JP3197862U

JP3197862U - 重力場中で運動形態を転換する装置における入出力エネルギーの量的関係を理解するための実験装置

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Publication number: JP3197862U
Application number: JP2015001396U
Authority: JP
Inventors: 直弥鈴木
Original assignee: 直弥鈴木
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2015-06-04
Anticipated expiration: 2025-03-25

Abstract

【課題】一見、重力場自体で運動エネルギーを高めることができるように見える装置であっても、実際には必ずどこかでエネルギーが加えられているということを教育現場で目に見える形で示すための実験装置を提供する。【解決手段】入力手段１と、入力手段によって与えられた作用に更に重力場からの作用を重畳して力学的エネルギーとして蓄積しうる運動体２と、運動体に蓄積された力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置３と、発電装置から取り出される電気エネルギーを外部に取り出すための可変式負荷装置５と、発電装置から取り出される電気エネルギー及び入力手段に加える仕事量を計測するための計測装置とを備える。【選択図】図１

Description

本考案は、物理学上の法則を理解するための理科実験装置に関するものである。

物理学上の法則、特に著名な法則は改めて実証するまでもなくすでに稼働している多くの機械装置によってその正しさが証明されている。しかし、重力場を利用した装置は水力発電装置のようにエネルギーの保持媒体が経時的に交換される場合は別として多くはいわゆる永久機関として一蹴されてしまい、その装置におけるエネルギーの移動を目に見える形で示した実験装置はほとんど見られなかった。
そのため簡単な運動であればあるほど外部からのエネルギー供給がなくても重力場自体で運動エネルギーを高めることができるという錯覚が起こり、相も変わらず永久機関に類する装置の開発のために心血を注ぐ発明家が後を絶たない。

しかし、一見、重力場自体で運動エネルギーを高めることができるように見える装置であっても、実際には必ずどこかでエネルギーが加えられているということを教育現場で目に見える形で示す実験装置があれば、このような問題に心血を注ぐということも少なくなると思われる。
そこで、本考案はこれらの事情を鑑みて、比較的簡単な装置で、外部に取り出すことができるエネルギーがどこからどのようにして供給されているのかを実験によって確かめることができる装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、本考案は、入力手段と、該入力手段によって与えられた作用に更に重力場からの作用を重畳して力学的エネルギーとして蓄積しうる運動体と、該運動体に蓄積された力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電装置と、該発電装置が生み出した電気エネルギーを外部に取り出すための可変式負荷装置と、入力及び出力の電気量を計測するための各種計測装置とを備えた、入出力エネルギーの量的関係を理解するための実験装置提供する。

ここで、前記運動体の第１の例として、本考案は、長軸と、該長軸の下端に一方を連結し、該長軸を一定方向に揺動可能且つ回転可能に支持するとともに、その他方を発電装置の主軸に連結した自在継ぎ手と、前記長軸の下端近傍で該長軸と略垂直をなす方向に突設された短軸と、該短軸にスライド可能に軸着された錘と、前記長軸を一定方向の揺動運動に拘束するためのガイドレールと、から成ることを特徴とする運動体を備えた入出力エネルギーの量的関係を理解するための実験装置を提供する。

また、前記運動体の第２の例として、本考案は、上下の軸受けによって回転自在に支持された主軸と、該主軸に設けられた動力伝達機構と、前記主軸の両端部において該主軸を含む直線と直交する方向で互いに反対向きに延伸するアームと、該アームにスライド可能に軸着された錘と、前記主軸を、該主軸の垂直２等分線を中心軸として揺動可能に支持する主軸支持装置と、から成ることを特徴とする運動体を備えた入出力エネルギーの量的関係を理解するための実験装置を提供する。

更に、前記入力手段は、第１の実施例では、長軸の上端部を貫通させる軸受けに固着され、前記長軸の上端部が揺動により描く円弧方向で左右に等しく延伸した所定の長さの棒状鉄芯と、前記長軸が左右に一定角度傾斜した状態で、前記棒状鉄芯の一方を吸引収納可能な一対の電磁ソレノイドと、該電磁ソレノイドに交互に前記錘の回転周期に等しい電力を供給するため、前記電力を加える時刻を決めるための信号発生器と、発電機出力または外部電源を所定の電力波形に変換するための電力変換器とから成ることを特徴とする段落「０００５」に記載の運動体用入力手段を備える入出力エネルギーの量的関係を理解するための実験装置を提供する。

