Unwuchtvibrator

Ein Unwuchtvibrator ist ein Elektromotor mit einem Gewicht, das außermittig auf seiner Welle sitzt. Wenn sich das Gewicht dreht, zieht es den Motor erst in die eine, dann in die andere Richtung, und das ganze Gerät zittert. Anfang des 20. Jahrhunderts in den Vereinigten Staaten eingereichte Patente nutzten dieses umlaufende Unwuchtgewicht bereits in elektrischen Massagegeräten; heute brummt dasselbe Prinzip in Telefonen und Pagern und rüttelt die Siebe der Industrie.

Was es ist

Ein Unwuchtvibrator verwandelt Drehung in Rütteln. Ein kleiner Elektromotor dreht ein Gewicht, das nur an einer Seite seiner Welle befestigt ist, sodass sein Schwerpunkt neben der Achse liegt. Nichts im Gerät bewegt sich hin und her. Der Motor dreht sich nur, und das ungleich verteilte Gewicht lässt alles, was mit ihm verbunden ist, zittern.

Die Idee steckt in vielen Gegenständen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde sie in elektrische Handmassagegeräte mit rundem Metallkörper, Griff und Kabel eingebaut. Heute erzeugt ein Motor von wenigen Millimetern Länge den stummen Alarm eines Telefons, und viel größere Unwuchtwellen rütteln die Schwingsiebe, mit denen die Industrie Materialien sortiert. Manche Geräte haben Schalter und Drehzahlregler in einem eigenen Teil, über ein Kabel oder per Funk verbunden.

Wie es funktioniert

Ein Vibrationsmotor aus einem Telefon: Das halbmondförmige Gewicht liegt ganz auf einer Seite der Welle.

Ein Gewicht, das sich im Kreis dreht, muss in jedem Augenblick zur Mitte gezogen werden, und das übernimmt die Welle. Umgekehrt zieht das Gewicht an der Welle, nach außen, dorthin, wo es sich gerade befindet. Während es umläuft, zeigt dieser Zug erst nach oben, dann zur Seite, dann nach unten, dann zur anderen Seite. Motor und Gehäuse werden in einem kleinen Kreis herumgeschoben, und die Hand, der Tisch oder das Gestell, auf dem sie liegen, spürt das als Vibration.

Die Zugkraft ist gleich der Masse des Gewichts mal seinem Abstand von der Achse mal dem Quadrat der Drehgeschwindigkeit. Doppelte Drehzahl macht das Rütteln also viermal so stark, und es wiederholt sich einmal je Umdrehung des Motors. Ein kleiner Gleichstrommotor läuft bei höherer Spannung schneller, darum macht mehr Spannung das Brummen zugleich schneller und kräftiger. Um nur die Stärke zu ändern, muss man das Gewicht oder seinen Abstand von der Achse ändern. Willis Millers Vibrator hatte dazu ein sichelförmiges Gewicht, das sich näher an die Welle heran oder weiter von ihr weg stellen ließ. Verschiebt man ein Gewicht längs der Welle, parallel zur Achse, bleibt die Kraft gleich; es ändert sich nur die Stelle des Geräts, an der sie angreift.

Wer das Gerät hält, soll möglichst wenig von der Vibration spüren; deshalb lagerte Miller den Griff seines Massagegeräts auf einer Feder. Zwei Gewichte, die sich gegenläufig drehen, ergeben eine andere Bewegung, sofern sie gleich sind, gleich schnell laufen und durch Zahnräder im Takt gehalten werden: Dann heben sich ihre seitlichen Züge auf, die senkrechten addieren sich, und die Maschine rüttelt auf einer geraden Linie. Edward Mateers Patent für Schwingsiebe behandelt solche durch Zahnräder gekoppelten Paare beschwerter Wellen als bereits bekannte Anordnung.

So geht’s

Ein Vibrationsläufer: Das Knetklümpchen bringt den Motor aus dem Gleichgewicht, und der Deckel trippelt über den Tisch.

