03 不用电的磁悬浮陀螺
◇王超
笔者此次介绍的悬浮陀螺不需要控制电路，不用电，只使用铁氧体永磁铁，悬浮高度可达5cm，而且趣味性强！经过适当练习，相信你很快就能成为“悬浮达人”。
3.1 材料与制作
图3.1所示为制作所需原材料，具体如表3.1所示。
图3.1 制作悬浮陀螺所需材料
表3.1 制作悬浮陀螺所需材料清单
环形铁氧体磁铁A充当底座磁铁。悬浮陀螺受到底座磁铁的排斥力，当此排斥力与悬浮陀螺受到的重力大小相等、方向相反时，悬浮陀螺就可以悬浮了。铁氧体磁铁B用来制作悬浮陀螺。
在底座磁铁的规格是内径40mm、外径80mm、高度20mm的条件下，笔者也曾经试验过用其他规格的小型环形磁铁制作过悬浮陀螺，但是效果不好。笔者认为，目前用于制作悬浮陀螺的小型环形磁铁内径不宜过大，不应该比旋转轴（签字笔芯）大出太多，同时小型环形磁铁的外径也不应过大。如果您的底座磁铁不是笔者所提供的规格，那么小型环形磁铁的规格可以适当调整。图3.2所示为底座磁铁A与悬浮陀螺磁铁B的比例视图。
图3.2 环形铁氧体磁铁A与B
图3.3所示为塑料底盘。在塑料底盘的边缘均匀的钻3个孔，孔的大小应与螺母的大小相近。打完孔后将螺母填入孔中，并使用AB胶水将螺母与孔之间的缝隙填补上。
图3.3 悬浮陀螺塑料底盘
当螺母与塑料底盘固定好后，将螺丝拧入螺母（见图3.4）。在3个螺丝分别安装好后，悬浮陀螺的底盘就大功告成了。
图3.4 将螺丝拧入螺母
现在开始制作悬浮用的陀螺。取出废旧签字笔的笔芯，并清洁干净（见图3.5）。
图3.5 废旧签字笔笔芯
将笔头去除，并将笔芯截短（见图3.6）。笔芯余下的L段长度大约为5mm，因为悬浮陀螺磁铁的高度为5mm。
图3.6 去除笔头截短后的笔芯
在图6中L段缠上宽度为5mm的双面胶（见图3.7）。注意，此时只用双面胶的胶层（正反两面都有黏性），而不用白色的阻胶层，当L段的直径在双面胶的包裹下达到大约7mm（悬浮陀螺磁铁内径大小）时即可。
图3.7 给L段缠上双面胶
将制作好的旋转轴塞入悬浮陀螺磁铁，旋转轴应与磁铁的内壁紧密接触，以保证旋转轴位于陀螺磁铁的中心（见图3.8）。
图3.8 将旋转轴塞入悬浮陀螺磁铁
取一根牙签截断，将截断后的一小段牙签放入旋转轴（笔芯）（见图3.9）。牙签也应该与笔芯内壁紧密接触。然而市面上卖的牙签有粗有细，如果手头上的牙签太粗（不能插入笔芯），或者太细（不能紧紧插入笔芯），那么都不能达到要求。可以多买几种试试，或者用木柄棉签的木柄削制。
图3.9 将小段牙签放入旋转轴
“悬浮陀螺”基本完成后，需要适当配重。将宽度为5mm的双面胶缠在悬浮陀螺磁铁的外壁上（见图3.10）。注意，此时是将双面胶的胶层与阻胶层同时缠在陀螺磁铁的外壁，这样可以较快地改变陀螺的质量。在缠胶时应缓慢均匀，完美匀称的陀螺是悬浮的必要条件。在陀螺磁铁的外壁缠若干层即可，因为在后面的步骤中还要适当地增减陀螺的质量。
图3.10 将双面胶缠在悬浮陀螺磁铁外壁上
完成后的悬浮陀螺如图3.11所示。此时，你可以转动一下陀螺，如果陀螺的旋转轴没有太大的摆动，就基本上满足了要求。如果旋转轴摆动得很厉害，那就要适当调整旋转轴了。
