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2005年12月17日 (土)

ジャイロミル型風車の起動を考える

予告しましたジャイロミル風車の続編です。2005年12月2日掲載の「ジャイロミル風車の揚力を考える(その2)」での屋根裏工場長さんのコメントを参考に、ジャイロミル風車の起動時のメカニズムを素人なりに考えてみました。間違っていたらご指摘下さい。

まず、どうやればわかるか考えたあげく、思いついたのが1枚の翼にすることです。

051217gyrokidou 左の図をクリックして拡大し、ご覧ください。【図1】は、実験装置の写真です。パルス発電の磁石を外し、風車の垂直翼を1枚にしました。軸をはさんで反対位置には、バランスをとるため同じくらいの重さで、かつ風の影響が少ない穴明き金具を取り付けました。
【図2】は、その一枚翼の位置が風に対して、最初どの位置(A~H)にあったとき起動するか、又は、しないかという説明図です。風は扇風機の設定を「弱」(風速約2.5m/s)にして、扇風機の正面から見て右側の風を約250mm離して当てました。

実験の結果、A~Eの位置では左廻りで起動し連続回転まで行きます。Fの位置では左廻りの方向に動きますがHの位置付近まで行って止まり、やがて逆方向に引き戻され、Gの位置で止まります。Gの位置からは、停止のまま動きません。Gの位置では右方向に逆回転し、Fの近くまで行って引き戻され、Gの位置で止まります。現象は見たままですので事実です。

さて、ここからは推定です。現象は正しいのですが、理屈は後付けですから屁理屈かもしれません。

「揚力」(飛行機が翼で浮く力)と「抗力」(風が押す力)に分けて考えました。【図2】右上の凡例に示すように、力の成分(専門用語でベクトルという)は、揚力ベクトルを「青矢印」、その回転方向のベクトル成分を「太い青矢印」、抗力ベクトルを「濃い赤の矢印(茶色に見える)、濃赤矢印と略す」、抗力の回転方向ベクトル成分を「太い濃赤矢印」、回転軸に固定されているために反作用として引っぱられたり、反発したりするベクトル成分を「灰色矢印」で示します。回転方向は「赤矢印」です。
つまり、ベクトルを図の上で足し算したり、引き算したりするのですが、一寸怪しいかもしれません。

最初にA~Gの、どの位置に停止していたかによって分けて考えます。

【Aの位置】
風によって翼に発生する揚力(青)から、翼が回転円に固定されているため軸の中心へ向かう力(灰色)とのベクトル差が揚力による回転力(太い青)になります。翼が風で押される抗力(濃い赤(茶色に見える)、濃赤と略す)はこれより少ないので赤矢印のように左方向に回転を始め、一旦動き出すとその慣性力で連続回転を始めます。

【Bの位置】
翼の形としては逆さまになっています(飛行機のアクロバット飛行で逆さかまでも飛べるのと似ている)が、風との迎角で揚力が図の青矢印のように働き、軸を押す分の反作用の力(灰色)とのベクトル差として太い青矢印の力になります。一方、翼型分の角度によって翼が濃赤矢印の抗力で押され、その軸を押す分の反作用とのベクトル差で、回転方向とは逆方向に太い濃赤矢印の力が作用します。しかし、太い青矢印の方が大きいため、左回りの回転力が働き起動すると思われます。

【Cの位置】
ここからはもう揚力は働きません。翼型分の角度の差によって、翼が濃赤矢印の抗力で押され、左廻りの力の方は右回りより強いので、太い濃赤矢印の力となって起動します。

【Dの位置】
翼型分の角度によって、翼が濃赤矢印の抗力で押され、回転方向成分である太い濃赤矢印の回転力で起動します。

【Eの位置】
翼が押される抗力の方向は、回転方向と同じ方向ですので、濃赤矢印の力で起動します。

【Fの位置】

翼が風の方向に対し、図のように斜めになっていますので、軸に引かれる力とのベクトル差の太い濃赤矢印の力で動きだします。ただし、ここからだとスピードや慣性が充分つかないので、一旦Hの位置まで行きますが、ブレーキがかかり逆回転の力で引き戻され、やがてGの位置で止まってしまいます。

