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人生unstable -- あるハッカー
既視感 (スコア:4, すばらしい洞察)
上を通る自動車で発電しようというもの。（/.Jでも以前紹介されていたような）
これって結局、「発電のためのエネルギーがどこから来るか」を考えてしまうと、
あまりよろしくないシステムな気がします。
発電するためには、人が上に乗った際に「仕事をしてもらう」必要があるわけで、
この装置の場合は床が微妙に下がることで実現されます。つまり、これは通る人に
「平地を歩く代わりに上り坂を上がってもらう」相当のことで発電するわけです。
（クルマ発電の場合は、その分ガソリンが多く消費される）
1000万人が60kgの体重を1cm持ち上げる仕事を1日4回（通勤往復×出入）、これを
効率30%で発電できたとしても、
Re:既視感 (スコア:1, 興味深い)
今回のアイデアはその無駄となっているエネルギーを回収する手建てです。
また舗装された硬い床を歩行・走行する際の衝撃が、
人の足腰に無視できない負担をかけていることは御存知でしょうか。
この衝撃を積極的に吸収できれば、むしろ人体の負担を減らす効果すら望めるかもしれません。
とはいえ圧電素子じゃ硬い床と大差ないと思うので AC
Re:既視感 (スコア:1)
「無駄なエネルギーの回収」とは呼べないでしょう。
やるとしたら、下り階段の踊り場ですね。そこはまさに、「位置エネルギーが無駄
に消費されている」場所だから。ただ、「下り限定」の階段なんてない点（あるけど
守られていない。発電階段を登りに使うと疲れる）と、人が1人ずつ降りてくるわけ
ではないというところが難しい。
クルマ発電の場合なら、減速する箇所にだけ設置するというならありかもしれない。
例えば、「この先急カーブにつき減速」という場所に設置するなら、「無駄なエネ
ルギーの回収」と呼べるかも。（ただし、この場合でも、回生ブレーキのついた
ハイブリッドカーにとっては無駄でしょうけど）
それより私は、1000万人分の足踏みを受け入れる大掛かりな設備を仮定しても、
発電量が大して見込めないところに注意を向けるべきだと思うのですが。
太陽電池より耐久性低そうだし、発電設備維持分も出ないんじゃないでしょうか。
それと、固い床では足腰に負担が…というなら、全床でやらないと。全床でやる
くらいなら靴に仕込んだほうがいいですね。…っと、それは既にある [google.co.jp]か。
Re:既視感 (スコア:0)
そこから上り坂を登るに匹敵する労力で脱出する必要があるとでも思ってますか？
Re:既視感 (スコア:1)
Re:既視感 (スコア:0)
もしくは床素材の違いの差とほぼ同等であり、階段などの極端な差は生じません。
位置エネルギーと運動エネルギーの違いを認識しましょう。
Re:既視感 (スコア:1)
はい、そこに見解の相違はありません。（圧電素子ですから）
ただし、私の見解では、「沈み込む量は議論の内容には影響しない」のです。
「発電されたエネルギー分は上り坂になる」という原則は変わらないわけで、
沈み込む量が少ないなら登りも少ないですが、発電量も少ないということ。
# 圧電素子による発電で特許は多数出ていますが、発電が数mWでせいぜい
# LEDを発光させる程度。利用した例は光る団扇 [slashdot.jp]くらいしか知らない。
# …床に落とすと光る棒は商品化されたんだったか？
> 位置エネルギーと運動エネルギーの違いを認識しましょう。
ここで「ああ、足で踏むときの運動エネルギーを回収するってことか？」と、
思わず納得しかけたのですが、いやいや、ちょっと待った！(笑)
圧電素子は変形するのですよね？ その変形は下に下がるのですよね？ 発電量
は、圧力で変形した分ですよね？
Re:既視感 (スコア:0)
「発電＝客に負荷がかかる」みたいな短絡的なコメントがいくつかあるけど、
教科書に載ってるエネルギー保存則か何かを丸暗記する程度の知能しかないのかね。
それとも人の歩行のエネルギー効率は猛烈に高くて、
そこから何かエネルギーを取り出す以上、
余分な負荷は避けられないとでも思っているのかね。
似たような例として、自動車のサスペンションの上下動を利用して発電するシステムを発案したら、
やっぱり「必ず燃費が悪くなる」とか言い出すのかな。
Re:既視感 (スコア:2, 参考になる)
人間が足を着く際、蓄えた運動エネルギーは基本的に回収されず、
地面に足を突いた瞬間に足への衝撃と音、そして熱へと変化します。
例えば、足の裏に置くゴム状の素材のパッドがありますが、
あれは踏み込んだ際の運動エネルギーが衝撃に変わる前に、
ゴムが変形することにより弾性エネルギーとしてエネルギーを回収し、
後に足を踏み出す際に再利用することを狙ったものです。
ちなみに、パッドを轢かない場合の衝撃は足や地面に熱や音として散っていきますが、
一部は足の細胞や骨へのダメージ(変形など)として蓄積します。
一方、圧電素子は既に発生してしまった衝撃の一部が
熱に変わるより前に電気エネルギーとして回収するものです。
従って、圧電素子を踏んでも、発生した衝撃が熱ではなく、電気に変わるだけなので、
基本的にエネルギーロスは無いです。
しかし、一方で圧電素子が硬く、始めに発生する足への衝撃が増える可能性もあるので、
結局足への負荷を考えると、嬉しくないような気もしますね...
