WO2009127172A1

WO2009127172A1 - Vorrichtung zur umwandlung von potentieller energie in rotationsenergie und umgekehrt

Info

Publication number: WO2009127172A1
Application number: PCT/DE2008/000646
Authority: WO
Inventors: Karl-Heinz Schicker
Original assignee: Karl-Heinz Schicker
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2009-10-22
Also published as: DE112008003908A5

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur Umwandlung von potentieller Energie in Rotationsenergie und umgekehrt beschrieben. Die Vorrichtung (1) enthält einen Drehkörper (2), der um eine Drehachse (3) drehbar gelagert ist und eine Mehrzahl von an seinem Umfang verteilt angeordneten Führungen (4) aufweist, in denen wenigstens je ein Massestück (5) beweglich gelagert ist. Die Führungen (4) definieren Bahnen für die Massestücke (5). Die Vorrichtung (1) weist außerdem Mittel (9, 10, 12) auf, die beim Drehen des Drehkörpers (2) eine ständige Verlagerung der Massestücke (5) in den Führungen (4) erzwingen.

Description

Vorrichtung zur Umwandlung von potentieller Energie in Rotationsenergie und umgekehrt

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von potentieller Energie in Rotationsenergie und umgekehrt sowie zur Speicherung von Rotationsenergie.

Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise im Physikunterricht eingesetzt, um den Lernenden die Umwandlung von potentieller Energie in Rotationsenergie, die eine spezielle Form der kinetischen Energie ist, und umgekehrt zu verdeutlichen. Sie bestehen im einfachsten Fall aus einem Pendel, z. B. einem mittels eines Seils an einem festen Punkt aufgehängten Massestück. Wird das Massestück aus seiner Ruhelage ausgelenkt und dann losgelassen, so führt es unter dem Einfluss der Schwerkraft Schwingungen durch. Hierbei wird ständig potentielle Energie in kinetische Energie und umgekehrt umgewandelt. Befindet sich das Massestück in einem ersten Punkt maximaler Auslenkung, so weist es dort ein Maximum an potentieller Energie auf. Gleichzeitig ist seine kinetische Energie gleich Null. Beim Zurückschwingen wird die potentielle Energie stetig in kinetische Energie umgewandelt, bis diese beim Durch- schwingen durch die Ruhelage ihr Maximum erreicht, während die potentielle Energie entsprechend reduziert ist. Nach dem Durchschwingen durch die Ruhelage findet die umgekehrte Umwandlung statt. Jetzt wird die kinetische Energie des Massestücks stetig in potentielle Energie umgewandelt, bis das Massestück einen zweiten Punkt maximaler Auslenkung erreicht. In diesem Punkt erreicht die potentielle Energie wieder ein Maximum, während die kinetische Energie des Massestücks gleich Null ist.

Zu einer echten Rotation kommt es hierbei allerdings nicht. Hierfür werden vielmehr Vorrichtungen benötigt, die nach Art eines Schwungrades ausgebildet sind, auch zur Speicherung von Rotationsenergie dienen können und daher leicht als dauerhafte Energiespender mißverstanden werden, weil die Pendelbewegung fehlt. Hier könnte eine gezielt angebrachte Unwucht Abhilfe schaffen, um analog zum Pendel die verschiedenen Energiearten zu verdeutlichen.

Vorrichtungen der beschriebenen Art sind für den Anschauungsunterricht nicht immer geeignet, da sie einfach zu verstehen sind und dadurch nicht zu einer tieferen gedanklichen Auseinandersetzung mit dem Thema Energieumwandlung anregen. Normale Schwungräder sind dagegen wenig anschaulich und als Energiespeicher nur begrenzt geeignet.

Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art so zu verbessern, dass sie zu einem komplexeren Verständnis der Energieumwandlung führt und - leichtgängige Lagerungen vorausgesetzt - zu einem auch als Schwungrad nutzbaren Drehkörper führt, bei dem ständige Umwandlungen von potentieller Energie in kinetische Energie (Rotationsenergie) und umgekehrt stattfinden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist Elemente auf, die das Verständnis der Vorrichtung zunächst erschweren, nach einer intensiven gedanklichen Auseinandersetzung mit ihr das Verständnis für die grundsätzlichen Vorgänge bei der Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie und umgekehrt jedoch vertiefen. Außerdem zeigt die Vorrichtung die Grenzen einer dauerhaften Energieerzeugung auf.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläuert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Details der erfindungsgemäßen Erfindung entlang der Linie S-S in Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Vorderansicht eines dritten Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 5 eine der Fig. 2 entsprechende, schematische Schnittansicht einer Einzelheit des Ausfuhrungsbeispiels nach Fig. 4; und

Fig. 6 und 7 je eine Vorderansicht und Seitenansicht eines Begrenzungsmittels der in Fig. 5 dargestellten Einzelheit.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Umwandlung von potentieller Energie in Rotationsenergie, eine Form der kinetischen Energie, und umgekehrt dargestellt.

