نبذة تاريخية :
جهاز التحليق أو مايدعى بالـ Levitron هو لعبة مشهورة يحلق فيها مغناطيس دائم خفيف الوزن بالهواء حيث تلتصق به بضع قطع خشبية أو بلاستيكية ليصبح بشكل لولب صغير وهو ما يشكل القطعة العلوية (Top) من الجهاز، أما القطعة الاخرى فهي القاعدة Base (والتي هي عبارة عن مغناطيس أيضاً )، يستمر اللولب بالتحليق لفترة من الزمن حتى ينخفض بعدهاعدد دورات اللولب (بسبب مقاومة الهواء) الى حد معين.
الفيديو:



في الواقع ان مثل هذه اللعبة كانت امراً مستحيلاً منذ أن أثبت ايرن شو Earnshaw في العام 1842 نظرياً بأنه يستحيل جعل مغناطيس ثنائي القطب يحلق فوق مغناطيس آخر ساكن، إلّا أن الهواة لم يكفوا عن المحاولة حتى جاء العام 1983 حيث استطاع المخترع روي هاريجان Roy Harrigan تسجيل براءة اختراع لصنعه جهاز تحليق Levitron حيث أصرّ على اكمال عمله بالرغم من أن العديد من الفيزيائيين أخبروه باستحالة صنع مثل هكذا أداة .

كيف يعمل ؟
هناك خاصّتان أساسيتان تسمحان بتحليق مغناطيس فوق الآخر بشكل مستقر، الأولى هي التنافر المغناطيسي والتي توفر القوّة اللازمة ليرتفع الجسم بالهواء، والثانية هي التأثيرات الجيروسكوبية (التوازنية) الناجمة عن الدوران المغزلي للمغناطيس الصغير والذي يوفر استقرار وتوازن اللولب . يتكون الـ Levitron كما ذكرنا من قاعدة و قطعة علوية، القاعدة هي مغناطيس حلقي يوضع بحيث يكون القطب الشمالي في الأعلى بينما توضع القطعة العلوية (اللولب) بحيث يكون قطبها الشمالي في أسفلها، القطبان الشماليان يتنافران، ما يتسبب بقوة عِلوية موجّهة نحو اللولب سببها الحقل المغناطيسي للقاعدة. الشكل.1


Image: mit.edu/viz/levitron/Physic

في الحالة المثالية فإن القوّة الناتجة عن الحقل المغناطيسي والمؤثرة في القطعة العلوية ستلغي تماماً تأثير قوّة ثقل القطعة، ولتحقيق ذلك يجب أن تكون مساوية لها بالشدة وتعاكسها بالجهة. قارن بين الحالتين a وb في الشكل .2


Image: mit.edu/viz/levitron/Physic

وبهذا فنحن لدينا معاملان يضمنان أن قوّة التنافر المغناطيسي ستلغي تأثير ثقل القطعة، وهما وزن القطعة العلوية نفسه و مدى استواء القاعدة، حيث يمكننا تعديل وزن القطعة باضافة حلقات نحاسية أو بلاستيكية صغيرة أو ازالتها. القطعة الاخرى (القاعدة) لها حوامل قابلة للتعديل والضبط بحيث تبقى مستوية على أي سطح.

ومع ذلك فإن تعديل هذين العاملين ليس كافياً لجعل القطعة العلوية مستقرة في الهواء حيث ستبقى هناك انحرافات صغيرة عن حالة التوازن المثالية، والتي سنتغلب عليها من خلال التأثير الجيروسكوبي الذي سيوفر الاستقرار اللازم، فما ان تبدأ القطعة العلوية بالتمايل فإن تأثير القوتين (الثقل والتجاذب المغناطيسي للاقطاب المتعاكسة) سيسبب نشوء عزم دوراني يحاول قلب القطعة العلوية وارجاعها للاسفل نحو القاعدة، لكن العزم الزاوي الناجم عن دوران القطعة العلوية حول نفسها سيقوم برد فعل معاكس لشعاع العزم الدوراني السابق فيحافظ على توازن واعتدال القطعة (اللولب) . (الشكل 3 . نشوء العزم الدوراني)


Image: mit.edu/viz/levitron/Physics

التأثر الجيرسكوبي الآخر الذي يساعد على التوازن يحدث لو انزاحت القطعة العلوية عن مركز القاعدة، عندها ستعيد تلك القطعة تنظيم نفسها لتدور حول خطوط الحقل المغناطيسي المحلي التي بجانب المركز، قد لاتبدو أهمية ذلك واضحة ولكن رياضياً فإن الأمر مختلف، وبدون الدخول في المعادلات فإن النتيجة هي أنه وبسبب قدرة القطعة العلوية على تعديل محور دورانها فإنها ستحافظ على حد أدنى من الطاقة الكامنة، أو بمعنى آخر لو انزاحت القطعة بشكل صغير جانبياً فإن الطاقة الكامنة السابقة سوف تدفعها لتعود إلى حالتها السابقة.
(يُظهر الشكل4 دوران القطعة العلوية حول خطوط الحقل المحلية).


Image: mit.edu/viz/levitron/Physics

المصادر:
هنا
هنا