【Gの位置】
風で押されて抗力は、軸に固定されている方向と相殺され、全く動きません。

【Hの位置】
翼が風の方向に対し、図のように斜めになっていますので、軸に引かれる力とのベクトル差の太い濃赤矢印の力で逆方向の右回り方向に動きだします。そして、Fの位置まで行き、ブレーキがかかり逆回転の左回りの力で引き戻され、やがてGの位置で止まってしまいます。

このように考えてくると、起動時は「抗力」の影響が大きいのではないかと思いました。だとすると、サボニウス風車のように抗力を有効につかうよう風車と組み合わせほうが起動特性は良いのかなと思います。
それに、翼型が、下の面がフラットであるクラークY型より、下の面も上下対象に膨らんだ翼型の方がいいのかなとも思いました。でも労力を考えると翼を作る気力がありません。なんて弱音を吐いています。

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2005年12月15日 (木)

男の料理で心と体を健康にしよう

うちの奥さんが海外旅行にいった留守中、コンビニ弁当にあきて、ついに料理をはじめました。けっこうはまってしまい、もう1ヶ月半以上続いています。

定年後、現役で仕事中毒だったせいか貧乏性なのか、純粋な遊びだけの趣味は、こんなことしていて良いのかと後ろめたく感じて、空しくなることもありました。
その点、料理は家事の分担になり、最低限でも自分が自立して生きることに役立ちます。この「役立ち感」のためか、私にとっては精神的に楽で心の健康によいと感じます。

それに、美味しいものを食べるから太るかと思いきや、体重をはかってみたら約1Kg痩せており、今まで超過剰で気になっていた「内臓脂肪レベル」が2レベルも下がっていて嬉しくなりました。実は、私は背骨が弱いので、フライパンを持ち上げる姿勢は辛いのです。でも、この姿勢が腹筋をつかう運動になっていて、食事の前の運動になり、おなかも空くし健康によいみたいです。

料理は食材を工夫して作る技術なので、創造的なところは電子工作と似ています。
おまけに年金生活はエンゲル係数が高い(家計に占める食費の割合が大きい)から、食費を使って遊べる料理は、定年後の趣味として最適です。

全て独学で、今のところ、料理本、つまりマニュアルと首っ引きです。素材の買い物から始まり、準備と調理にとても時間がかかりますが、定年後で時間はたっぷりあります。おかげさまで野菜、肉、魚の値段に興味がもてるようになり買い物が楽しくなりました。
始めて買った料理本は「お料理はじめてさんの人気ごはんNo2」(芝パーク出版、500円)で野菜の切り方や火加減もでていて便利です。残り物対策に買ったのが「100円ご飯&50円おかず」(インデックス・マガジンズ 500円)です。そして健康を考えて買った料理本が「ちょっと気になる高血圧」「ちょっと気になる中性脂肪」(㈱オレンジページ 2005.7.12発行 各1,050円)です。この本は、字が大きく写真もきれいで年寄りにも見やすい本です。

定年後の男性諸君、「趣味の料理」は心と体の健康に最適で、奥さまサービスにもなり一挙両得です。是非お勧めします。

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2005年12月10日 (土)

ドラマで見る、命の重さと理不尽

私はテレビドラマが好きでよく見ます。ブログ「ドラマは何でも教えてくれる」も良く見ています。NHKの朝ドラを見るために規則正しく起きるくらいです。
今期のドラマで、とても良かったのは日本テレビ・水曜日の「あいのうた」とフジテレビ・火曜日の「1リットルの涙」です。