また、前記入力手段は、第２の実施例では、主軸支持装置に取り付けられたハンドルの先端部に固着され、前記ハンドルの先端部が揺動により描く円弧方向で左右に等しく延伸した所定の長さの棒状鉄芯と、前記ハンドルが左右に一定角度傾斜した状態で、前記棒状鉄芯の一方を吸引収納可能な一対の電磁ソレノイドと、該電磁ソレノイドに交互に前記錘の回転周期に等しい電力を供給するため、前記電力を加える時刻を決めるための信号発生器と、発電機出力または外部電源を所定の電力波形に変換するための電力変換器とから成ることを特徴とする段落「０００６」に記載の運動体用入力手段を備える入出力エネルギーの量的関係を理解するための実験装置を提供する。

本考案の実験装置によれば、可変式負荷装置を調節することで発電機の出力を調節することができ、発電機の出力がゼロの状態で入力手段から人力または外部電源により錘を高速に回転させ、その後、同じ入力のままで発電機の出力を増したときには、錘の回転速度が徐々に失われることを体験できる。また、入力手段として人力を用いれば、発電機の出力を増すと共により大きな力を加えなければ同じ回転力を維持できないことが容易に把握できるため、理科教室などでエネルギー保存則の説明をする際の理解を容易にすることができる。

更に、錘が回転運動により一定のエネルギーを蓄積した状態で、開閉器により発電装置の出力端子を整流器、コンデンサ、電力変換素子等から成る電力変換器を介して電磁ソレノイドに加え、装置全体として閉じた系を構成した場合であっても、装置全体の運動に伴う風損や摩擦損、更には発電装置の効率や電力変換に伴う損失により、錘の回転速度は徐々に失われることを知ることができ、この結果、重力場は何らエネルギー供給手段たり得ないことを教育現場で目に見える形で示すことができる。即ち、重力場は、外部から入力手段に加えられたエネルギーを一旦位置エネルギーの形態で錘に蓄え、錘が下がるにしたがってこれを錘の運動エネルギーに変換し、入力手段から再度加えられたエネルギーによって再度位置エネルギーを蓄え、再びこれを運動エネルギーとして錘に加えるというように、入力手段から加えられたエネルギーを運動エネルギーとして錘に累積的に蓄えるために役立っているにすぎないことを理解することができる。

図１は請求項１に係る実験装置の構成要素間の関係を表した概略図である。発電装置の出力を入力に返す場合を考慮して切替開閉器を追加してある。図２は本実験装置の第１の実施例を表した正面図である。図３は本実験装置の第１の実施例におけるガイドレールと電磁ソレノイドを表した平面図である。図４は本実験装置の第２の実施例を表した正面図である。図５は本実験装置の第２の実施例を表した側面図である。

以下、本考案の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本考案の概念図を表したものである。ここで、入力手段１は運動体２の構造によって限定され、図２及び図３に表す実施例１のように長軸２１１と、該長軸２１１の下端近傍で該長軸２１１と略垂直をなす方向に突設された短軸２１３と、該短軸２１３にスライド可能に軸着された錘２１４とからなる運動体の場合は、長軸２１１の上端部を貫通させる軸受け１１３に固着された棒状鉄芯１１１を電磁ソレノイド１１２に吸い込ませることで、錘２１４を回転させている。

すなわち、棒状鉄心１１１が電磁ソレノイド１１２に吸い込まれて主軸２１１が傾斜し、短軸先端が斜め上を向いているとき、錘２１４は不安定な位置にあり、主軸２１１を回転させて安定な位置に移動しようとする。錘２１４が回転して短軸２１３が水平になったときに反対側の電磁ソレノイド１１２に所定の電流を流すことで主軸２１１を反対方向に移動する力を加えると、錘２１４は慣性で同一向きの運動を続けるため短軸２１３は反対方向で再度不安定な位置まで錘２１４を回転させる。こうして錘は同一方向の運動を続け、再度反対方向で安定な位置に移動する。この結果、主軸２１１は同一向きに回転を続行することになる。

