Недавно друг подарил мне странную игрушку. На коробке была надпись „ЮЛА”. В инструкции было сказано, что это необыкновенная игрушка: если ее привести в движение раз, она будет крутиться без остановки. Кроме информации о пользовании „ЮЛОЙ” в инструкции упоминалось, что принцип „вечного движения” игрушки не противоречит закону сохранения энергии.

Небольшая блестящая юла была сделана в форме диска и стояла в черней цилиндрической коробке, крышка которой была слегка вогнута. Игрушка приводилась во вращательное движение именно на этом вогнутом месте. Запущенная, она вертелась все быстрее и быстрее, потом замедляла движение, через какое-то время снова ускоряла и одновременно проделывала зигзагообразный путь. Юла не проявляла ни ма-лейШегс желания остановиться и все время крутилась, продолжая свой путь.

Не когда мы пытались запустить юлу, вынув ее из черной коробки, например, на столе или на полу, она довольно скоро останавливалась. Да же большая сила запуска не помогала. Следовательно, решил я, юла для вращения получала энергию извне, из таинственной черной коробки. После многих проверок и опытов тайна была разгадана. В юле находился маленький тщательно замаскированный магнит, приклеенный к пластмассовому диску. А в черной коробке находилась девятивсльтная батарея, транзистор и маленькая катушка с сердечником. К катушке вели четыре провода. И это все! Никакого выключателя я не нашел. Батарея была подключена, но если юла не вертелась на коробке, элемент почти не исчерпывался!

Я построил несколько вариантов такой юлы и показывал их в кружках юных техников.
На рис. 1 показана электрическая схема устройства, питающего юлу энергией. На общем сердечнике находятся две катушки L1 и L2. У катушки L1 — назовем ее индуктивной катушкой, витков несколько тысяч. Она соединена с базой и эммитером транзистора (цепь 1). Количество витков катушки Ь« гораздо меньше — всего несколько сот. Она играет роль электромагнита и включена в цепь коллектора (цепь II).

Устройство действует по следующему принципу: юла, приведенная в движение вблизи индуктивной катушки (рис. 1), вызывает в ней переменный ток, имеющий такое же направление и силу, что и ток в цепи I.

Каким образом, спросите вы? Давайте предположим, что к индуктивной катушке приближается полюс С магнита. Значит магнитный поток, пронизывающий катушку, изменится. Возникает электродвижущая сила индукции, и ток в цепи I пойдет в соответствующем направлении. Но транзистор работает своеобразно: если через его базу не протекает ток в определенном направлении, тс в цепи II нет тока, хотя между коллектором и эмиттером есть напряжение. (В таком случае говорят.с заблокированном транзисторе).

Но давайте предположим другое: тек. вызванный приближением полюса магнита, имеет такое направление, что в цепи II может протекать ток. Тогда и транзистор начнет работать. Надо заметить, что сила тока в цепи II намного превышает силу тока в цепи I. Как видно из схемы, в цепи II ток протекает через обмотку электромагнита, т.е. через катушку L2. Электромагнит одним из своих полюсов начинает воздействовать на приближающийся к нему полюс магнита. Полюса электромагнита и обычного магнита при его приближении начинают взаимодействовать. Помните, что в нашем случае это был полюс С, значит, если полюса притягиваются, у электромагнита будет полюс Ю. В тот момент, когда полюс С магнита начнет обгонять катушку L1, сила тока, индуцированного в I цепи, уменьшится до нуля, потом начнет возрастать до определенного уровня, но движение тока будет противоположно направлено. При таком направлении тска в I цепи. — во II цепи ток не протекает, и транзистор порежнему заблокирован.

Поскольку продолжает юла вертеться, прибли зим к катушке магнит полюсом Ю. Индукционный ток в I цепи поддерживает блокировку транзистора, поскольку не меняет своего направления. Транзистор начинает работать, лишь когда полюс Ю обойдет катушку: меняется направление тока. По II цепи, а следовательно, и по катушке электромагнита начинает проходить ток. Верхний полюс электромагнита воздействует на обгоняющий его полюс магнита у юлы. Полюса одноименны — наша юла опять получает кратковременный толчок, и т.д. Чем быстрее вращается юла, тем большей силы ток индуцируется в I цепи, а это вызывает увеличение силы тока во II цепи. Это, в свою очередь, вызывает все более сильное притяжение или отталкивание между полюсами электромагнита и магнита юлы. В конце концов врашение юлы выравнивается-.
Вот мы с вами и раскрыли тайну „вечного” вращения игрушки. Энергия для ее движения пополняется за счет электроэнергии из батарей. И когда энергия иссякнет (а тратится она, кстати, медленно), юла остановится.

Прежде чем приступить к постройке юлы, надо найти сильные оксидные магниты в форме бруска. Оптимальные размеры 8 х 20 х 22 мм, можно взять магнит и 3 х 13 х 39 мм. Намагничены они должны быть вдоль широкой поверхности.
Затем вырежьте из деревянной дощечки толщиной 10 мм кружок диаметром чуть больше длины магнита (рис. 1). На тщательно отшлифованной поверхности кружка точно посередине сверлится отверстие диаметром 6 мм. С одной стороны кружка — симметрично по отношению к отверстию — выпиливают прямоугольный желобок шириной несколько большей ширины магнита и глубиной, минимально превышающей его толщину.

Рис. 1. Деревянная юла
Рис. 2. Юла в пластмассовой коробке. а) способ приклеивания магнита, б) готовая юла с осью.
Рис. 3. Размеры каркаса катушки с сердечником.
Рис. 4. Корпус приводного механизма юлы: а — готовое устройство,
с—b—d — метод размещения катушки и выпарной чашки.

