Эти инновационные покрытия преобразуют кинетическую энергию шагов в чистую электрическую энергию.
Мы идём здесь,Мы ходим пешком, мы ходим пешком везде. Возможно, вы идёте на работу или на обед в шумном городе. Вы тратите энергию, и физические упражнения вам полезны. Но что, если бы мы могли, вдобавок ко всему, собрать всю эту свободно получаемую энергию и преобразовать её в полезное электричество?
Это реальность. Системы установлены в десятках стран. И зачем останавливаться на достигнутом? Можно установить их на дискотеках и использовать их изящные движения для питания стробоскопов. Или встроить их в игровые площадки для игр в классики. Когда начинаешь думать об этом, возможности безграничны.
Но как это работает? И сколько энергии оно может вырабатывать? Конечно, один человек не сильно поможет, но преобразите переполненные тротуары Нью-Йорка, и, возможно, у вас получится что-то стоящее. Можно ли установить это по всему миру и отказаться от ископаемого топлива? Давайте выясним!
Следуй за прыгающим мячом
Для начала нам нужна модель идущего человека. Легко, правда? Ходить так просто, что даже годовалый ребёнок справится. На самом деле, двуногое передвижение ужасно сложно с точки зрения физики. Серьёзно, если бы вам пришлось учиться ходить по физической модели, вы бы до сих пор сидели в коляске. Так что давайте начнём с чего-нибудь попроще: с прыгающего мяча.
Хотите верьте, хотите нет, но это довольно хорошая аналогия. Сразу видно, что задействованы три вида энергии: кинетическая энергия, потенциальная энергия гравитации и потенциальная энергия пружины.
Кинетическая энергия связана с движением тела: чем быстрее оно движется, тем больше у него кинетической энергии. Если взять мяч и бросить его, он будет ускоряться вниз, а это значит, что его кинетическая энергия увеличивается. Но откуда взялась эта дополнительная энергия?
Ответ: Она хранится в гравитационном поле. Это потенциальная энергия гравитации . Её величина зависит от напряжённости поля ( g = 9,8 ньютона на килограмм на Земле), массы тела и высоты над землёй. При падении мяча потенциальная энергия гравитации уменьшается, а кинетическая энергия увеличивается.
Прямо здесь вы видите нечто очень важное. Мы называем это законом сохранения энергии . Он гласит, что если у нас есть система без входов и выходов энергии (так называемая замкнутая система), энергия может менять форму, но её общее количество остаётся постоянным.
Наконец, у нас есть потенциальная энергия пружины . Это энергия, запасённая в упругом объекте при сжатии. Когда мяч падает на землю, он деформируется и останавливается. Если бы у вас была высокоскоростная камера, вы бы увидели, как он на долю секунды сплющивается, превращаясь в энергию пружины.
Затем мяч отскакивает, восстанавливая свою форму. Потенциальная энергия пружины преобразуется обратно в кинетическую энергию, действующую в противоположном направлении, и мяч подпрыгивает вверх. Вот как это выглядит:
GIF
Если это действительно замкнутая система, общая энергия останется неизменной от отскока к отскоку, и вы увидите, как мяч возвращается к своей первоначальной высоте. Конечно, это не очень реалистично. Вместо этого часть кинетической энергии рассеивается в виде тепла или звука при ударе. Тогда энергия пружины становится меньше первоначальной кинетической энергии, поэтому каждый отскок становится всё ниже и ниже:
GIF
Точно так же, каждый раз, когда ваши ноги касаются земли, часть энергии утекает. Но погодите! Когда люди идут, их рост остаётся постоянным шаг за шагом. Как это возможно? Всё потому, что мы восполняем потерю энергии внутренней энергией из пищи. Это работа мышц. Если мы включим этот источник в систему, энергия будет сохраняться.
Итак, вернёмся к нашему изначальному вопросу: можно ли собрать эту «потерянную» энергию и использовать её? Да, именно это и делают тротуары, работающие на энергии людей. Давайте посмотрим, как это работает.
Для этого можно использовать два основных метода: пьезоэлектрический или электромагнитный генератор. Обе эти технологии существуют уже давно, новизна заключается лишь в их применении на поверхностях, генерирующих электроэнергию.