また、図４及び図５に表す実施例２のように上下の軸受け２２１によって回転自在に支持された主軸２２２と、該主軸に設けられた動力伝達機構２２３と、該主軸の両端部において該主軸を含む直線と直交する方向で互いに反対向きに延伸するアーム２２４と、該アームにスライド可能に軸着された錘２１４と、前記主軸２２２を、該主軸の垂直２等分線を軸として揺動可能に支持するフレーム２２５、フレーム軸２２６及びフレーム架台２２７とから成る運動体の場合は、フレーム軸２２６と直交する方向に取り付けられたハンドル１２１に固着された棒状鉄心１１１を電磁ソレノイド１１２に吸い込ませることで、錘を回転させている。

すなわち、上下の錘２１４の重さがほぼ等しく、位置が各アーム２２４上主軸２２２から等距離にあるとき、主軸２２２がわずかに垂直線より傾くと、一方の錘２１４は安定な状態になるとともに、他方の錘２１４は不安定な状態になり、この状態で釣り合いを保っている。ここで、一方の錘２１４をアーム２２４と垂直な方向に動かしてやると、この釣り合い状態が破れて錘２１４は動かした向きに回転し、不安定な錘２１４は安定な位置に移動しようとし、安定な錘２１４は不安定な位置に移動を強いられることになる。ここで、錘２１４が再度釣り合い状態になった直後に電磁ソレノイド１１２に所定の電流を流し、主軸を反対方向に傾けると、錘２１４は慣性により同じ向きに運動を続行しながら、再度元の釣り合い状態に戻ろうとし、こうして回転運動が続けられる。

これらの方法によれば、錘２１４の回転を同じ状態で維持するために電磁ソレノイド１１２に与える電気量を計測することが可能になる。なお、電磁ソレノイド１１２の位置は、円弧状で多少位置調節が可能なように支持するのが好ましい。

ここで、左右の電磁ソレノイド１１２には、錘２１４の回転周期に等しく且つ互いに位相が１８０度異なる２つの方形波電流を左右交互に流すようにする。そのための電源としては、外部電源によることも可能であるが、発電装置３によって発電された電力を電力変換器１１４によって方形波に成形したものを供給することもできる。

なお、２つの電磁ソレノイド１１２に電流を流すタイミングは、実施例１では発電装置３の回転軸に取り付けたオプティカルディスク１１５から成る信号発生器の、位相が半周期だけ異なる２つの出力パルスのそれぞれの立ち上がりに同期するようにする。すなわち、運動体２の長軸２１１が最大角に倒れた状態で、錘２１４が重力の作用でガイドレールの中心に直交する垂直面と自在継ぎ手を含む水平面との交線上に来たときに信号発生器１１５が出力パルスを生じ、このパルスをトリガとして、長軸２１１を反対側に倒すための電流を該当する電磁ソレノイド１１２に加えるるように設定する。この時、遅れ時間を設けて調整可能とするのが好ましい。また、電磁ソレノイド１１２に流す電流の大きさ及びデューティー比は任意に調整可能にする。また、外部電源から電磁ソレノイド１１２に与えた電力量を計測可能にすると、発電装置３に接続された可変式負荷装置５によって消費される電力量と、外部電源から電磁ソレノイド１１２に入力される電力量との関係が把握可能になる。
発電装置３の回転軸と自在継ぎ手の間に増速器を取り付ける場合には、前記オプティカルディスクは自在継ぎ手と増速機の間に設ける。

なお、上記可変式負荷装置５によって発電装置の出力を変化させたとき、長軸２１１の位置を反対側に変えるために加える必要がある力の違いを直感的に把握するためには、単に長軸２１１の上端を人力でガイドレール２１５に沿って動かすだけで十分で、低学年の学生を対象とする場合はむしろこの方法によるのが好ましい。

また、実施例１では、短軸２１３に軸着された錘２１４の位置を移動可能とした。具体的には、短軸に雄ねじを、錘の中心軸に雌ねじを切り込み、錘の上下をロックナットで締め付けると良い。これは、長軸２１１と短軸２１３の自在継ぎ手２１２の周りのモーメントの釣り合い関係が、入力手段１から加えるエネルギーにどのような影響を与えるかを知るために役立つ。
錘２１４は、重量の異なるものを複数用意しておき、錘を取り替えることで入力手段１から加える力がどのように代わるかを確認できるようにした。また、発電機から取り出しうるエネルギーと、錘２１４の重量、短軸２１３上の錘の位置の関係をも測定できるようにすると、本実施形態における運動体２の性質を理解するのに有用である。

