做個能懸浮3分鐘的磁懸浮陀螺
石斧創客，只做有趣的。
本文可以學到：
1.如何製作一個懸浮3分鐘的磁懸浮陀螺
上個周末石斧創客編輯參加了上海創客嘉年華，看到一個展位上有磁懸浮燈泡和磁懸浮耳機，很喜歡。
展位上這種磁懸浮屬於有源磁懸浮，原理上應該是有一個電路反饋，檢測到物體偏離了平衡位置時，就調節電磁鐵的電流，使得物體保持在懸浮點。
不過即使是這樣的成熟產品也不是特別抗干擾，如果有外力擾動的話會掉下來，然後還要費些力氣才能重新調整到懸浮位置，目前廠商聯繫了物理、工程屆不少專家學者在攻克這個穩定性問題。
這種有源磁懸浮相對比較複雜，今天我們先介紹一種無源的排斥磁懸浮，也被稱為磁懸浮陀螺。
市面上有不少這類磁懸浮陀螺玩具，不過穩定區域面積很小，陀螺重量必須精確調整，環境溫度變化時陀螺重量也必須隨時調整。
使用時在磁力作用下轉陀螺也是需要技巧的。即使是做好的現成玩具往往也要調近1小時才能找到竅門。
1842年英國數學家恩紹（Samuel Earnshaw）提出了恩紹定理(Earnshaw』s theorem) ，從這個定理出發可以推得，無法通過靜態磁力實現穩定的磁懸浮。
這個定理有一些「例外」情況。
雖然排斥磁懸浮非常不穩定，下方的磁鐵會對上方磁鐵產生一個力矩，讓上邊的磁鐵翻轉。
不過如果讓上面的磁鐵繞豎直的軸自轉的話，下方磁鐵產生的力矩就只會讓上面的磁鐵發生進動，而不會翻轉過來。
今天，我們就一起來看看怎麼製作這種磁懸浮陀螺的。
材料和工具清單
- 小木棍/木銷釘（直徑1/4英寸多， 約6.56mm）
- 塑料碗（蓋在大磁鐵上）
- 絕緣膠布
- 陀螺配重用銅和膠墊圈（最終只用了一個1.3mm厚度 32mm直徑的墊圈）
- 一塊無磁性平板，塑料板或銅板
- 環形大磁鐵
- 從金屬座里拆下來的、用作陀螺的磁鐵一個（碗磁鐵，也叫cup magnet）
之所以需要塑料碗，是為了把大磁鐵蓋住。因為調試配重要很多次嘗試，即使是配好重、完美平衡的陀螺最後也會落下來。
小磁鐵掉下來撞到大磁鐵上的話可能會掉渣，這樣會使得精心調整過的重量發生變化。
塑料碗的另一個作用是調整陀螺和大磁鐵之間的距離，放到塑料碗頂部的平板上後，陀螺所在高度位置應該是這樣一個點。
在這個點上大磁鐵對陀螺的斥力開始消失，引力作用開始顯現，而在塑料碗這個調好位置的點上轉陀螺，陀螺軸會保持豎直。
把小木棍穿過這個磁鐵，削掉一部分，陀螺尖用砂紙打磨成拋物線形，不要太尖也不要太澀。
用o-ring之類的固定住，我們的陀螺稱重是12.5克，稱重時磁鐵可能會使得稱重不準，可以墊個木頭稱。
底座因為沒有找到大的，用了2個環形磁鐵疊著放在一起，每個的尺寸115x45x20mm。
注意不要直接往一起扣，應該先疊放一個角，然後往一起推，如果有斥力的話，就翻個面再試。
如果有大的就直接用大的就好了。
調整底面朝向和底座高度
這裡光用文字很難解釋清楚，下面會盡量說明。
把塑料碗拿掉，手拿陀螺慢慢下降高度，應該會先感覺到斥力，再感覺到引力把陀螺拉向孔里，如果不是這個感覺的話，要把大磁鐵翻個面。
陀螺位置太高的話，就只有斥力，轉起來後會直接飛走。這個時候需要墊高大磁鐵。
陀螺位置太低，吸引力太大，陀螺迴轉力不能讓自己保持豎直。這種情況下陀螺會立即掉落並摔倒，我們需要加大陀螺和大磁鐵之間的距離，即墊高塑料碗。
最佳的位置是找到這樣一個點，即大磁鐵停止排斥陀螺，開始吸引小磁鐵，把小磁鐵放在略微低於這個點的位置。
也可以通過改變小磁鐵在陀螺桿上的位置來進行微調。
轉陀螺也有一些講究，轉速太快或太慢都會讓陀螺很快翻倒，建議先用較慢的轉速，之後慢慢加快速度直到找到合適的轉速，這個轉速大約是1000-3000rpm（每分鐘轉圈數）。
記得要在大磁鐵的中心位置開始轉陀螺。
陀螺轉起來後，就可以把平板抬起來了。
如果剛抬起一點陀螺就飛走了的話，說明陀螺重量太輕了，需要用銅或膠墊圈加重陀螺重量，或者用砂紙打磨墊圈做微調。
要是抬起平板但是無法讓陀螺離開平板面的話，說明陀螺太重，需要去掉墊圈或換輕的墊圈。
如果即使沒有配重也離不開平板的話，就得換個更強的磁鐵了。
調整配重後，我們抬起平板後再放下，陀螺就會懸在空中，如果懸停不到半秒就飛出去了的話，觀察一下飛出的方向，要是都向同一個方向飛出，說明大磁鐵的磁場方向不均勻，需要調水平。
這個時候需要墊一點東西來調整大磁鐵朝向，直到陀螺飛出的方向變為別的方向，注意大磁鐵要放在堅實的物體表面，比如桌子而不是地毯上。
實際調整過程中，陀螺重量調整和大磁鐵水平調整可能會同時進行。
這個時候陀螺已經能懸停了，不過還是不穩，可能會飛走。我們還需要進行最後的精細調整。
以0.1g為單位給陀螺增加重量，比如可以貼電工膠布，直到陀螺不再飛走。
增重到一定程度後陀螺將會轉幾秒然後落下，這時候需要減一點重量，可以揭下一塊膠布，剪成兩小塊，貼回去一小塊。
整個調整過程大概要花1到2個小時，最後你的陀螺可以在空中懸停1到2分鐘。
由於膠布的空氣動力性不太行，一旦我們確定了最終的配重，就可以把所有的膠布都換成一個墊圈，這樣將能使懸停時間達到3分鐘甚至5分鐘。
陀螺上注意不要有不穩定會晃動的部分。
都調好之後就可以叫朋友們來看了，不過速度要快，因為這種懸停狀態很不穩定，房間溫度濕度改變都會影響穩定性，以至於需要再次進行微調。
有人在附近放了剪刀等磁性物體也會造成影響。
由於穩定性很差，這種磁懸浮除了玩一下外，暫時也沒有太多實際用途。
當然可以在這個基礎上做些改進，變成更實用的懸浮。
感謝大家的觀看，今天就到這裡了，我們下期見。
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