「あいのうた」は病気で余命短い元刑事と、ひねくれて投げやり的だった女性との愛がテーマでした。玉置浩二さんと菅野美穂さんの抜群の演技と、脇役の俳優(和久井映見さん、成宮寛貴さん、小日向文世さん、子役、犬)とのやりとりが絶妙でした。主題歌も素敵でした。
「1リットルの涙」は若くして亡くなった木藤亜也さんの難病がテーマでした。主役の沢尻エリカさん、男友達の遥斗役を錦戸亮さん、父親を陣内孝則さん、母親を映画「ALWAYS、三丁目の夕日」にも出ていた薬師丸ひろ子さん、妹を「瑠璃の島」の成海璃子さんが演じていました。特に、「がんばっていきまっしょい」にも出ていた錦戸亮さんが、一見つっけんどんな態度なのに、実は心が暖かい役をうまく演じており、どうにもならない病気と闘う亜矢さんに、かける言葉もなく、そっと寄り添い、共に歩もうとする姿勢と雰囲気を醸し出していました。彼はいい俳優だなぁ~と思いました。主題歌もグッと心に迫ります。

この二つのドラマは、いずれも命の重さと、現実を生きるということには、どうしようもなく理不尽(道理にあわない)で不公平なこともあるということを教えてくれます。

私の好きな本に、河合隼雄著「ユング心理学入門」(培風館1967年発行)があります。その中に、心理療法家の立場を説明したところがあります。例えば、結婚式を目前にして、最愛の彼が交通事故で死んでしまったとします。そして、その相手の彼女が「なぜ(Why)? なぜ? あのひとは死んでしまったの?」と、あなたに尋ねたとします。あなたは、どう答えますか? 医者なら「頭部外傷により・・云々」と答えるでしょう。これは自然科学者の立場です。問を「いかに(How)」に置きかえて答えています。でも、彼女の問いであるWhyはそういう解答を求めているのではありませんよね。心理療法家は、この素朴で困難なWhyを問いかける一人の悲しい人間を前にして、直接には解答を出せないにしても、少なくとも共に歩もうとする姿勢を崩さないのだそうです。二つのドラマはこの姿勢を見せてくれました。

ただでさえ、命の重さや大切さをないがしろにする殺人事件や、命を粗末にする自殺が多い世の中です。世の中には理不尽にも、生きたくても生きられない病気のひとも沢山います。殺人などを軽々しく扱うドラマなどはやめて、命の重さや人生の理不尽さ、それに寄り添う真のやさしさをテーマにした感動のドラマがこれからもでることを期待しています。

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2005年12月 7日 (水)

「ALWAYS 三丁目の夕日」に感動しました。

昨日、映画「ALWAYS  三丁目の夕日」を観てきました。「この胸いっぱいの愛を」「蝉しぐれ」もとても良かったけど、この映画が最近では一番かな、とにかく懐かしかったです。

有名な漫画の映画化で、あのヘナヘナとして肩の力が抜けたような、ほのぼのとした雰囲気がとても良く出ていましたね。例えば、自動車修理工場の短気な父親・鈴木則文さん(堤 真一)が、集団就職できた星野六子さん(堀北真希)に腹をたてて、すごい形相で向かって行こうとする場面で、奥さんのトモエさん(薬師丸ひろ子)が、小柄な体を張って背中で押し留め、目を丸くして必死にがんばる姿なんか、かわいくて漫画の雰囲気そのものです。いいなぁ~と思いました。

うらぶれた作家・茶川龍之介さん(吉岡秀隆)が貧乏なので、結婚指輪の空の箱だけを見せ、石崎ヒロミさん(小雪)にプロポーズしたとき、ヒロミさんがその心に感じて、見えない指輪をはめてというシーン。母親への誤解から故郷に帰りたくない六子さんに、トモエさんが、子供を心配しない母親なんていないと六子さんのお母さんからの手紙を見せるシーン。吉行淳之介少年(須賀健太)が豊かな暮らしよりも、茶川龍之介さんのプレゼントである心のこもった万年筆を大切に思って真心を感じていることなど、感動してウッとくるシーンが沢山ありました。善人ばかりで悪者がいないのが私は好きです。

映画というのは、視聴率のために最初から盛り上げるTVドラマと違い、最初は延々・淡々と伏線を流して、最後にどっと盛り上げ感動させる場面につなげて行く手法が鉄則であると、昔、誰かに教えてもらったのですが、その手法をオーソドックスにきちんと守ってましたね。六子さんが故郷に帰る汽車の窓から、走るオート三輪車にのった鈴木一家に手を振るシーンも感動場面の定番ですね。
大きな仕掛けを使わなくても、日常のなんでもないようなシーンを感動の場面に変えることのできる映画って作れるのですね、感心しました。