実施例２では、主軸２２２に取り付けたオプティカルディスク１１５から成る信号発生器の、位相が半周期だけ異なる２つの出力パルスのそれぞれの立ち上がりに同期するようにする。すなわち、運動体２のアーム２２４が錘２１４の回転によって水平状態になった直後に信号発生器１１５が出力パルスを生じ、このパルスをトリガとして、主軸２２２をを反対側に倒すための電流を該当する電磁ソレノイド１１２に加えるるように設定する。この時、遅れ時間を設けて調整可能とするのが好ましい。また、電磁ソレノイド１１２に流す電流の大きさ及びデューティー比は任意に調整可能にする。また、外部電源から電磁ソレノイド１１２に与えた電力量を計測可能にすると、発電装置３に接続された可変式負荷装置５によって消費される電力量と、外部電源から電磁ソレノイド１１２に入力される電力量との関係が把握可能になる。

実施例２でも、アーム２２４に軸着された錘２１４の位置を移動可能にしたが、これは錘の位置により運動体の保有するエネルギーがどのように代わるかを実感するためである。錘の移動方法、錘の交換については実施例１と同様とした。

実施例１では、一対の電磁ソレノイドはガイドレールに固定した。また、ガイドレール２１５は、図２には特に示していないが、図３に示すように、ガイドレール２１５の平行した長辺の一部に支持板２１６を固定し、これを長軸の揺動面に沿って発電装置までおろし、発電装置の外枠に固着すると良い。

実施例２では、主軸支持装置（２２５〜２２７）のフレーム軸２２６に取り付けられたハンドル１２１の先端に固着した棒状鉄心を電磁ソレノイド１１２で交互に吸引することで、ハンドル１２１を揺動させ、該ハンドルの揺動運動をフレーム軸２２６を介して主軸２２２に伝え、該主軸をわずかに傾けることで、錘２１４を不安定な状態にし、主軸２２２を回転させている。

また、実施例２では、動力伝達機構２２３として、主軸２２２に取り付けた第１プーリー２２３−１と発電装置３の発電機回転軸に取り付けた第２プーリー２２３−３とをＶベルト２２３−２によって結合している。主軸がわずかに傾くため、第１プーリー２２３−１と第２プーリー２２３−３との距離は一定程度離すようにする必要がある。
なお、ベルト駆動のほか、チェーン駆動としても良い。

本実施形態は、運動体２の構造を上記のようなものとしたが、運動体の構造としてはほかにも種々考えられる。たとえば、図示はしていないが、ブランコのようなものも重力を利用している点で、エネルギーの流れが把握しにくいものであるが、この場合、入力エネルギーを量的に把握するには乗員の代わりをする入力手段として自動的に足を漕ぐようなロボットを設置すればよい。

発電装置３は、直流機、交流機を問わない。発電機の出力を入力手段に帰還する場合は、電力変換器１１４で波形成形することで目的を達しうる。
また、発電機出力は、運動体２の構成要素、特に用意した錘の重量によるが、実験装置としての性質上数キロワット程度で十分である。
なお、運動体に単に負荷を加えるだけの簡単な実験装置の場合は、発電装置３と可変式負荷装置５の代わりに縦軸回転羽を内蔵した断熱水槽を設けても良い。水位を調整することで水面下のある回転羽の高さを調整すれば、負荷の大きさも可変とすることができる。

図１に表したように、発電機出力を可変式負荷装置５に供給するか、電力変換器を経て入力手段１に供給するかを切り替える切替開閉器を設けると便利である。この場合、開閉器の容量は発電機の出力電圧、出力電流を十分カバーしうるものとする。

可変式負荷装置５は、発電装置３の最高出力を消費可能なものであり、抵抗体を使う場合は放熱装置を含む。複数の固定抵抗器を直列に接続して部分的にロータリースイッチ等で短絡するようにしても良い。小さな実験装置の場合は、上記の固定抵抗器の代わりに電球などを用いると出力エネルギーを目視により直感的に把握できるため低学年の学生用として好ましい。大きな装置では、水抵抗器を用いると良い。この場合、放熱装置は不要になるが、感電防止装置が必要になる。