# その電力でオゾンが発生して、水虫予防・消臭効果があるというなら話は別でしょうが...
Re:既視感 (スコア:1)
という部分については分かりかねますが、
> そこから何かエネルギーを取り出す以上、
> 余分な負荷は避けられないとでも思っているのかね。
については真だと思っています。少なくとも、うまい話にはまず懐疑の目を向けるべきだと思っています。
議論を通じて、最終的に自分が間違えていると判明するなら、それはそれで素晴らしいことでしょう。
Re:既視感 (スコア:0)
＃願わくば、間違いを素直に認められる人でありますように
Re:既視感 (スコア:0)
歩く際に靴底が変形するとロスが生じるから、靴底のクッションは無い方が良いとか、いっそ鋼鉄の方が疲れないとか本気で思っているのでしょう、こういうコメント投げる人達は。
Re:既視感 (スコア:1)
では、そうなるよう努めてきたつもりです。
とりあえず nue-nubataさんのコメント(#988630) [slashdot.jp]で7割がた納得したのですが、
まだ記憶のどこかが「ヒトの二足歩行における上下動は、歩行の推進の力として回収
されるんじゃなかったか」とチリチリ言ってます。（ググっても見つからんなあ）
ついでに過去ストーリーを思い出したのでメモ。
床に落とすと光る棒の過去ストーリーはこれ。→ぶつけると光るダイオード [slashdot.jp]
Re:既視感 (スコア:0)
「ふわふわの絨毯の上を歩くより」ってどんな状況を想像してるねん＞＜
√既視感 (スコア:1)
フロに入っているときにやっと納得のいく答えにたどり着きました。エウレカと叫びながら裸で駆け回ってはいません。:-)
結論から言えば、AC氏やnue-nubataさん、私を含めて誰も正解ではありませんでした。（たどり着いた答えが正しかったとして、ですが）
検証をお願いしたいですが、ちと長くなるので別途…。
Re:√既視感 (スコア:1)
（いや、推論は合っているのだが適用個所がおかしい）
Re:√既視感 (スコア:0)
Re:既視感 (スコア:1)
結論としては、ご指摘通り、ムダになる運動エネルギーが回収されるというのは正しいです。が、
歩行者の負担が増えるのもまた正しいです。その意味で、誰も正解ではないということです。
（ということで、昨夜考えた方向で正しそう。その時点では検討不足の部分はありましたが）
これは、AC氏が指摘するほどにトリビアルな問題ではないと思います。私も含めて全員が、それぞれ
ある前提条件（例えば私は小さな圧電床上を平行移動する荷重を想定、nue-nubataさんは圧電床と
そうでない床の変形量が同じと想定）で話を進めており、その前提条件に限定すれば各々が至った
結論は正しかったのです。
普通の駅の床と圧電床が同じ硬さなのか、といった細かい部分まで含めると非常に長くなりそうなので
（途中で断念した）、機会があればどこか別の場でまとめたいと思います。
ポイントだけ書くと、圧電素子を歪ませる力の成分は2つに分類できるという点です。
(a) 本来無駄になる上下動によってもたらされる「衝撃」分
(b) 歩行者の体重によってもたらされる分
ここで、(a)は無駄に熱になっているエネルギーの回収ですが、(b)のほうは違います。
厳密には、「1つの長い圧電素子上をずっと歩き続ける」または「床ではなく、靴に圧電素子を
仕込んで歩く」のであれば (a)の上下動「衝撃」のみでまかなえますが、圧電素子から普通の床
（または別の圧電素子）に移るときには、(b)の体重で圧電素子が歪んでいる分が歩行者の負担増と
して現れるということです。
ちなみに、今回の装置は複数の圧電素子を床下に仕込んであり、1歩ごとに違う圧電素子を踏むこと
になると思われるので、体重による負担増は発生します。慶応大研究室のPDF [keio.ac.jp]に床下の写真あり。
圧電素子の歪み程度は、柔らかいマットの上を歩くより少ないだろう、というのはその通りですが、
それはまた別の話で、「もともとマットの上では歩行者に負荷がある」という事実が圧電素子に移る
だけです。そして、JRや慶応大研究室が想定する圧電床の応用では、マットの置き換えだけでなく、
（硬い床も含む）多人数が歩く場所、という点に注意してください。（今回は改札口）
靴の中敷による衝撃吸収はさらに別の次元の話で、床と重複して効果が発生するので圧電床による
負担増の議論には影響しません。詳細は割愛。