昭和33年の頃、東京タワーができたそうで、よく調べたら私が中学1年~2年の頃なんですね。今のようになんでもある時代と違って物に感動できて、人への思いやりがあって心が豊かな時代だったと感じます。昔のことって、その時代を生きているときにはわからないけど、思い出すときは良かったなぁ~って思うのかな。現代だったら人への思いやりもお節介なんてことになるし、人が心を失ったって言うけど、自分のわがままな心が時代を変えたのでしょうか。でもよく考えると、あの時代はあの時代で、我慢していたことも多かったし、苦しいことも多かったです。人間というのは、思い出になると、過去の辛いことでも懐かしくなって、よかったなぁ~と思えるのかもしれませんね。

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2005年12月 6日 (火)

ジャイロミル型風車のパルス発電を直列2段にする

夢の「癒し風力発電」を目指し、ジャイロミル型風車の発電コイルを2個(E30フェライトコア、巻数384Tと415T)にしました。その2個のパルス発電回路の倍電圧整流を2段に直列接続しました。その結果、扇風機「弱」でも青と緑の発光ダイオードを点灯できるようになりました。

051128_2baidenatu 左の図をクリックして拡大してご覧ください。【図1】は発電コイル部を上からみた写真。【図2】は発電実験の写真です。相も変らぬ写真ですが、扇風機が「弱(平均風速約2.5m/s)」で青色と緑色の発光ダイオード(LED)が光っています。扇風機から25cm離し、扇風機の右半分の位置に風車の中心を置き、ネオジウム磁石とフェライトコアの間のギャップを約4~5mmにした条件で、直列2段の倍電圧整流回路の出力電圧Vdcは、無負荷で4.2Vとなりました。このときパルス周期は170msで毎秒5.9回転となります。風車の最外周の速度(周速)は2.4m/sとなり、風速と同等です。
倍電圧整流回路は、負荷をつなぐと急速に電圧が低下します。写真のLEDをつないだ状態ではVdcは2.6Vとなり、ほとんどLEDの順方向電圧になってしまいます。専門用語でいうダイオード電圧に「クランプ」されたような値ですね。
この状態で扇風機を「強(平均風速約4.5m/s)」にすると、無負荷のVdcは7.8Vにもなりますが、LEDつなぐとやはりVdcは2.6Vにクランプされてしまいます。このときの周期は100msで毎秒10回転、風車の最外周の速度(周速)は4.1m/sとなりました。

【図3】は直列2段の倍電圧整流回路の回路図です。雑誌「トランジスタ技術」に風力発電の倍電圧整流を直列にする記事があったのでヒントにしました。
【図4】は【図2】の扇風機「弱」の条件でのVdcの電圧波形です。ノコギリ波のような波形です。2個のパルス発電コイルを180度ずらして設置しているので、周期170msの半分で電圧が一旦3Vまで上がり、斜めにLEDで放電して2.5V近くに下がっています。

これで、扇風機「弱」で青色LEDを脈動点灯できるようになったのですが、これで自然のそよ風で点灯する「癒し風力発電」ができるかというと、甘い甘い、これが全然だめなのです。何故だと思いますか? 実は、自然の風は扇風機のように連続した風ではないからです。自然風は、瞬間、瞬間で、風速が絶えず変化し無風にもなります。ジャジャ馬娘のように気まぐれですので泣かされますよ。
このジャイロミル風車は、起動から最高回転に達する時間がとても長く、扇風機「弱」で約40秒、「強」でも25秒と、気が遠くなるくらいです。ですから住宅地のそよ風で最高回転に達することはほとんどないのです。

起動はフェライトコアのコイル直下にネオジウム磁石がある風車の位置からの起動はもちろんできません。その他の位置でも前に述べたように「ある位置(風との角度)」からのみ起動できます。

