Im vorigen Kapitel Mechanismen wurde erkannt, dass in einem Rad nicht statisches Ungleichgewicht für ein fortwährendes Drehen zweckdienlich ist, sondern ´Massezuwachs´ durch freies Fallen einen wesentlichen Impuls ergeben kann. In diesem Kapitel hier soll dieser Gesichtspunkt vertieft werden.
Kreis oder Parabel
In Bild EV GM 30 bei A ist eine Masse (M) eingezeichnet, welche um die Systemachse (SA) kreisförmig geführt werden könnte. Auf dieser Bahn (gestrichelter Kreis) erfährt eine Masse diverse Beschleunigungen und Verzögerungen. Bis zur Position C wird sie in horizontaler Richtung verzögert, in vertikaler aber beschleunigt. Von dort zur Position D wird die vertikale Bewegung wieder verzögert, die horizontale beschleunigt. In der Aufwärtsphase wechseln sich Beschleunigungen und Verzögerungen analog ab.
Wenn diese Masse aber in ihrer obersten Bahnposition in freien Fall übergehen könnte, würde sie natürlich nicht auf einem Kreisbogen nach unten fallen, sondern auf einer parabelförmigen Bahn. Sie behält dabei ihre horizontale Geschwindigkeit bei und wird zugleich gleichförmig beschleunigt in vertikaler Richtung. Bei relativ hoher Anfangsgeschwindigkeit fällt die Masse außerhalb des Vergleichskreises in Richtung G, bei geringerer Anfangsgeschwindigkeit fällt sie zunächst innerhalb des Vergleichskreises, dann außerhalb in Richtung H.
Eine zweckdienliche Bahn ist schematisch bei B dargestellt. Die Masse sollte möglichst lang auf einer Fallkurve (K) innerhalb des Vergleichskreises hinunter fallen. Beim Umlenkung zurück in einen kreisbogenförmigen Bahnabschnitt (L) würde ihre Geschwindigkeit reduziert, womit ein Impuls im Drehsinn des Systems (hier immer gegen den Uhrzeigersinn unterstellt) gegeben ist. Die Masse müsste dann in der Aufwärtsphase (N) an möglichst kurzem Hebelarm, also möglichst nah bei der Systemachse, wieder nach oben geführt werden.
Gleiten und Kippen
Es wurden sehr viele Experimente unternommen und vielerlei ´Perpetuum-Mobile´ wurden bekannt, welche dieses Fallen zumindest teilweise realisierten - und leider sich nicht wirklich fortlaufend bewegten oder gar nutzbare Energie lieferten. In Bild EV GM 31 bei A ist eines der angewandten Prinzipien schematisch dargestellt.
Ein Rotorträger (RT) ist um die Systemachse (SA) drehbar gelagert. Auf dem Rotorträger sind wirksame Massen (M1 und M2) so gelagert, dass sie am Rotorträger hin und her gleiten können. Bei A befinden sich beide Massen jeweils rechts, bei B hat sich der Rotorträger in waagerechte Position bewegt, danach gleiten die Massen auf der schiefen Ebene abwärts und befinden sich bei C jeweils auf der linken Seite.
Der gravierende Nachteil bei diesem Prinzip ist, dass die Masse aus einer zuvor erreichten Höhe wieder zurück in eine tiefere Lage kommt. Dabei geht potentielle Energie der Lage verloren - ohne dass entsprechende kinetische Energie gewonnen wird.
In diesem Bild in der zweiten Zeile (bei D, E und F) ist der Rotorträger (RT) in gleichen Positionen wie oberhalb eingezeichnet. Die Masse (M) wird nun aber durch zwei Hebel (H1 und H2) geführt. Der hintere Hebel (H2) stützt sich auf ein Gelenk (G2), das fest auf dem Rotorträger montiert ist. Der vordere Hebel (H1) stützt sich auf ein Gelenk (G1), das auf dem Rotorträger hin und her gleiten kann.
Im Gegensatz zu vorigem Prinzip, kippt hier die Masse aus ihrer höchsten erreichten Position im Drehsinn nach vorn. Bereits bei waagerechter Stellung (B) des Rotorträgers wird das vordere Gelenk nach links gleiten, kann also die Masse relativ frei nach vorn abwärts fallen.
In diesem Beispiel wäre allerdings bei F das freie Fall schon wieder beendet. Immerhin geht durch dieses Kippen keine potentielle Energie der Lage verloren und wird das freie Fallen frühzeitig eingeleitet.