Die Vorrichtung 1 enthält ein nicht gezeigtes Gestell, in dem ein Drehkörper 2 um eine im Wesentlichen horizontal anzuordnende Drehachse 3 drehbar gelagert ist. Am Umfang des Drehkörpers 2 ist eine Mehrzahl von als Hohlkörper ausgebildeten, radial zur Drehachse 3 angeordneten Führungen 4 verteilt angeordnet und vorzugsweise st arr mit dem Drehkörper 2 verbunden, in denen wenigstens je ein Massestück 5 beweglich gelagert ist. Den verschiedenen Führungen 4 sind zur Kennzeichnung der jeweiligen Position die Großbuchstaben A bis P zugeordnet. Um die Fig. 1 übersichtlich zu gestalten, werden nur die sich an Position A befindende Führung 4 und deren Teile mit Bezugszeichen versehen. Soll auf Teile anderer Führungen Bezug genommen werden, so werden diese mit dem entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Massestücke 5 als Kugeln ausgeführt, die vorzugsweise aus einem Metall hergestellt sind, um sie ausreichend schwer auszubilden.

Die Führungen 4, die beispielsweise aus Vierkanthohlprofilen mit geraden Achsen hergestellt sind, definieren für die darin beweglich gelagerten Kugeln 5 jeweils eine Bahn, die durch eine einen maximalen radialen Abstand zur Drehachse 4 aufweisende erste Endposition und eine einen minimalen radialen Abstand zur Drehachse 3 aufweisende zweite Endposition begrenzt wird. So befindet sich beispielsweise die Kugel 5 in der Führung 4 an Position E in der ersten Endposition und die Kugel in der Führung 4 an Position N in der zweiten Endposition. Die Achsen der Führungen 4 sind im Ausführungsbeispiel sämtlich in einer senkrecht zur Drehachse stehenden Ebene und radial zur Drehachse 3 angeordnet.

Zur Begrenzung der jeweiligen Bahn in der ersten und zweiten Endposition enthalten die Führungen 4 erste und zweite Anschlagmittel 6 und 7 für die Kugeln 5, wobei das jeweils erste Anschlagmittel 6 die erste Endposition und das jeweils zweite Anschlagmittel 7 die zweite Endposition festlegt. Alle ersten Anschlagmittel 6 liegen auf einem gedachten, die Drehachse 3 umgebenden Zylinder mit einem ersten Radius, und alle zweiten Anschlagmittel 7 liegen ebenfalls auf einem gedachten, die Drehachse 3 umgebenden Zylinder mit einem zweiten Radius, wobei beide Zylinder die Drehachse 3 als Mittelachse haben und der erste Radius größer als der zweite Radius ist.

Im Ausführungsbeispiel sind die ersten Anschlagmittel 6 durch Anschlagwinkel gebildet, die an radial von der Drehachse 3 abgewandten Seiten der Führungen 4 angebracht sind. Die zweiten Anschlagmittel 7 sind entweder ebenfalls durch Anschlagwin- kel oder durch Böden gebildet, die auf den radial zur Drehachse 3 hingewandten Seiten der Führungen 4 ausgebildet sind. Außerdem sind die Führungen 4 mit Wänden 8a und 8b versehen, wobei - in einer Betriebsdrehrichtung (Pfeil v) des Drehkörpers 2 betrachtet - die Wände 8a auf einer vorlaufenden Seite und die Wände 8b auf einer nachlaufenden Seite angeordnet sind.

Weiterhin sind in den Führungen 4 Begrenzungsmittel 9 vorgesehen, die an den Innenseiten der in Betriebsdrehrichtung (Pfeil v) vorn liegenden Wänden 8a angebracht und z. B. als schwenkbare Klappen ausgeführt sind. Diese sind an einem von der Drehachse 3 entfernten Ende der Wände 8a schwenkbar gelagert und mittels Gelenk- mittein 10, die in Fig. 1 als schwarze Punkte dargestellt sind, um eine im Wesentlichen zur Drehachse 3 parallele Achse schwenkbar. Die Länge der Klappen 9 ist so gewählt, dass ihre Schwenkbewegung nicht behindert wird, solange sich die in der betreffenden Führung 4 angeordnete Kugel 5 in der zweiten Endposition oder einer dieser nahe liegenden Position befindet (vgl. z. B. Position H). In dieser Position der Kugeln 5 können die Klappen 9 eine Schwenkbewe- gung aus derjenigen Lage heraus, in der sie an den Wänden 8a der Führungen 4 anliegen (vgl. z. B. Position G), unter dem Einfluss der Schwerkraft zur gegenüberliegenden Wand 8b der Führungen 4 hin (vgl. z. B. Position H) durchführen, ohne daran von den betreffenden Kugeln 5 gehindert zu werden. Nach dem Ausführen einer solchen Schwenkbewegung erstrecken sich die Klappen 9 über den Querschnitt der Führungen 4. Sie begrenzen dadurch die Bewegung der Massestücke 5 radial auswärts, d. h. hindern diese am Erreichen der Anschlagmittel 6.