Желобок в деревянном кружке и магнит смажьте тонким слоем клея и вложите магнит в желобок, следя за тем, чтобы магнит был симметричен отверстию в кружке. Остатки клея обязательно смейте тампоном, смоченным денатуратом.
От гладкого и прямого металлического прута диаметром 6 мм стрежь-те кусок длиной оксло 20 мм. Один его конец смажьте клеем и аккуратно вложите в отверстие, не вытолкнув магнита. Это ось нашей юлы. Спустя 2 — 3 часа, когда клей начнет подсыхать, посередине магнита приклейте стальной шарик диаметром не больше 8 мм. На этом шарике и будет, крутиться юла. Когда клей „схватится”, проверьте устойчивость юлы. Приводить ее во врашение на-дс на ровной поверхности, тогда лучше видно, нет ли при движении слишком сильной вибрации. Если вибрация покажется слишком сильной, устраните ее, осторожно перемещая шарик. Пока клей не затвердеет, методом „проб и ошибок” находят такую течку опоры оси юлы, чтобы игрушка вращалась наиболее спокойно.

Как вы понимаете, юла выглядит таинственно тогда, когда не виден магнит. Для этого понадобится пластмассовая цилиндрическая коробка с тонкими стенками и диаметром донышка, приблизительно равным диаметру деревянного кружка. Для этой цели удобна, например, баночка из-под крема. В середине внутренней нижней стенки коробки приклейте магнит (рис. 2). А под магнитом с наружной стороны коробки приклейте стальной шарик диаметром 6—8 мм. К верхней стенке коробки, т.е. к ее крышке, приклеивается деревянная ось. Ось должна иметь слегка конусообразную форму (рис. 2b). Когда клей высохнет, проверьте устойчивость юлы, а если возникнет необходимость, исправьте ошибки так же, как мы это делали с деревянной юлой.

Теперь можно приступить к монтажу электрической схемы, поддерживающей вращение юлы. Для этого нужна двойная катушка с сердечником на 30 мм длиннее катушки. Сердечник делается из так называемых магнитно-мягких материалов, например, из трансформаторной стали или хрупких прутиков ферромагнитной стали (такие прутики используются во внутренних антеннах радиоприемников). Если вам не удастся достать ни того, ни другого, не беда — его можно сделать из обыкновенной стали. В этом случае стержни прокаливают добела, а потом медленно охлаждают до комнатной температуры. Желательно, чтобы диаметр отверстия под сердечник был не больше 8 мм.
На рисунке 3 даны приблизительные размеры каркаса катушки с сердечником. Для каркаса годится даже дерево. Первые 300 витков делаются из медной изолированной обмоточной проволоки не толще 0,45 мм — это катушка L2. Концы провода выводятся наружу. Обмотку предохраните тонкой изоляционной фольгой. Потом обмоточной проволокой толщиной менее 0,1 мм сделайте на катушке L2 обмотку катушки L1 (3000 — 5000 витков). Можно использовать катушки от контакторов с напряжением 220 В и 24 В, такими же размерами их каркасов обе катушки соедините как на рис. 5. Склеивая катушки, надо следить за тем, чтобы их отверстия точно совмещались друг с другом (рис. 5).

Остальные детали электрической схемы — транзистор, полупроводниковый диод, проволока, выключатель. Понадобятся также три плоских батарейки и стеклянная” выпарная чашка диаметром около 125 мм с вогнутым дном. Вместо нее можно взять пластмассовую тарелку, блюдце со слегка вогнутым дном или стекло от большого будильника. Еще зам понадобится лист текстолита или другого похожего материала толщиной 6 мм — для ящика, в котором размещается (рис. 4) электрическая схема и блок питания. Ящик закрывается крышкой, сделанной из того же материала, но толщиной 13 мм.

На всех боках крышки вырезают шипы, посередине — конусообразное отверстие. Это отверстие прикройте выпарной чашкой или пластмассовой тарелкой (см. рис. 4). Катушку в ящике надо расположить так, чтобы она почти касалась выпарной чашки (или тарелки) и чтобы вертикальная ось сердечника катушки приблизительно совпадала с осью, проходящей через середину отверстия в крышке. И еще одно условие: катушка внутри ящика закрепляется таким образом, чтобы можно было регулировать ее положение по отношению к юле, стоящей на тарелке.

Электрическую схему соединяйте в соответствии с рис. 1. Может случиться, что после соединения в схеме появятся самовозбуждающиеся колебания. Они нежелательны, потому что приводят к быстрому расходованию батареи и могут привести к порче транзистора. Эти колебания имеют акустическую частоту, их можно услышать, особенно если к катушке приблизить какой-нибудь металлический предмет или магнит. От них необходимо избавиться, включив в цепь эммитера полупроводниковый диод, что и показано пунктирной линией на рис. 1. Но такой способ (рис. 1) годится лишь тогда, когда вы использовали для электрической схемы транзистор типа n-р-n. Если же вы использовали транзистор типа р-п-р — то подключите полупроводниковый диод наоборот.

Окончив монтаж, запустите юлу на вогнутой поверхности крышки. Игрушка в течение нескольких секунд должна вращаться быстрее и быстрее, потом движение стабилизируется. Может случиться, что вращаться „вечно” юла не захочет, хотя все совершенно точно выполнено по схеме. Поменяйте местами концы индукционной катушки: провод, подключенный к точке А, подсоедините к точке В и наоборот (рис. 1) — и успех обеспечен.

БРОНИСЛАВ ТОКАР
Журнал “Горизонты техники для детей” №1-86г.