なお、歪みは僅かなので、歩行者が意識するほどに負担は増えない、という事実については異論は
ありません。ただし、裏を返せばそれは発電量が僅かということに他なりません。
PDF資料に「1歩あたりの発電量0.5Ws(=0.5J)」とあるのでこれで試算すると、1000万人が1日16回
（往復×改札出入×1改札あたり4歩）足踏みするとして発電量は20kWh強 [google.co.jp]です。
正直なところ発電効率が大きく改善しないと、設備投資分の電力を出すのも難しいと思います。
Re:既視感 (スコア:1)
> (a) 本来無駄になる上下動によってもたらされる「衝撃」分
このとき、歩行での上下動は80cm-√(80cm^2-25cm^2)=4cm [google.co.jp]です。
(圧電素子の変形量に関係なく)この高さによる位置エネルギーが圧電素子に与えるエネルギーになりますから、
(足を除いた)人体の上下動する部分の質量が40kgとして、
圧電素子が受けるエネルギーは40kg×g×4cm=16ジュール [google.co.jp]になります。
> (b) 歩行者の体重によってもたらされる分
こちらのエネルギーは、加重×移動量になります。
圧電素子の変形量については具体的データは無いのですが、ちょっと多めに見積もって1mmとしましょう。
このとき圧電素子が受けるエネルギーは60kg×g×1mm=0.59ジュール [google.co.jp]になります。
というわけで、圧電素子が得るエネルギーは、「体重」によるものはわずかで、「衝撃」の方が支配的です。
(b)の方だけを取り出して「発電している分歩行者の負担が増える」などとと主張するのは間違いでしょう。
Re:既視感 (スコア:1)
# ちなみに計算ではなく、仮定したパラメータと極めて不正確な実測を組み合わせた手法です…。
歩行で重心が4cm上下するか分かりかねますが、仮にその半分だとしてもまだ90%以上を上下動の「衝撃」
が占めることになり、taka2さんの試算の通りだとすると、確かに「歩行者の負担が増える」とまで主張
するのは難しそうです。
今回使用している圧電モジュールの変形量などの情報が分かればまた書きたいと思います。
Re:既視感 (スコア:1)
taka2さんの試算に不備を見つけたので、それについてまとめます。しつこくてすいません。
（こういう長く続く議論には、あまり/.のシステムは向かないと思う…）
… … … …
まず最初に、「圧電素子は変形することでエネルギーを取り出せる」という事実を再確認
させてください。
衝撃を与えても、それが圧電素子の変形に結びつかないのであれば（つまり、衝撃が圧電素子を
歪ませるという仕事によって消費されないのなら）エネルギーとして取り出せません。
ここは誤解している人が多そうなので、再度強調させていただきます。いただいているコメントを
みる限り、圧電素子は変形しない（あるいは、変形は僅かであり、取り出せるエネルギーとは無関係）
と誤解している人が多いように思われます。
… … … …
さて、歩行者の上下動による「衝撃」が圧電素子に与えるエネルギーとして、taka2さんの試算では
「体重(質量xg) x （歩行者の上下動による）高さ」としています。ここに問題があると思います。
位置エネルギーとしては確かにその通りなのですが、このうち圧電素子へどれだけエネルギーを与えるかは、
歩き方や履いている靴に中敷があるか、圧電素子がどのように床に支えられているか、といった諸条件に
よるためです。
分かりやすいように、極端な例を提示します。
仮に、圧電素子の下にクッションが敷いてあり、衝撃が圧電素子を変形させることなく通り抜けてクッションに
吸収された場合は、圧電素子から取り出せるエネルギーは0です。（もちろん、圧電素子は完全剛体ではないから、
これは現実にはありえない）
また、圧電素子の上にクッションがあり、これが全ての衝撃を吸収したならば、圧電素子に伝わる衝撃は0なので
これまたエネルギーは取り出せません。（これはありうる）
つまり、歩行の上下動による位置エネルギーは上限値に過ぎません。この上限値のうち、どれだけが圧電素子
以外に吸収され、どれだけが圧電素子を変形させる仕事をしているかの考察が、taka2さんの試算に欠けている
と思います。
問題は、圧電素子以外で消費されるエネルギーが、どれだけの部分を占めるかです。
そこについては条件によって大きく変わってくるために見積もりが難しいのですが、足そのものの構造