In Fig. 2 ist eine schematische Schnittdarstellung einer in Fig. 1 dargestellten Führung 4 entlang der Linie S-S gezeigt. Hieraus ist ersichtlich, dass die am Drehkörper 2 angeordneten Führungen 4 bzw. deren Wände 8a, 8b eine mittig verlaufende Ausnehmung 11 aufweisen, die sich, ausgehend von demjenigen Ende der Führungen 4, an dem die ersten Anschlagmittel 6 angeordnet sind, über eine bestimmte Länge in die Richtung der zweiten Anschlagmittel 7 erstreckt.

Aus Fig. 2 ist weiterhin erkennbar, dass sich die Begrenzungselemente bzw. Klappen 9 und die Gelenkmittel 10 nur über einen auf einer Seite der Ausnehmung 11 liegenden Teil der Führungen 4 erstrecken. Alternativ wäre es aber auch möglich, auf der anderen Seite der Ausnehmung 11 entsprechende Klappen 9 und Gelenkmittel 10 vorzusehen. Für die Zwecke der Erfindung ist weniger die spezielle Form als die weiter unten erläuterte Funktion der Klappen 9 bedeutsam.

Zur Vereinfachung der weiteren Beschreibung der Vorrichtung 1 ist in Fig. 1 ein feststehendes Koordinatensystem mit einer mit X bezeichneten X-Achse und einer mit Y bezeichneten Y-Achse dargestellt, dessen Z- Achse in der Drehachse 3 liegt. Die römi- sehen Ziffern I bis IV bezeichnen die vier Quadranten dieses Koordinatensystems. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 enthält ferner ein dem Drehkörper 2 stationär zugeordnetes, zur Einwirkung auf die Kugeln 5 bestimmtes, unterhalb des Drehkörpers 2 angeordnetes Betätigungselement 12, welches im Ausführungsbeispiel als ein auf Rollbandscheiben 13, 14 beweglich angeordnetes, endloses Rollband ausgeführt ist, das ein oberes Teil (Trum) 15a und ein unteres Teil (Trum) 15b aufweist. Die Rollbandscheiben 13, 14 sind mittels im Wesentlichen parallel zur Drehachse 3 angeordneter Lagerachsen 16, 17 gehalten und derart angeordnet, dass das Teil 15a des Betäti- gungsgelements 12 gerade, oben, dem Drehkörper 2 zugewandt und auf einer im Wesentlichen zur X-Achse parallelen Linie angeordnet ist. Das Betätigungselement 12 ist bezüglich des Drehkörpers 2 und unterhalb von diesem so angeordnet, dass es mit seinem oberen Teil 15a und radial von außen her in die Ausnehmungen 11 einer Mehrzahl von Führungen 4 eingreift, die sich gerade in einem unteren Bereich des Drehkörpers 2 befinden, und die darin gelagerten Kugeln 5 entgegen der Schwerkraft in einer Zwischenposition hält. Der radiale Abstand des Teils 15a von der Drehachse 2 und die radiale Länge der Ausnehmungen 11 sind dabei so gewählt, dass zumindest die Kugel 5 der in der tiefsten Stellung befindlichen Führung 4 vom Teil 15a in einer Zwischenposition gehalten wird, in der die zugehörige Klappe 9 frei verschwenkt werden kann, ohne von der betreffenden Kugel 5 behindert zu werden (vgl. z. B. Position H). Zweckmäßig erstreckt sich das obere Teil 15a über einen mehrere Führungen 4 erfassenden Übergangsbereich zwischen dem III. und IV. Quadranten.

Im Folgenden wird die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand von Fig. 1 beschrieben, wobei eine kontinuierliche Drehung des Drehkörpers 2 in der Betriebsdrehrichtung (Pfeil v) vorausgesetzt und ein voller Umlauf einer der Führun- gen 4 betrachtet wird.

Die Kugel 5, die in der an Position A (II. Quadrant) befindlichen Führung 4 gelagert ist, wird durch die auf sie wirkende Schwerkraft in der zweiten Endposition gehalten, die durch den Boden 7 der Führung 4 festgelegt wird. Die Klappe 9 wird ebenfalls durch die Wirkung der Schwerkraft in einer Schwenkposition gehalten, in der ihr freies Ende an der Wand 8a der Führung 4 anliegt. Aufgrund der Drehung des Drehkörpers 2 gelangt die sich vorher in der Position A befindende Führung 4 allmählich in den Bereich der Position D, wobei sie von dem II. Quadranten in den III. Quadranten übertritt. Hierbei wird die Kugel 5 durch die Wirkung der Schwerkraft von der zweiten Endposition in die durch die Anschlagwinkel 6 definierte erste Endposition bewegt und dort wiederum durch die auf sie wirkende Schwerkraft gehalten. Die Klappen 9 sowie die Gelenkmittel 10 sind dabei so ausgeführt, dass sie die Bewegung der Kugeln 5 von der zweiten in die erste Endposition auf den durch die Führungen 4 vorgegebenen Bahnen nicht behindern (vgl. z. B. Position D).