Schräge Lösung
Wir sind in unserem ´technischen´ Denken sehr beschränkt auf runden Kreise, gerade Linien und rechte Winkel. Es erfordert Anstrengung, um in ´krummen Kurven, schrägen Linien, schiefen Winkeln´ zu denken. Insofern mag das Folgende schwer verständlich, aber ein wesentlicher gedanklicher (Fort-) Schritt sein.
Die Darstellung in Bild EV GM 32 bei A entspricht voriger Konzeption. Die Masse (M) wird geführt durch die beiden Hebel (H1 und H2), die sich auf Gelenke (G1 und G2) abstützen, diese Gelenke sind wiederum auf dem Rotorträger (RT) montiert, welcher sich um die Systemachse (SA) drehen kann.
Anders als bei voriger Konzeption bilden nun die beiden Arme des Rotorträgers einen stumpfen Winkel.
Aus statischer Sicht würde bereits in der bei A dargestellten Position des Rotorträgers das vordere Gelenk nach links weg gleiten, also frühzeitig das Kippen bzw. freie Fallen ausgelöst.
Im dynamischen Ablauf aber würde die Masse aufgrund ihrer Trägheit eine größere Höhe bei B erreichen oder das Freie Fallen erst später bei C einsetzten können.
Um die Bewegungsmöglichkeit zu verdeutlichen, ist bei D diese Position (hinterer Arm des Rotorträgers weist waagerecht nach rechts) nochmals dargestellt. Das vordere Gelenk (G1) kann nach links unten gleiten, womit die Masse nach vorn unten in die Fallkurve eintreten kann. Bei E ist das vordere Gelenk an seinem äußeren Anschlag angekommen, die Masse hat sich relativ nah zur Systemachse hin bewegt (d.h. die Fallkurve kann weit innen im Vergleichskreis liegen).
An dieser Stelle war bei voriger Konzeption das freie Fallen beendet, eigentlich viel zu früh. Darum sollte auch das hintere Gelenk (G2) auf dem Rotorträger gleiten können. Bei F ist die Situation dargestellt, bei welcher das hintere Gelenk an seinem inneren Anschlag angekommen ist. Die Masse hat sich wieder weiter weg von der Systemachse bewegt (d.h. die Masse könnte wieder in Richtung auswärts fallen).
Bewegungsfreiheit
Bei dieser Art Mechanik ist es ähnlich wie in der Strömungslehre: man muss dem Fluid (hier der wirksamen festen Masse) Bewegungsfreiheit einräumen, damit es seinen optimalen Weg selbst bestimmen kann (hier die Fallkurve in Abhängigkeit von der anfänglichen Geschwindigkeit). Nur im entscheidenden Moment muss man die Freiheit begrenzen, um einen gewünschten Effekt erzielen zu können.
In Bild EV GM 33 ist der Rahmen der Bewegungsmöglichkeiten (M) der wirksamen Masse dieser Konzeption abgesteckt.
Die Gelenke (G1 und G2) können gleiten auf ihrem Arm des Rotorträgers, haben aber jeweils einen inneren und äußeren Anschlag. Ausgehend von diesen Punkten sind die beiden Hebel (H1 und H2) in jeweils vier Positionen eingezeichnet. Daraus ergeben sich Grenzpunkte des Bewegungsspielraums (grüne Fläche) der Masse.
Da die Gelenke jede Stellung zwischen ihren Anschlagpunkten einnehmen können, kann die Masse theoretisch jeden Punkt innerhalb dieses Bereiches einnehmen. Durch gestrichelte Linien ist markiert, in welchem Sektor die Masse sich bewegen kann, d.h. der Drehbewegung des Rotorträgers voraus eilen bzw. zurück bleiben kann.
Frei und begrenzt
In Bild EV GM 34 ist diese Konstruktion in diversen ´Grenz-Situationen´ dargestellt. Ausgangspunkt (A) ist die Position des Rotorträgers aus vorigem Bild (der vordere Arm des Rotorträgers (RT) weist nach links, bei etwa 9- bis 8-Uhr). Eingezeichnet ist jeweils der Sektor möglichen Bewegungsspielraums (gestrichelte Linien).
In dieser Ausgangssituation befindet sich die Masse (M) oben rechts, hinten im Sektor des Bewegungsspielraums. Dort oder kurz danach wird das freie Fallen beginnen, durch ein Kippen der Masse nach vorn-unten, ausgelöst bzw. ermöglicht durch das Gleiten des vorderen Gelenks (G1) am seinem Rotorarm nach außen.
Bei B hat dieses Gelenk seinen äußeren Anschlag erreicht, der Rotorträger weist dort etwa nach 7-Uhr. Die Masse ist im System nach vorn gefallen, befindet sich mittig im Bewegungssektor.