Пьезоэлектрические устройства повсюду вокруг вас. Они в тех палочках, которыми вы разжигаете барбекю. Они в кнопках лифта, где отсутствие подвижных частей делает их гораздо более долговечными, чем механические кнопки старого образца. Именно благодаря им детские кроссовки светятся ночью.
Он основан на особом типе кристалла, например, кварца. При нажатии на кристалл изменяется структура атомной решетки, что приводит к разделению положительных и отрицательных зарядов. Другими словами, он создаёт напряжение, как батарейка, что приводит к возникновению электрического тока.
О, это работает и в обратную сторону. Если подать напряжение на пьезоэлектрический кристалл, он расширится. Приложите постоянно меняющееся напряжение, и кристалл начнет колебаться и издавать звук. Теперь у вас есть крошечный динамик. Благодаря своей тонкости они используются в поздравительных открытках, которые проигрывают мелодию при открытии.
Вот пьезоэлектрический динамик, который я вытащил из игрушки и подключил к светодиоду. Когда я ударяю по нему, энергии достаточно, чтобы светодиод загорелся. Круто, правда?
GIF
Теперь представьте, что вы поместили пьезоэлектрический кристалл в панель пола. Идущий человек будет надавливать на него, сжимая кристалл и генерируя электричество. Именно так японская компания Soundpower Corp (теперь Global Energy Harvest) создала свой пол, генерирующий электроэнергию.
Британская компания Pavegen использует пол с небольшими маховиками под ним. Когда нога надавливает на пол, маховик вращается, вращая катушку провода в магнитном поле, которое создаёт электрический ток. Это электромагнитный генератор, и именно так вырабатывается большая часть нашей повседневной энергии — вопрос лишь в том, что заставляет генератор вращаться. Обычно это ветер, вода или (чаще всего) пар от сжигания ископаемого топлива.
Итак, сколько электроэнергии может выработать один человек? Давайте проведём простой расчёт . (Физики именно так и поступают, когда хотят получить быстрое приближение — это позволяет нам понять, стоит ли вообще получать более точное число.)
Для начала кратко напомним о разнице между мощностью и энергией. Если коротко, мощность — это скорость передачи энергии. Как показано в следующем уравнении, это изменение энергии ( ΔE ) за единицу времени.
Если ΔE измеряется в джоулях, а Δt — в секундах, то мощность будет выражена в ваттах. Чтобы вы могли представить себе эти единицы, поднимите учебник с пола и положите его на стол, затратив около 10 джоулей энергии. Мощность, потребляемая обычной светодиодной лампой, составляет от 10 до 20 ватт.
Предположим, что наш идущий человек подобен очень сильно прыгающему мячу. Во время одного шага человек опускается вниз и ударяется об пол. При этом вся его кинетическая энергия (по нашим оценкам) теряется. Поскольку его кинетическая энергия возникла из-за изменения гравитационной потенциальной энергии, мы можем получить энергию одного шага, просто используя массу ( m ) и высоту ( h ), на которую он спускается. Таким образом, наша энергия одного шага будет равна:
Я возьму массу человека 70 килограммов с изменением роста на 2 сантиметра. И помните, гравитационное поле Земли равно g = 9,8 ньютона на килограмм. Но погодите! Каждый шаг составляет всего половину веса человека, поэтому умножим на 1/2. Предположим, быстро идущий человек делает два шага в секунду. Это значит, что мы можем использовать временной интервал 0,5 секунды.
Подставив эти значения, мы получим среднюю мощность 13,7 Вт. Конечно, это предполагает, что система абсолютно эффективна. Для минимальной оценки предположим, что КПД пола составляет всего 10%. Тогда средняя выходная мощность составит 1,37 Вт. Думаю, если бы у вас было значение от 1 до 10 Вт, это было бы правдой.
А что, если бы в загруженном аэропорту был этаж, работающий от людей, и на человека приходилось бы 5 ватт? Это значит, что 100 человек давали бы вам 500 ватт общей мощности. Этого должно было бы хватить для освещения зала ожидания. Конечно, когда аэропорт безлюден, например, поздно ночью, света не будет, поэтому неплохо было бы иметь какой-то резервный источник.
Комментарии