Im weiteren Verlauf der Drehung des Drehkörpers 2 durchläuft die sich vorher in der Position D befindende Führung 4 allmählich den Quadranten III und gelangt nachfolgend in den Quadranten IV. Kurz vor dem Verlassen des Quadranten III gelangt der obere und dem Drehkörper 2 zugewandte Teil 15a des Betätigungselements 12 in die Ausnehmung 11 (vgl. Fig. 2) der Führung 4 (Position G). Dadurch wird die darin gelagerte Kugel 5 in derjenigen Position gehalten, die sie gerade relativ zur Y-Achse erreicht hat. Bei der weiteren Drehung des Drehkörpers 2 gelangt diese Kugel 5 aufgrund der sich weiterdrehenden, betreffenden Führung 4 in dieser radial weiter nach innen bis in eine der zweiten Endposition nahe Zwischenposition (z. B. Position H). Daher kann die zugeordnete Klappe 9 im Bereich der Position H bzw. beim Übertritt einer Führung 4 vom III. in den IV. Quadranten von der Schwenkposition, in der ihr freies Ende an der vorlaufenden Wand 8a anliegt, durch Wirkung der Schwerkraft in eine Schwenkposition schwenken, in der das freie Ende der Klappe 9 an der nachlaufenden Wand 8b der Führung 4 anliegt, so dass sich die Klappe 9 dadurch über den Querschnitt der zugehörigen Führung 4 erstreckt. Die Klappen 9 und das Betätigungselement 12 wirken hierbei so zusammen, dass die im Bereich der Position H stattfindenden Schwenkbewegungen der jeweiligen Klappen 9 nicht durch die von dem Betätigungselement 12 in Zwischenpositionen gehaltenen Kugeln 5 behindert werden.

Im Verlauf der weiteren Drehung des Drehkörpers 2 in Betriebsdrehrichtung (Pfeil v) gelangt die Führung 4 und damit die darin gelagerte Kugel 5, die sich zuvor in Position H befunden hat, allmählich an eine zwischen den Positionen I und J liegende Stelle im IV. Quadranten, an dem die Kugel 5 nicht mehr von dem oberen Teil 15 des Betätigungselements 12 in einer Zwischenposition gehalten wird, da das Teil 15 in diesem Bereich allmählich wieder aus den Ausnehmungen 11 heraustritt (vgl. z. B. Position I). Die Kugel 5 bewegt sich jetzt aufgrund der Schwerkraftwirkung in eine durch die Klappe 9 festgelegte, radial weiter außen liegende Zwischenposition, die allerdings einen beträchtlichen Abstand von der ersten Endposition hat. Anders ausgedrückt übernimmt an dieser Stelle die mit ihrem freien Ende an der Wand 8b anliegende Klappe 9 das Halten der Kugel 5 in einer Zwischenposition, d. h. die Klappe 9 verhindert, dass die Kugel 5 aufgrund der auf sie wirkenden Schwerkraft in die durch die Anschlagmittel 6 festgelegte erste Endposition zurückkehrt. Nach dieser Stelle, spätestens jedoch an der Position J greift das Betätigungselement 12 nicht mehr in die Ausnehmung 11 (vgl. Fig. 2) der jeweiligen Führung 4 ein.

Bei der weiteren Drehung des Drehkörpers 2 gelangt die Führung 4, die sich zuvor an der Position J befunden hat, allmählich in die Position L, in der ein Übertritt der Führung 4 aus dem Quadranten IV in den Quadranten I erfolgt. Während dieses Übertritts wird die Kugel 5 durch die auf sie wirkende Schwerkraft aus der durch die Klappe 9 festgelegte Zwischenposition in die zweite, durch den Boden 7 festgelegte Endposition bewegt und dort gehalten. In der Position L liegt die Klappe 9 weiterhin mit ihrem freien Ende an der Wand 8b an.