Ein Vibrationsläufer zeigt das Prinzip in wenigen Minuten. Man braucht einen kleinen Gleichstrommotor, wie er für Schulprojekte verkauft wird und mit zwei AA-Batterien läuft, einen Halter für die Batterien, etwas Knetmasse, einen Kunststoffdeckel von einer Dose, drei Büroklammern und ein Gummiband oder Klebeband. Biegen Sie die Büroklammern zu Beinen und kleben Sie sie unter den Deckel, sodass er von allein steht.

Befestigen Sie den Motor mit dem Gummiband oben auf dem Deckel, die Welle über den Rand hinaus. Drücken Sie ein erbsengroßes Klümpchen Knetmasse auf eine Seite der Welle oder auf ein kleines Stück Korken, das auf die Welle gesteckt ist, sodass es deutlich außermittig sitzt. Schließen Sie den Motor an den Batteriehalter an und schalten Sie ein: Der Deckel brummt und trippelt über den Tisch. Halten Sie Haare, weite Ärmel und das Gesicht von der drehenden Welle fern: Ein Klümpchen, das sich löst, kann weggeschleudert werden.

Probieren Sie dann Änderungen aus und trennen Sie jedes Mal die Batterien, bevor Sie die Knetmasse anfassen. Rücken Sie das Klümpchen näher an die Welle oder machen Sie es kleiner, und der Läufer beruhigt sich. Mit einem größeren Klümpchen rüttelt er stärker. Verteilen Sie die Knetmasse rund um die Welle, und der Motor läuft fast ohne Zittern: Die Vibration kommt von der Unwucht, nicht vom Motor selbst. Ein Zahnbürstenkopf mit einem winzigen Vibrationsmotor und einer kleinen Batterie ergibt eine kleinere Ausführung, die oft im Naturwissenschaftsunterricht gebaut wird.

Geschichte und Entwicklung

Vor dem umlaufenden Gewicht: ein Instrument mit Federwerk, das mit einem kleinen Elfenbeinhammer klopfte.

Ältere Vibrationsinstrumente arbeiteten mit Schlägen. Der englische Arzt Joseph Mortimer Granville beschrieb seine »Perkuteure«, in denen ein von einer Feder angetriebenes Räderwerk einen Hebel mit einem Elfenbeinhammer bewegte, und kündigte eine elektrisch angetriebene Ausführung der Instrumentenbauer Weiss and Sons an. Ein Unwuchtgewicht braucht keinen Hammer: Die bloße Drehung genügt. Anfang des 20. Jahrhunderts meldeten George Trotter aus Louisville in Kentucky und William Olson unabhängig voneinander Patente auf elektrische Massagegeräte an, die zitterten, weil der Motor ein außermittiges Gewicht drehte: Trotter setzte ein verstellbares Exzentergewicht auf die Motorwelle, Olson befestigte ein Gewicht an einer Seite des Ankers. Danach meldete Harry Fuller Waite aus New York ein Patent auf ein Massagegerät an, mit Elektromotor im Gehäuse, Stecker für eine gewöhnliche Steckdose und Vibrationen, die nach seinen Worten aus der Rückwirkung eines umlaufenden Unwuchtgewichts entstanden. Zwei spätere Patente griffen die Idee auf: Charles Elliott brachte den Anker des Motors selbst aus dem Gleichgewicht, Willis Miller setzte ein verstellbares Gewicht auf die Welle. Beide lagerten den Griff so, dass er die Vibration aufnahm, bevor sie die Hand erreichte.

Die Industrie nutzte Paare von Unwuchtgewichten, um Siebe zu rütteln. In die kleine Elektronik kam das Prinzip mit dem Pager. Spätere Patente, darunter die von Sholly Kagan und Alvin Feder, beschreiben Funkrufempfänger, die beim Anruf vibrierten; bei Feder schwingt das Gewicht mit steigender Drehzahl weiter nach außen. Winzige Vibrationsmotoren verbreiteten sich in Pagern und dann in Mobiltelefonen, wo sie bis heute viel verwendet werden. Sie beziehen ihren Strom aus derselben Batterie wie das übrige Gerät, und ihr Motor ist ein gewöhnlicher Elektromotor im Kleinformat.