次回は、屋根裏工場長さんのご指摘をヒントに、ジャイロミル風車の起動時のメカニズムを素人なりに考えてみたいと思います。

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2005年12月 2日 (金)

ジャイロミル型風車の揚力を考える(その2)

前回(2005年11月9日に掲載)の「ジャイロミル風車の揚力を考える」の記事に「趣味際的模型航空」の趣味際人さんがトラックバックをしてくださいました。私が引用した「翼形の揚力係数と迎角の関係」グラフはレイノルズ数の大きい場合であって、私のジャイロミル風車のブレードはレイノルズ数が極めて低く、最大揚力係数はせいぜい1.0程度であるとの指摘をいただきました。
それに前回、起動が扇風機の風とブレード(羽根)との角度(迎角)がある位置で働く揚力によると書きましたが、今日、扇風機の羽根の位置との関係をよく見たら、どうも、ブレードを押す力(抗力)で起動しているのではないかと思われます。もちろん素人考えですので間違っているかもしれません。

051202youryoku 左の図 をクリックして拡大してご覧ください。前回の図に追記したものです。【図1】は、前回のものにレイノルズ数の低い場合の特性を推定で破線のように追加しました。趣味際人さんによると、翼弦tmm、速度Vm/sの翼のレイノルズ数は、おおむね(70×t×V)だそうで、私の場合、t=50mm、相対風速が起動時2.5m/s程度ですので8750と目茶目茶低いです。レイノルズ数が10万以下の場合、一般的には最大揚力係数は1.0前後だそうですから、私のブレードは、起動時は、とんでもなく低い性能です。

また、前回、ブレードが【図2】の「A」のブレードの位置にあるとき、扇風機「弱」(風速約2.5m/s)でも起動するので、これは【図1】でいうブレードの迎角(風との角度)αが揚力の働く範囲だったから起動したのではないかと書きました。
しかし、よくみると「A」がこの位置にあるとき「C」のブレードは最も風が押す力を受ける位置になります。今日、よく扇風機の羽根の位置や風の強さの関係を調べてみましたら、扇風機の羽根の部分によって風の強さが異なり、どうも「C」のブレードに最も強い風があたり、「A」がそれよりも弱い風があたる関係になっているとき、うまく起動することがわかりました。つまり「C」の位置にあるブレードを押す力(抗力)が働く力によって起動していると考えられます。

では全く揚力は関係ないかというと、そうではありません。なぜならば、「A」の位置にあるブレードには全く風があたらない位置まで扇風機をずらすと、こんどは最大回転数があがらないからです。

つまり、起動時は、「C」のブレードに働く抗力で起動し、だんだん回転があがり「A」の位置近辺にあるブレードにあたる相対的な風の速さが速くなってくると、こんどは「A」のブレードの揚力がだんだん強くなり始め、回転数がだんだん上がってくると思われます。

ブレードの最大速度は概ね(3.14×ジャイロミル風車の直径(m)×回転数(回転/S))です。回転数はパルス発電のパルス周期をオシロで計れば、その逆数ですから計測できます。回転数を計って、計算したところ扇風機「弱」(風速約2.5m/s)で約2.4m/sでした。
ということは、ブレードの回転速度は風速と同程度ということになります。サボニウス風車のような抗力による風車の最大先端速度は風速以上にならないことが知られています。このジャイロミル風車は、抗力で回転する風車における、回転円の一番外側の先端部分の最大速度とあまり変わらないことになります。

結論としては、私のジャイロミル風車はブレードへの「抗力」と「揚力」が助けあっって回転しているというのが、一番正しいのではないかと思いました。

【図3】に示すように揚力は起動時は大変弱く、風車の回転力には利かず。最大回転時は【図4】のようにブレードの回転による相対風と、扇風機からの風が合成された「総合風」によって、揚力も回転力に利いてくるのではないかと思います。

模型飛行機用の低レイノルズ数用翼型や「乱流翼」にすると良いらしいのですが、残念ながら今のところ、どんな翼型が良くて、ジャイロミル風車の場合、どう作れば良いのかわかりません。

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