Im Laufe der weiteren Drehung des Drehkörpers 2 gelangt die sich zuvor in der Position L befindende Führung 4 allmählich in der Position P, wobei hier ein Übertritt vom I. in den II. Quadranten erfolgt. Im Laufe der Bewegung der Führung 4 von der Position L zur Position P wird die darin beweglich gelagerte Kugel 5 durch die auf sie wirkende Schwerkraft ständig in der zweiten, durch den Boden 7 festgelegten Endposition gehalten. Dagegen schwenkt die Klappe 9 - ebenfalls unter dem Einfluss der Schwerkraft - im Laufe dieser Bewegung allmählich in die Schwenkposition zurück, in der ihr freies Ende an der Wand 8a anliegt. Erreicht die sich vormals an Position P befindende Führung 4 im Laufe der weiteren Drehung des Drehkörpers 2 allmählich die Position A, wobei sich die Schwenkposition Oder Klappe 9 nicht ändert und die Kugel 5 weiterhin in der zweiten Endposition verbleibt, so ist die zur Beschreibung der Funktionsweise der Vorrichtung 1 als Ausgangsposition gewählte Position A wieder erreicht.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 19 gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausfuhrungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten dadurch, dass die Führungen 4 keine Klappen 9 und keine Gelenkmittel 10 aufweisen, dass die Vorrichtung 1 zusätzlich eine stationäre Tragschiene 20 enthält und dass das Betätigungselement 12 nicht waagerecht, unterhalb des Drehkörpers 2 angeordnet ist, sondern sein oberes Teil 15a sich schräg zur Horizontalen und seitlich vom Drehkörper im Bereich von dessen IV. Quadranten erstreckt, wobei wiederum angenommen ist, dass die Drehachse 3 beim Betrieb der Vorrichtung 1 horizontal verläuft. Das Teil 15a erstreckt sich daher von links unten nach rechts oben und greift dabei in die Ausnehmungen 11 (Fig. T) wenigstens einiger Führungen 4 ein (vgl. in Fig. 3 die Positionen I, J und K). Dadurch werden die darin gelagerten Kugeln 5 in Zwischenpositionen bewegt, in diesen gehalten und daran gehindert, in die erste Endposition zurückbewegt zu werden. Das Betätigungselement 12 ist hierbei - ebenso wie in der in Fig. 1 gezeigten Ausfuhrung - stationär angeordnet und z. B. fest an dem Gestell angebracht. Im Unterschied zu Fig. 1 werden die Kugeln 5 allerdings nicht nur in einer bestimmten Höhe bezüglich der Y-Achse gehalten, sondern vom Betätigungselement 12, ausgehend z. B. von der Position H, in einer höheren Lage innerhalb der betreffenden Führung 4 gebracht (z. B. Position I).

Die Tragschiene 20 ist in Drehrichtung v des Drehkörpers 2 hinter dem Betätigungselement 12 angeordnet, an durch Bezugszeichen 21 angedeuteten Gestellteilen der Vorrichtung 19 befestigt und im Wesentlichen über den ganzen ersten Quadranten I erstreckt. Sie ist vorzugsweise in der Form eines Zylinderringsegments ausgeführt und mit einer äußeren, längs einer Zylinderfläche verlaufenden Führungsfläche 20a versehen, deren Mittelachse mit der Drehachse 3 zusammenfällt. Die Tragschiene 20 ragt analog zum Betätigungselement 12 mit dieser Zylinderfläche in weitere, nicht gezeigte Ausnehmungen, die von den Böden bzw. Anschlagmitteln 7 aus in den Führungen 4 bzw. deren Wänden 8a, 8b ausgebildet sind. Dabei ragt die Führungsfläche 20a so tief in die Führungen 4 hinein, dass die Kugeln 5 im I. Quadranten daran gehindert werden, aus den am Ende des IV. Quadranten erreichten Zwischenposition heraus in die zweiten Endpositionen zu gelangen. Das ist erst am Ende des ersten Quadranten etwa bei der Position P möglich. Im Gegensatz zum Betätigungselement 12 wirkt die Tragschiene 20 von einer radial innen liegenden Seite her auf die Kugeln 5 ein. Der Radius der äußeren Führungsfläche 20a der Tragschiene 20 kann so bemessen sein, dass die Kugeln 5 ihre z. B. in der Position K erreichte Zwischenstellung beibehalten, oder auch etwas kleiner sein, wie Fig. 3 zeigt. Außerdem kann die Tragschiene 20 sich über einen Bereich erstrecken, der auf beiden Seiten etwas über das zugewandte Ende des vierten bzw. zweiten Quadranten hinausragt, bzw. diese Enden überlappen.

Die Betriebsweise der Vorrichtung 19 nach Fig. 3 ist im Wesentlichen dieselbe wie die oben beschriebene Betriebsweise der Vorrichtung 1 nach Fig. 1. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ergeben sich auch hier für die Kugeln 5 bei einer vollen Umdrehung des Drehkörpers 2 zahlreiche Lageänderungen mit entsprechenden Auswirkungen auf die potentielle Energie der Kugeln 5 und die Rotationsenergie bzw. das Trägheitsmoment des Drehkörpers 2.

