فنرها و آهنرباها—دو جزء فیزیکی به ظاهر نامرتبط—ممکن است هنگام ترکیب، نوآوری‌های غیرمنتظره‌ای را جرقه بزنند. یک تحلیل فنی اخیر، امکان جایگزینی فنرهای معمولی با آهنرباهای دافعه در چوب‌های پگو را بررسی می‌کند و مزایای بالقوه و محدودیت‌های ذاتی این رویکرد غیرمتعارف را نشان می‌دهد.

چوب پگو، یک وسیله تفریحی محبوب، اساساً به توانایی یک فنر در ذخیره و آزاد کردن انرژی متکی است. هنگامی که کاربر فشار رو به پایینی وارد می‌کند، فنر فشرده می‌شود تا انرژی پتانسیل را ذخیره کند. با رها شدن، این انرژی به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود و جهنده را به سمت بالا سوق می‌دهد. در حالی که چوب‌های پگو سنتی با فنر، سادگی و قابلیت اطمینان را ارائه می‌دهند، محدودیت‌هایی را نیز در ویژگی‌های پاسخ خطی و راندمان ذخیره انرژی نشان می‌دهند.

پیشنهاد نظری استفاده از آهنرباهای دافعه به جای فنرها، امکانات جالبی را ارائه می‌دهد. مهندسان با چیدمان آهنرباها با قطب‌های مشابه رو به روی یکدیگر، می‌توانند از نظر تئوری نیروی دافعه‌ای ایجاد کنند که عملکرد یک فنر را تقلید می‌کند. با این حال، دافعه مغناطیسی اساساً با مکانیک فنر متفاوت است—نیرو با کاهش فاصله به صورت نمایی افزایش می‌یابد و مقاومت اولیه ضعیفی ایجاد می‌کند که به دنبال آن یک جهش ناگهانی نیرو در حداکثر فشرده‌سازی ایجاد می‌شود. این رفتار غیرخطی، تجربه پرش را به طور قابل توجهی تغییر می‌دهد.

برای آزمایش این مفهوم، محققان آزمایش‌های سیستماتیکی را با مقایسه چوب‌های پگو فنری سنتی با نمونه‌های اولیه مغناطیسی انجام دادند. اندازه‌گیری‌های اولیه، ویژگی‌های پایه فنر از جمله ضرایب سفتی و محدوده‌های فشرده‌سازی را مشخص کرد. سپس مهندسان مدل‌های مقیاس‌کوچک را با استفاده از پیکربندی‌های مختلف آهنرباهای نئودیمیومی حلقه‌ای شکل، که توسط چارچوب‌های چاپ سه‌بعدی برای تراز دقیق پشتیبانی می‌شدند، ساختند.

تجزیه و تحلیل با بررسی مکانیک اساسی فنر آغاز شد، جایی که نیرو (F) از طریق قانون هوک (F = kx) به صورت خطی با جابجایی (x) مرتبط است. این رابطه قابل پیش‌بینی امکان ذخیره انرژی ثابت را فراهم می‌کند—که به عنوان مساحت زیر منحنی نیرو-جابجایی محاسبه می‌شود—و امکان تنظیم عملکرد از طریق تکنیک‌های پیش‌بارگذاری را فراهم می‌کند که مقاومت اولیه را تنظیم می‌کنند.

برخلاف فنرها، دافعه مغناطیسی از یک رابطه معکوس مربعی پیروی می‌کند و یک پروفایل نیرو ایجاد می‌کند که قبل از افزایش چشمگیر در محدوده نزدیک، ناچیز شروع می‌شود. اندازه‌گیری‌های تجربی با استفاده از آهنرباهای حلقه‌ای RC44 با قطر 3/4 اینچ این تفاوت فاحش را نشان داد—مساحت زیر منحنی‌های نیروی مغناطیسی به طور قابل توجهی کوچکتر از فنرهای معادل باقی ماند و نشان‌دهنده ظرفیت ذخیره انرژی پایین‌تر است.

محققان با انباشتن چندین آهنربا به صورت سری، به دنبال بهبود عملکرد بودند. آزمایش‌ها با پیکربندی‌های سه تا شش آهنربا، نیروهای دافعه افزایش‌یافته را نشان داد، اما در عین حال محدوده فشرده‌سازی قابل استفاده را کاهش داد. در شش آهنربا، نیروهای دافعه به بزرگی‌های فنر مانند نزدیک شدند، اگرچه مقاومت اولیه ضعیف مشخصه همچنان ادامه داشت. بی‌نظمی‌های فاصله‌گذاری غیرمنتظره بین آهنرباهای انباشته شده، تعاملات مغناطیسی پیچیده‌ای را نشان می‌دهد که نیاز به مطالعه بیشتر دارد.

این بررسی چندین یافته کلیدی را به همراه داشت:

• ویژگی‌های غیرخطی دافعه مغناطیسی، دینامیک جهش کاملاً متفاوتی را در مقایسه با فنرها ایجاد می‌کند
• نیروی اولیه ضعیف که به دنبال آن مقاومت ناگهانی ایجاد می‌شود، یک حس پرش غیرطبیعی ایجاد می‌کند
• انباشتن آهنرباها نیرو را افزایش می‌دهد اما محدوده فشرده‌سازی را بدون حل مشکل اصلی غیرخطی کاهش می‌دهد
• فنرهای سنتی برای کاربردهای معمولی چوب پگو همچنان برتر هستند

در حالی که سیستم‌های مغناطیسی در حال حاضر نمی‌توانند با عملکرد فنر در چوب‌های پگو استاندارد مطابقت داشته باشند، ممکن است کاربردهای خاصی را پیدا کنند که به جهش با فرکانس بالا و جابجایی کم نیاز دارند. تحقیقات آینده می‌تواند هندسه‌های پیشرفته آهنربا، سیستم‌های فنر-آهنربای هیبریدی یا کنترل مغناطیسی فعال را برای غلبه بر محدودیت‌های فعلی بررسی کند.

این آزمایش همچنین پدیده‌های غیرقابل توضیحی را نشان داد—به ویژه فاصله‌گذاری نامنظم در پشته‌های آهنربا و روابط نیروی خلاف شهود—که مستلزم بررسی فیزیکی عمیق‌تری است. این رفتارهای مغناطیسی ممکن است بینش‌هایی را برای سایر کاربردهای مهندسی فراتر از دستگاه‌های تفریحی در اختیار داشته باشد.

این بررسی در نهایت هم پتانسیل خلاقانه و هم محدودیت‌های عملی جایگزینی دافعه مغناطیسی با فنرهای مکانیکی را نشان می‌دهد. در حالی که فناوری امروزی فنرهای معمولی را برای چوب‌های پگو ترجیح می‌دهد، نوآوری‌های مداوم ممکن است در نهایت جایگزین‌های مغناطیسی با ویژگی‌های عملکردی منحصربه‌فرد را باز کند.