Kluczowym osiągnięciem jest w pełni funkcjonalny silnik, który generuje aż 1300 obrotów na minutę. Co istotne, cały mechanizm nie korzysta z żadnych mikrokontrolerów czy skomplikowanych sterowników. Jego działanie opiera się na genialnej w swej prostocie samoregulacji czasowej wykorzystującej podstawowe zjawiska elektromagnetyzmu. To przekonujący dowód, że czasem najskuteczniejsze rozwiązania są jednocześnie najprostsze, a skomplikowane urządzenie nie musi być synonimem nieprzeniknionej skrzynki pełnej tajemniczych podzespołów.
Magnesy, cewki i jeden tranzystor. Serce konstrukcji
Podstawą działania jest rotor z dwoma magnesami neodymowymi o wymiarach 20 na 10 milimetrów, zamocowanymi na osi. Precyzyjne wyważenie tych magnesów ma kluczowe znaczenie, ponieważ nawet minimalna nierównowaga mogłaby skutecznie zablokować ruch całej konstrukcji. Do tego dochodzą dwie ręcznie nawinięte cewki. Pierwsza, napędowa, składa się z około 150 zwojów grubszego drutu miedzianego i generuje pole magnetyczne odpychające magnesy rotora. Druga, znacznie cieńsza cewka czujnikowa, ma za zadanie wykrywanie momentu przejścia magnesu i indukowanie niewielkiego prądu.
Tu kryje się jeden z najfajniejszych momentów edukacyjnych: cewka czujnikowa działa jak miniaturowa prądnica. Zbliżający się magnes zmienia strumień pola magnetycznego, więc w uzwojeniu indukuje się napięcie. To dokładnie ta sama zasada, na której działa dynamo w rowerze – tylko że zamiast zasilać żarówkę, to napięcie staje się sygnałem sterującym. Dzięki temu silnik sam wie, kiedy wirnik jest w odpowiedniej pozycji, by podać kolejny impuls.
Całym tym systemem zarządza pojedynczy tranzystor TIP31C, pełniący rolę automatycznego przełącznika. Gdy cewka czujnikowa wyłapie zbliżający się magnes i wyśle sygnał, tranzystor natychmiast otwiera przepływ prądu z dziewięciowoltowej baterii do cewki napędowej, dając rotorowi kolejny impuls. Ta precyzyjna pętla sprzężenia zwrotnego utrzymuje jednostajny obrót, aż do wyczerpania źródła zasilania. Jak zaznacza twórca, kluczowe jest prawidłowe podłączenie polaryzacji obu cewek – w przeciwnym razie silnik po prostu nie ruszy z miejsca.
W praktyce ten tranzystor robi coś, co w większych układach robią całe moduły: przełącza prąd w odpowiedniej chwili, szybko i wielokrotnie. TIP31C jest tranzystorem mocy (TO-220), więc wybacza więcej niż delikatne elementy sygnałowe, a to ważne, bo przy cewkach pojawiają się krótkie piki napięcia i prądu.
Jeśli ktoś próbowałby podobnych eksperymentów, w dorosłych wersjach takich układów często dodaje się też diodę zabezpieczającą (tzw. flyback) przy cewce napędowej, by łagodniej wyhamować impuls indukowany przy wyłączeniu prądu. To detal, ale pięknie pokazuje, jak z prostego demonstratora robi się konstrukcję bardziej odporną na dłuższą pracę.
Od prędkości do mocy. Praktyczne testy konstrukcji
W podstawowej konfiguracji z dwoma magnesami jednostka osiąga wspomniane 1300 obrotów na minutę, co jest wartością imponującą, ale czysto teoretyczną. Sama wysoka prędkość wirowania nie przekłada się jeszcze na możliwość wykonania użytecznej pracy. Dlatego Jamie zastosował prostą przekładnię redukcyjną w stosunku 3:1. W rezultacie prędkość spadła, ale uzyskany moment obrotowy wzrósł na tyle, że silnik bez problemu wprawił w ruch mały samochodzik zbudowany z klocków.
Eksperymentator poszedł o krok dalej, testując wariant z ośmioma magnesami umieszczonymi na tarczy. Ta modyfikacja obniżyła prędkość do około 480 obrotów na minutę, ale za to znacząco zwiększyła płynność i stabilność pracy, a także moment obrotowy. To doskonała ilustracja tego, jak drobne zmiany w geometrii silnika potrafią diametralnie zmienić jego charakterystykę, przesuwając akcent z prędkości na siłę.
Więcej niż zabawka. Praktyczna lekcja inżynierii
Cały projekt to przede wszystkim znakomity, namacalny materiał edukacyjny. Wizualizuje zasady, które w przemysłowych silnikach ukryte są pod szczelnymi obudowami. Studenci czy pasjonaci mogą tu na żywo zaobserwować interakcję pola magnetycznego z magnesem, działanie sprzężenia zwrotnego i krytyczne znaczenie synchronizacji impulsów. Wszystkie komponenty są powszechnie dostępne i tanie – magnesy neodymowe, drut miedziany czy wspomniany tranzystor to wydatek rzędu kilkudziesięciu złotych, do którego należy dodać zapas klocków LEGO.
Projekt Jamie’ego skutecznie odczarowuje inżynierię, pokazując, że jej podstawy można zgłębiać poza laboratoriami. Wystarczy odrobina ciekawości, podstawowa wiedza i chęć sprawdzenia prostych zasad w praktyce. Oczywiście, nikt nie będzie w ten sposób napędzał prawdziwych pojazdów, ale jako demonstracja fundamentalnych praw fizyki i zachęta do samodzielnego eksperymentowania, ta konstrukcja jest bezcenna. Pokazuje, że nauka może zaczynać się od czegoś tak przyziemnego, jak pudełko kolorowych klocków.