Im Folgenden wird die Funktion der in der Fig. 3 dargestellten Vorrichtung 19 beschrieben, wobei eine kontinuierliche Dehnung des Drehkörpers 2 in der Betriebsdrehrichtung (Pfeil v) vorausgesetzt und ein voller Umlauf einer der Führungen 4 betrachtet wird.

Die Kugel 5, die in der an Position A (II. Quadrant) befindlichen Führung 4 gelagert ist, wird durch die auf sie wirkende Schwerkraft in der zweiten Endposition gehalten, die durch den Boden 7 der Führung 4 festgelegt wird.

Aufgrund der Dehnung des Drehkörpers 2 gelangt die sich vorher in der Position A befindende Führung 4 allmählich in den Bereich der Position D, wobei sie von dem II. Quadranten in den III. Quadranten übertritt. Hierbei wird die Kugel 5 durch die Wirkung der Schwerkraft von der zweiten Endposition in die durch die Anschlagwinkel 6 definierte erste Endposition bewegt und dort wieder um durch die auf sie wirkende Schwerkraft gehalten.

Im weiteren Verlauf der Drehung des Drehkörpers 2 durchläuft die sich vorher in der Position D befindende Führung 4 allmählich den Quadranten III und gelangt nachfolgend in den Quadranten IV. Kurz vor dem Eintreten des Quadranten IV gelangt der obere und dem Drehkörper zugewandte Teil 15a des Betätigungselements 12 in die Ausnehmung 11 (vgl. Fig. 2) der Führung 4 (Position H). Im Laufe der weiteren Drehung des Drehkörpers 2 wird dadurch diese Kugel 5 in der betreffenden Führung 4 radial nach innen in eine zwischen der ersten und zweiten Endposition liegende Zwischenposition bewegt. Diese Zwischenposition erreicht einen minimalen Abstand zur zweiten Endposition, wenn die betreffende Führung 4 senkrecht auf dem Teil 15a des Rollbandes steht. Im weiteren Verlauf der Drehung des Drehkörpers 2 nimmt der radiale Abstand der Zwischenposition zur zweiten Endposition wieder ab (vgl. z. B. Position K), bis die Kugel 5, wenn die sie führende Führung 4 den Eingriffsbereich des Rollbandes wieder verlässt, durch die Schwerkraftwirkung wieder in Richtung der ersten Endposition belegt wird.

Durch die weitere Dehnung des Drehkörpers 2 tritt die Führung 4, die sich zuvor noch im Eingriffsbereich des Betätigungselements 12 befunden hat (vgl. Position K), allmählich vom IV. Quadranten in den I. Quadranten über. Damit gelangt die Führung 4 in den Eingriffsbereich der Tragschiene 20, die im I. Quadranten in die weiteren Ausnehmungen der Führungen 4 eingreift. Die Tragschiene 20 verhindert dadurch, dass die betreffenden Kugeln 5 in den zugehörigen Führungen mittels Schwerkraft in die zweite Endposition bewegt werden. Im I. Quadranten werden die Kugeln 5 daher mittels Schwerkraft nur in eine durch die Tragschiene 20 definierte Zwischenposition bewegt und in dieser gehalten. Im weiteren Verlauf der Drehung des Drehkörpers 2 tritt die Führung 4, die sich zuvor noch im Eingriffsbereich der Tragschiene 20 befunden (z. B. Position N) allmählich in den II. Quadranten über (vgl. Position P).

Beim Übertreten in den II. Quadranten und somit bei Verlassen des Eingriffsbereichs der Tragschiene 20, wird die in der betreffenden Führung 4 geführte Kugel 5 aufgrund der Schwerkraft wieder in die erste Endposition bewegt und dort gehalten. Nach dem Erreichen der Position A beginnt der beschriebene Funktionsablauf von vorn.

Das in Fig. 4 bis 7 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Es unterscheidet sich von diesem durch eine im Übergang vom I. zum II. Quadranten angeordnete Führungsschiene 23, die ähnlich wie die Tragschiene 20 an nicht dargestellten Gestellteilen befestigt ist. Die Führungsschiene 23 greift wie die Tragschiene 20 von der Seite der Anschlagmittel 7 aus in die Führungen 4 ein. Wie schematisch in Fig. 5 dargestellt ist, sind die Wände 8a und 8b der Führungen 4 im Wesentlichen H-förmig ausgebildet und zusätzlich zu den von den Anschlagmitteln 6 her eingearbeiteten Ausnehmungen 11 mit von den Anschlagmitteln 7 her eingearbeiteten, weiteren Ausnehmungen 1 Ia versehen, die von den Ausnehmungen 11 durch einen schmalen Quersteg 24 getrennt sind. Ferner sind die Führungen 4 mit je einem zweiten Begrenzungsmittel 25 versehen, das vorzugsweise ebenfalls als schwenkbare Klappe ausgebildet ist. Diese Klappen 25 sind an den Gelenkmitteln 10 gegenüber liegend, wiederum als schwarze Punkte dargestellten, zweiten Gelenkmitteln 26 schwenkbar an den vorlaufenden Wänden 8a befestigt. Wie insbesondere Fig. 6 und 7 zeigen, sind die Klappen 25 durch Elemente 27, die über die Gelenkmittel 26 und die im Bereich der Anschlagmittel 7 zumindest teilweise offenen Führungen 4 hinausragen, mit Verlängerungen versehen. Diese Elemente 27 bzw. Verlängerungen sind schwerer als die Klappen 25 und stellen Gewichte dar, mittels derer vorgewählte Klappenstellungen erreichbar sind.