電力変換器１１４は、発電装置３の出力を入力手段１に帰還する場合に、所定の電流波形に変換するためのものであり、本実施形態の場合には、２つの電磁ソレノイド１１２に加える半周期位相の異なる２つの方形波電力を形成する役目を有する。
広く知られているように、電力用トランジスタやサイリスタ、ＩＧＢＴ等の電力用半導体素子によって容易に構成しうる。
なお、外部電源が商用電源の場合、本電力変換装置１１４の入力側に加えるようにすると外部電源用の電力変換装置が不要になる。

１入力手段
２運動体
３発電装置
４切替開閉器
５可変式負荷装置
６測定器
１１１棒状鉄芯
１１２電磁ソレノイド
１１３軸受け
１１４電力変換器
１１５オプティカルディスク
１２１ハンドル
２１１長軸
２１２自在継ぎ手
２１３短軸
２１４錘
２１５ガイドレール
２１６支持板
２２１軸受け
２２２主軸
２２３動力伝達機構
２２３−１第１プーリー
２２３−２ベルト
２２３−３第２プーリー
２２４アーム
２２５フレーム
２２６フレーム軸
２２７フレーム架台

Claims

入力手段と、該入力手段によって与えられた作用に更に重力場からの作用を重畳して力学的エネルギーとして蓄積しうる運動体と、該運動体に蓄積された力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電装置と、該発電装置が生み出す電気エネルギーを外部に取り出すための可変式負荷装置と、入力及び出力の電気量を計測するための各種計測装置と、
を備える、入出力エネルギーの量的関係を理解するための実験装置。
請求項１に記載の運動体は、
長軸と、該長軸の下端に一方を連結し、該長軸を一定方向に揺動可能且つ回転可能に支持するとともに、その他方を発電装置の主軸に連結した自在継ぎ手と、前記長軸の下端近傍で該長軸と略垂直をなす方向に突設された短軸と、該短軸にスライド可能に軸着された錘と、前記長軸を一定方向の揺動運動に拘束するためのガイドレールと、
から成ることを特徴とする請求項１に記載の入出力エネルギーの量的関係を理解するための実験装置。
請求項１に記載の運動体は、
上下の軸受けによって回転自在に支持された主軸と、該主軸に設けられた動力伝達機構と、前記主軸の両端部において該主軸を含む直線と直交する方向で互いに反対向きに延伸するアームと、該アームにスライド可能に軸着された錘と、前記主軸を、該主軸の垂直２等分線を軸として揺動可能に支持する主軸支持装置と、
から成ることを特徴とする請求項１に記載の入出力エネルギーの量的関係を理解するための実験装置。
請求項１に記載の入力手段は、
請求項２に記載の長軸の上端部を貫通させる軸受けに固着され、前記長軸の上端部が揺動により描く円弧方向で左右に等しく延伸した所定の長さの棒状鉄芯と、前記長軸が左右に一定角度傾斜した状態で、前記棒状鉄芯の一方を吸引収納可能な一対の電磁ソレノイドと、該電磁ソレノイドに交互に前記錘の回転周期に等しい電力を供給するため、前記電力を加える時刻を決めるための信号発生器と、発電機出力または外部電源を所定の電力波形に変換するための電力変換器と
から成ることを特徴とした請求項２に記載の入出力エネルギーの量的関係を理解するための実験装置
請求項１に記載の入力手段は、
請求項３に記載の主軸支持装置に取り付けられたハンドルの先端部に固着され、前記ハンドルの先端部が揺動により描く円弧方向で左右に等しく延伸した所定の長さの棒状鉄芯と、前記ハンドルが左右に一定角度傾斜した状態で、前記棒状鉄芯の一方を吸引収納可能な一対の電磁ソレノイドと、該電磁ソレノイドに交互に前記錘の回転周期に等しい電力を供給するため、前記電力を加える時刻を決めるための信号発生器と、発電機出力または外部電源を所定の電力波形に変換するための電力変換器と
から成ることを特徴とした請求項３に記載の入出力エネルギーの量的関係を理解するための実験装置