（土踏まずなどの生体クッション機構）や靴の中敷などを考慮すると、圧電素子以外に吸収される数値は
決して小さくない数値なのではないでしょうか。
実際、私の実測値（きわめて不正確ですが）では、それは体重による変形と同等か、それよりも小さいように
思われるのです。
一方、体重による変形はどうでしょうか。これは実は、中敷などのクッションに左右されない、圧電素子に
固有の値となります。60kg重という力を受けて圧電素子が変形する分は、圧電素子が体重を支える以上、
絶対なくせないためです。
圧電素子の上下にクッションがあろうとも、です。クッションがある場合は、圧電素子もクッションも等しく
60kg重の力で押され、歪んだ状態となります。（圧電素子やクッションの質量は、歩行者の体重がかかる前から
かかっているため、ここでは考えないとします）
さて、ここでもちろん、体重による変形が小さい圧電素子を仮定してもよいです。例えば、taka2さんの試算
では変形を1mmとしていますが、0.1mmなのかもしれない。そうなると取り出せるエネルギーのうち、体重が
寄与する部分は減りそうに思えます。
しかし、このように変形しづらい圧電素子であれば、（確かに体重によって得られるエネルギーを小さく
見積もらなければなりませんが）同時に衝撃からのエネルギー変換効率も悪くなるはずなのです。
圧電素子はより剛体に近くなり、衝撃はそのまま通過するか、あるいは土踏まずや靴の中敷に返ってくる
だけです。そして、圧電素子以外の場所で熱に変わるか、あるいは中敷などの弾性体に蓄えられることに
なるでしょう。
逆に言えば、高い変換効率を目指した圧電素子であれば、ある程度は変形してくれないといけません。
ということで、今回の圧電素子の変形っぷりが分からないことには正確な答えが出せない、というのが
現時点で結論として言えることかと思います。もちろん、やはり体重分より衝撃分の寄与の方がはるかに大きい、
という結果に落ち着く可能性もあるでしょう。
引き続き、変形についての調査でなにか分かればまたコメントします。
Re:既視感 (スコア:1)
私の理解としては、「圧電素子」は基本的に「大きい力」で「微小な変形」をするものです。
だから、「できるだけ大きな力」を圧電素子に与えるのが重要でしょう。
圧電素子は「人間の体重」レベルでは、それこそ「1mmも変形しない」と思いますし、
「変形が1mmだとしても、体重によるエネルギーは0.59ジュールになる」のに対し、
「一歩で0.5ジュールを取り出している」わけですから、
変換効率などを考えると「衝撃によるものが大きいはず」だと私は考えます。
・衝撃のエネルギーについて、圧電素子以外で吸収される分について
たしかに、その点について検討してませんでした。で、おおざっぱな計算ですが、
作用反作用の法則的には圧電素子の下面も、圧電素子も、圧電素子の上面も、靴底も、
すべて等しい力を受けます。つまり、変形量の比=仕事(受け取るエネルギー量)の比になります。
トータルの変形量が6mmで、そのうち圧電素子の変形量が1mmだとすると、
(元記事で試算した衝撃のエネルギー16ジュールのうち)
圧電素子は2.6ジュールを受け取ることになります。
あるいは、別の計算をすると、4cmの自由落下は90ms [google.co.jp]かかり0.89m/s [google.co.jp]に加速しますので、
それが 6mm で速度0になるためには、13ms [google.co.jp]間、66m/s^2 [google.co.jp](=6.7G)で減速する必要があります。
その間、体重の6.7倍の衝撃力が圧電素子に加わります。それで圧電素子が 1mm 変形したら2.6ジュール [google.co.jp]
この数値(圧電素子に加わるエネルギー)は、クッションが柔らかい(全体の変形量が大きい)ほど小さくなります。
このパラメータ次第で全然数値が変わってきますので、定性的な議論が難しいのですが、
「衝撃による力」と「体重による力」が等しくなるのはどこかというと、
それは「重心の上下動において、重力で加速する距離」と「クッションで減速する距離」が等しいときです。
重心の上下動4cmとして、「2cmで加速して」「2cmで減速する」場合ですね。
それよりも「加速距離の方が長く減速距離が短い」のであれば、「圧電素子の受ける力は、体重によるものより衝撃によるものの方が大きい」ということになります。