Die Wirkungsweise der Führungen 4 nach Fig. 5 bis 7 ergibt sich insbesondere aus Fig. 4 wie folgt: Wenn die Führungen die Position P erreichen, gelangen sie in den Wirkungsbereich der in die Ausnehmungen IIa (Fig. 5) eintretenden Führungsschiene 23, die gegenüber der X-Achse z. B. um wenige Grad nach unten geneigt ist. Dadurch werden die zugehörigen Kugeln 5 in den Positionen A und B daran gehindert, sich in Anlage mit den Anschlagmitteln 7 aufgrund ihrer Schwerkraft nach unten zu bewegen. Sie behalten vielmehr ihre bei der Position P erreichte Höhenlage im Wesentlichen bei, bis etwa die Position B erreicht ist. Die Klappen 25 liegen in der Position P und A, gehalten durch die zugehörige Kugel 5, an den Wänden 8a an. Beim Übergang zur Position B gleiten die Kugeln 5 von den Klappen 25 radial nach außen ab, so dass diese unter der Wirkung der Elemente bzw. Gewichte 27 um die Gelenkmittel 26 verschwenkt werden und dadurch die Bewegungsbahnen der Kugeln 5 nach innen hin begrenzen. Beim Weiterdrehen des Drehkörpers 2 können die Kugeln 2 daher allenfalls bis etwa zur Mitte der Führungen 4 zurückrollen (Position C).

Ab etwa der Position D führen die Kugeln 5 die anhand der Fig. 1 beschriebenen Bewegungen durch. Dadurch werden die Klappen 25 wieder frei gegeben, so dass sie etwa ab der Position F, wie dort durch eine punktierte Linie angedeutet ist, aufgrund der Wirkung der Elemente bzw. Gewichte 27 wieder bis zur Anlage an die Wände 8a zurückschwenken können. Ab dort bleibt die Lage der Klappen 25 dann weitgehend unverändert, wie in Fig. 4 schematisch nur an der Position K angedeutet ist. Dabei ist die Anordnung so getroffen, dass die Klappen 25 etwa bis zur Position L durch die Elemente 27 in Anlage mit den Wänden 8a gehalten werden, so dass die Kugeln 5 im Anschluss daran bis zu den Anschlagmitteln 7 zurückrollen können.

Ein Vorteil der beschriebenen, zweiten Klappen 25 besteht entsprechend Fig. 4 darin, dass die Kugeln 5 bereits im II. Quadranten ein gegenüber Fig. 1 vergrößertes Drehmoment auf den Drehkörper ausüben können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in vielfältiger Weise dazu eingesetzt werden, Lernende und/oder technisch Interessierte zu einer gedanklichen Auseinandersetzung mit der Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie und umgekehrt anzuregen. Die grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen potentieller Energie und Rotationsenergie als Sonderfall der kinetischen Energie sowie die diese beschreibenden physikalischen Gesetze werden als bekannt vorausgesetzt und daher nicht näher erläutert.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Die Vorrichtungen 1, 19 können z. B., wenn sie gezeigt und/oder ausgestellt werden, von einem für einen Betrachter nicht unmittelbar sichtbaren Antrieb, beispielsweise einem Elektromotor, angetrieben werden, so dass beim Betrachter des sich drehenden Drehkörpers 2 der Eindruck entsteht, als bewege sich dieser, ohne dass den Vorrichtungen 1, 19 von außen Energie zugeführt wird. Weiterhin können die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1, 19 in vielerlei Dimensionen und Abmessungen gefertigt werden. Sie können insbesondere auch zur Speicherung von Rotationsenergie eingesetzt werden. Hierzu kann die Drehachse 3 der Vorrichtungen 1, 19 ggf. unter Zwischenschaltung eines nicht gezeigten Getriebes mit einem ebenfalls nicht gezeigten Antrieb, beispielsweise über eine Zapfwelle eines Traktors, mit einem Verbrennungsmotor verbunden werden. Der Verbrennungsmotor kann den Drehkörper 2 beschleunigen und so eine bestimmte Energiemenge in den Vorrichtungen 1, 19 speichern. Zur Entnahme von Energie aus den "aufgeladenen" Vorrichtungen 1, 19 können diese, ggf. unter Zwischenschaltung eines Getriebes, mit einer Rotationsenergie benötigenden Maschine, beispielsweise einer Pumpe, verbunden werden. In diesem Fall wird in den Vorrichtungen 1, 19 gespeicherte Energie in Form von mechanischer Energie an die Pumpe od. dgl. abgegeben, die dadurch Arbeit verrichten kann. Außerdem können einzelne oder mehrere Teile der Vorrichtungen 1, 19 mit einer reibungsvermindernden Oberfläche ausgestattet werden, um dadurch vermeidbare Verluste, insbesondere Reibungsverluste zu reduzieren. Weiter ist es mit besonderem Vorteil möglich, das Betätigungselement 12 bzw. dessen oberes Trum 15a, die Tragschiene 20 und die Führungsschiene 23 als Schienen mit V-förmigen Querschnitten auszubilden, in denen die Kugeln 5 mit sehr geringer Reibung laufen. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden können.

Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Umwandlung von potentieller Energie in Rotationsenergie und umgekehrt, enthaltend:

a. einen Drehkörper (2), der um eine im wesentlichen horizontal anzuordnende Drehachse (3) drehbar gelagert ist und eine Mehrzahl von an seinem Umfang verteilt angeordneten Führungen (4) aufweist, in denen wenigstens je ein Massestück (5) radial beweglich gelagert ist, wobei die Führungen (4) vorbestimmte Bahnen mit je einer ersten und zweiten Endposition für die Massestücke (5) definieren, wobei die jeweils erste Endposition einen größeren radialen Abstand von der Drehachse (3) als die zweite Endposition hat und wobei die Massestücke (5) beim Drehen des Drehkörpers (2) um die Drehachse (3) in Abhängigkeit von seiner Drehstellung durch Schwerkraft abwechselnd in die erste Endposition (III. Quadrant) und in die zweite Endposition (II. Quadrant) bringbar sind,

b. ein dem Drehkörper (2) stationär zugeordnetes, zur Einwirkung auf die Massestücke (5) bestimmtes Betätigungselement (12), das die Massestücke (5) in Abhängigkeit von der Drehstellung des Drehkörpers (2) in zwischen der ersten und der zweiten Endposition befindlichen Zwischenpositionen hält oder in solche bringt, und

c. den Führungen (4) zugeordnete Begrenzungsmittel (9, 20), die in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich des Drehkörpers (2) (IV. Quadrant oder I. Quadrant) eine Überfuhrung der Massestücke (5) aus den Zwischenpositionen in die erste oder zweite Endposition verhindern, bevor die Massestücke (5) beim Weiterdrehen des Drehkörpers (2) durch Schwerkraft in die zweite Endposition (II. Quadrant) und dann wieder in die erste Endposition (III. Quadrant) gelangen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungen (4) Ausnehmungen (11) aufweisen, in die das Betätigungselement (12) eingreift.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (12) als ein auf Rollbandscheiben (13, 14) beweglich angeordnetes Rollband (15) ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungen (4) als Vierkanthohlprofile ausgeführt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile gerade Bahnen definieren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile radial zur Drehachse (3) angeordnete Achsen aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnen durch Anschlagmittel (6, 7) begrenzt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollband (15) ein oberes, in die Ausnehmungen (11) eingreifendes Trum (15a) enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Trum (15a) unterhalb des Drehkörpers (2) in einem Übergangsbereich zwischen dem III. und IV. Quadranten und bei horizontal angeordneter Drehachse (3) ebenfalls im wesentlichen horizontal angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungselemente an den Führungen (4) angebrachte, schwenkbare Klappen (9) sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Trum (15a) seitlich vom Drehkörper (2) im IV. Quadranten und bei horizon- tal angeordneter Drehachse (3) schräg zur Horizontalen angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungen (4) weitere Ausnehmungen aufweisen und dass die Begrenzungselemente stationär und im I. Quadranten angeordnet sind und in die weiteren Ausnehmungen eingreifen.

5 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungselemente zu einer kreiszylinderförmigen Führungsfläche (20a) einer Tragschiene (20) zusammengefasst sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass 10 die Massestücke (5) als Kugeln (5) ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (5) aus Metall hergestellt sind.

15 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens ein reibungsvermindernd behandeltes Teil aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungen (4) weitere Ausnehmungen (IIa) aufweisen und dass im Bereich des 0 II. Quadranten eine in die weiteren Ausnehmungen (lila) eingreifende, stationäre Führungsschiene (23) vorgesehen ist, die die Massestücke (5) in den Führungen (4) radial nach außen drückt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass den Führungen (4) 5 weitere, mit der Führungsschiene (23) zusammenwirkende Begrenzungsmittel (25) zugeordnet sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (12) und/oder die Tragschiene (20) und/oder die Führungs- 0 schiene (23) aus einer Schiene mit V-förmigem Querschnitt besteht.