图3.11 完成后的悬浮陀螺
图3.12所示为悬浮陀螺旋转时用到的托盘。笔者用的是老酸奶的塑料盖子，甜筒冰激凌的盖子也行。
图3.12 悬浮陀螺托盘
将塑料底盘的3个调平螺丝大致调节在同一高度，然后将底座磁铁放在底盘上。再将托盘放在底座磁铁上。随后将悬浮陀螺放入托盘中，如图3.13所示。
图3.13 将悬浮陀螺放入制成的托盘中
正常情况下，悬浮陀螺会按照图3.14所示情况被底座磁铁吸附在内孔处。此时应注意一个细节，陀螺的下部因为底座磁铁的吸附而与托盘紧密接触。如果大家制作时发现底座磁铁排斥陀螺磁铁，那就将底座磁铁上下颠倒即可。
图3.14 悬浮陀螺吸附在内孔处
3.2 陀螺质量调节与底座水平度调整
按照图3.15所示，将陀螺旋转起来。起初，因为底座磁铁对陀螺磁铁有很强的吸引力，再加上不熟练，大家会发现陀螺很难旋转起来。此时，可以适当抬高托盘，使陀螺受到的吸引力减小。
图3.15 旋转陀螺
如果能够将陀螺旋转起来，那就可以调节陀螺的质量了。
首先将陀螺旋转起来，然后缓慢将托盘向上托起，托的过程中不能太快，如果太快陀螺会有较大摆动。在上托过程中，陀螺的转速会改变。要想达到悬浮状态，陀螺的速度不能太快，也不能太慢。通过控制托盘的上托距离与速度，可以调节陀螺的转速。当托盘达到一定高度时，陀螺会逐渐进入悬浮状态，即陀螺受到的排斥力逐渐与陀螺受到的重力相平衡。
如果你的陀螺质量合适，在上托过程中，当陀螺快要达到悬浮点时会有轻微的跳跃，即陀螺自动进入悬浮区域。如果陀螺太轻，陀螺在上托时会猛然跃起，这样是不能进入悬浮状态的。此时，可以在陀螺磁铁的外壁上再缠几层双面胶，用以增加陀螺质量。如果陀螺太重，底座磁铁的排斥力就不能与陀螺受到的重力相平衡，陀螺就不会出现微跳，并且会一直往下掉，那么就要适当减少陀螺上缠绕的双面胶了。
在上述调节过程中，大家会发现，陀螺会固定往一个方向偏离，这是底座不在水平线上且与底座磁铁磁场分布不均匀有关造成的，可以通过调节调平螺丝使陀螺不再偏离。如果你的运气好，此时陀螺基本上就可以悬浮了！
如果陀螺不能悬浮，那就再适当调整陀螺的质量吧。采用上述规格的磁铁，陀螺可以悬浮3.5cm以上（见图3.16），并且悬浮时间一般都可以达到90s。
图3.16 悬浮起的陀螺
3.3 原理简述
要想使物体稳定地悬浮在某一位置，必须使其在此位置处受力为零，并且当有外界的扰动时，必须有回复力使物体回到原位置。因此，我们可以总结一下，稳定悬浮的条件有：（1）悬浮体受到的外力合力为0，（2）有回复力使悬浮体回到原稳定点。
然而，对于满足平方反比关系的力场，其对应的位能没有局部的极大值或极小值，所以不能提供回复力。我们常见的重力场、静电场、静磁场均为平方反比力场，所以在静态条件下，不能通过永磁铁使物体达到稳定的平衡状态。
而陀螺之所以能够悬浮起来，是因为陀螺旋转时是动态平衡，而非静态平衡。当外界有轻微扰动时，陀螺会出现绕轴旋转的进动，通过进动使陀螺回到原先的稳定点。当陀螺转速下降到一定值时，进动的作用变小，陀螺就不能维持在稳定点，随即会从空中跌落。