurf und durch die Optimierung bestehender Prozesse werden Geometrietoleranzen entscheidend verringert. Ein Überblick der modernen Technologien der Mikromechanik wird deshalb in folgendem Abschnitt ausführlich behandelt. Der Entwurfsprozess in der Mikrosystemtechnik erfolgt wie in der Mikroelektronik rechen-gestützt. Jedoch ist eine vergleichbare Automatisierung und Durchgängigkeit noch nicht erreicht. Man kann sich nur in wenigen Fällen auf bereits validierte Bauelemente aus Bibliotheken abstützen, die eine wichtige Voraussetzung für den automatisierten Entwurf sind.
Sphärisch-Polare Pendel
Sphärische Pendelbewegungen in Polarkoordinaten lassen sich am einfachsten in Kugelkoordinaten beschreiben. Die Pendelbewegung wird innerhalb der Polarkoordinatenebene ausgeführt. Die Pendelaufhängung und auch Pendelbewegung sind in den Polarkoordinaten durch drei sphärische Rollflächen sichergestellt. Position und Auslenkung des Pendels wird durch den grünen LED Lichtstrahl visualisiert.

Der sogenannte Faden zwischen Aufhängepunkt und Pendelkörper besteht aus einer Lichtleiter (Fiberoptik) aus Quarzglas (SiO2). Damit wird die Position des Pendels und dessen Auslenkung ohne Unterbruch angezeigt.
Allgemeines
Wir alle zählen zu den Erdbewohnern und wir bewegen uns alle auf der Erde, und die  Erde dreht sich mit uns einmal in 24 Stunden. In Mitteleuropa beträgt die Breitengradlänge ca. 20`000 km. Demzufolge sind wir einer Erdrotationsgeschwindigkeit von 833 km/h ausgesetzt, ohne dies zu realisieren bzw. wahrzunehmen.

Diese Kraft nennen wir Corioliskraft, welche auf alle sich bewegenden Massen eine bestimmte Auswirkung hat. Benannt ist diese Kraft nach Gaspard Gustave de Coriolis; im Jahre 1835 hat er diese Kraft erstmals mathematisch berechnet. Der Einfluss der Erdrotation auf die Bewegung von Massen wurde erstmals von Isaac Newton untersucht. Frühere Messungen lassen sich bereits im Jahre 1791 von Giovanni Battista Guglielmini aus Bologna nachweisen.

Sind Sie interessiert oder habe Sie Fragen?
Gerne stelle ich die Projektarbeit als PDF zur Verfügung.
Ich freue mich, Ihre Fragen per eMail beantworten zu können.
Lajos Bognar  /   eMail: efoquarz@bluewin.ch

Publikation

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