Die Masse kann weiterhin frei fallen, weil nun (oder schon etwas früher) auch das hintere Gelenk (G2) an seinem Rotorarm nach unten gleitet. Bei C hat dieses Gelenk seinen inneren Anschlag erreicht. Die Masse ist damit bis zur vorderen Grenze des Bewegungssektors gefallen.
Damit ist das Fallen beendet, die Masse kann nicht mehr schneller fallen als das hintere Gelenk sich abwärts bewegt. Die Masse schwingt um das hintere Gelenk (G2) in Richtung des vorderen Gelenks (G1) und drückt dieses im Drehsinn nach vorn. Die Geschwindigkeit der Masse wird entsprechend reduziert, die Differenz der Geschwindigkeiten wird als Impuls im Drehsinn des Systems wirksam.
Im weiteren Verlauf der Drehung (D) wird die Masse ihre tiefst-mögliche Position einnehmen. Dabei wird auch das vordere Gelenk (G1) wieder zu seinem inneren Anschlag gleiten. Die Masse ist damit wieder mittig innerhalb des Bewegungssektors. Für einen kurzen Moment bewegt sich die Masse auf einer Kreisbahn um die Systemachse, mit den größtmöglichen Radius.
Die Masse will aufgrund Gewichts- plus Trägheitskraft in möglichst tiefer Lage verbleiben. Die Masse übt dabei zunehmend Zugkraft am vorderen Gelenk aus, bzw. die Masse wird bald Druck auf das hintere Gelenk ausüben. Etwa bei Position E wird darum das hintere Gelenk (G2) am Rotorarm nach außen gleiten. Das Gelenk übt also keinen Gegendruck aus, so dass die Masse zurück schwingen wird.
Die Masse wird etwa bei Position F die hintere Grenze des Bewegungssektors erreicht haben. In dieser Stellung wird das Hebelsystem wieder zurück zur obigen Position A drehen. Auch in diesem Abschnitt bewegt die Masse sich also auf einem Kreisbogen um die Systemachse, aber nicht mit maximalem Radius.
Kartoffelbahn
In Bild EV GM 35 sind bei A obige sechs Positionen der Masse und die Kurve der Bewegungsbahn eingezeichnet, etwas roh, etwa wie die Kontur einer Kartoffel.
Bei B ist die Bahn etwas detaillierter, nach den zwölf Bildern der nachfolgenden Animation. Die Abstände zwischen den diversen Punkten entspricht der jeweiligen Geschwindigkeit in diesem Bereich.
Links findet die gleichförmige Beschleunigung des freien Fallens statt. Danach wird unten links die Geschwindigkeit reduziert während der Umlenkung der Fallkurve nach rechts. Durch das anschließende Hinunter-Fallen der Masse auf den tiefsten Punkt und das Einschwenken in die Kreisbahn ergibt unten einen Höcker in der Bahn.
Unten-rechts ist die Geschwindigkeit gering, weil dort das Rückschwingen der Masse statt findet. Danach wird die Masse mit konstanter Geschwindigkeit wieder nach oben geführt. In der Animation ist dieser Bewegungsablauf zu verfolgen, wenngleich nur mit Konzentration auf jeweils einen Teil.
Beim Rückschwingen unten-rechts geht keine potentielle Energie der Lage verloren, weil dieser Prozess auf unterster Ebene abläuft, die Masse auch in dieser Phase sich weiter nach oben bewegt. Allerdings müssen die Hebelverhältnisse optimiert sein, um den negativen Impuls beim Abstoppen des Rückdrehens zu eliminieren (siehe voriges Kapitel).
Fazit
In diesem Kapitel wurden einige Gesichtspunkte aufgezeigt, die bei Experimenten mit selbstdrehender Räder vermutlich noch nicht berücksichtigt waren. Dieses beidseitige Gleiten der Hebelgelenke erst gibt der wirksamen Masse den erforderlichen Spielraum, um tatsächlich frei fallen und maximal mögliche kinetische Energie entwickeln zu können.
Dieser Aspekt soll darum im folgenden Kapitel Fallkurven noch einmal detaillierter untersucht werden.
Natürlich steht immer noch die Frage im Raum, warum sich ein Rad dieser Konzeption überhaupt drehen sollte. Jedermann weiß, dass noch niemals ein fallender Körper auf seine Ausgangshöhe wieder zurück flog. Andererseits wurde in den vorigen Kapiteln erkannt, dass eine ursächliche Kraft durchaus zusätzliche Kräfte bewirken kann. In weiteren Kapiteln wird zu untersuchen sein, ob und wie diese zweckdienlich zu nutzen sind.
Evert / 07.11.2003
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