往復旋轉(zhuǎn)健身動能提取方法及與利用研究

往復旋轉(zhuǎn)健身動能提取方法及利用研究上海市宜川中學楊斌摘要：很多健身器材產(chǎn)生的動能，是往復旋轉(zhuǎn)動能而不能直接通過齒輪變速加速利用。利用自行車后飛輪、鏈輪、鏈條以及齒輪的合理組合，將健身器材的往復旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為單向旋轉(zhuǎn)動能，并進而加以利用是可以實現(xiàn)的。往復旋轉(zhuǎn)-單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化裝置與增速齒輪箱、與水泵或電機等組合，再與人們健身活動器材融合在一起，可以有效的提取人們健身活動的動能，能夠?qū)崿F(xiàn)減少能源消耗的社會價值。ENGLISH:Kineticenergy,alotoffitnessequipmentisreciprocatingrotationalkineticenergyandcannotbedirectlythroughthegearspeedtouse.Afterusingbicycleflywheel,sprocket,chainandgear,thecombinationoffitnessequipmentofreciprocatingrotationalkineticenergycanbeconvertedtoaone-wayrotationalkineticenergy,andthenusethemisachievable.Reciprocatingrotation-unidirectionalrotationtransformationdeviceandincreasegearbox,combinedwithwaterpumpormotor,fitnessequipmentwithpeopletogetheragain,caneffectivelyextractthekineticenergyofthefitnessactivities,peoplecanbeachievedtoreduceenergyconsumptionofsocialvalues.關鍵詞：往復旋轉(zhuǎn)；單向旋轉(zhuǎn)；健身活動；水泵；小型發(fā)電機一、問題由來：節(jié)能減排、或以其他能源形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，以減少溫室氣體排放，這已經(jīng)成為人類社會發(fā)展的主流要求。為實踐節(jié)能減排的創(chuàng)新設計與應用，去年我和伙伴們以《“校園節(jié)能健身提水系統(tǒng)”開發(fā)制作研究》為課題，嘗試了校園環(huán)境內(nèi)節(jié)能應用的創(chuàng)意設計與制作。通過探究努力，我們實現(xiàn)了我們的創(chuàng)意課題的應用，設計制作了結(jié)合腳踏和手搖兩種健身活動的校園節(jié)能健身揚水系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)我們實現(xiàn)了不用電能、不靠自來水水壓，全憑少年學生的健身活動，把水送到了近19米高的校園樓頂水箱中，增加了水的勢能。仔細觀察研究現(xiàn)行的多款青少年趣味活動與健身器材，蹺蹺板和秋千是少不了的，另外在許多生活小區(qū)內(nèi)我們常見的行走健步器、雙人腳蹬健身器、上臂牽拉健身器等等，都有一個在人們運動下作往復旋轉(zhuǎn)的中心轉(zhuǎn)軸，人們使用這些器材健身時產(chǎn)生的動能是我們已完成的單向旋轉(zhuǎn)的裝置所提取不了的。如何把人們健身運動時這些器材往復旋轉(zhuǎn)的動能也能提取出來呢？二、前期調(diào)查：為了了解一般健身器材的初步運作方式，我在校園內(nèi)、我的小學校園、居住小區(qū)以及周邊小區(qū)進行了調(diào)查與健身器材的結(jié)構觀察。調(diào)查看到，我們學校工會活動室有復合健身器一套，除了常見的自行車踏板式健身器、跑步健身器等器材的中心轉(zhuǎn)軸是單向旋轉(zhuǎn)的以外，還具有上臂牽拉、往復舉重等健身器。小學有翹翹板三臺，附近5個小區(qū)的各種健身器材中，看到上臂牽拉器8臺、秋千式跑步器6臺，還有其他形式的具有往復旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的健身器等等。由調(diào)查結(jié)果顯示，含有往復旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的健身器材為數(shù)還不少，約占健身器材的一半之多（56%）。三、初步設計方案：在我們最初的創(chuàng)意方案中，我們希望設計各類健身器材，能將自行車踏板健身動能、蹦床的上下運動健身動能、上臂拉力健身或者蹺蹺板等器材的往復旋轉(zhuǎn)動能等各類健身動能，都能提取出來轉(zhuǎn)化利用。腳踏與手搖健身器材及與水泵的有效結(jié)合我們已經(jīng)實現(xiàn)。往復旋轉(zhuǎn)動能的提取應用裝置設計方案，為4個模塊組成：模塊一，是設計制作一具能將蹺蹺板等器材轉(zhuǎn)軸的往復旋轉(zhuǎn)動能，轉(zhuǎn)化為單向旋轉(zhuǎn)動能的裝置，這是本課題所研究裝置系統(tǒng)的核心。模塊二，是根據(jù)我們前一課題比較成熟的齒輪箱制作心得，自制約1:50的變速齒輪箱，將模塊一轉(zhuǎn)化獲得的單向但慢速的旋轉(zhuǎn)動能加速。模塊三，能量轉(zhuǎn)化儲存裝置，一可以利用我們前一課題的水泵結(jié)構，將旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為水箱水的勢能，或儲存能量、或?qū)崿F(xiàn)節(jié)約電能；二可以整合小型發(fā)電機，將旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為電能，送至附屬的蓄電裝置如蓄電池、超級電容等，或者直接送到合適的用電器。模塊四，設計制作與模塊一整合為一體的、人體能夠直接健身活動的相關的往復旋轉(zhuǎn)健身器材。本項設計方案的實現(xiàn)，可以與我們的《“校園節(jié)能健身提水系統(tǒng)”開發(fā)制作研究》課題已經(jīng)開發(fā)制作的裝置結(jié)合起來，構成健身動能提取的系列裝置，可以補充社會各機構的電能消耗，實現(xiàn)降低能耗、節(jié)能減排的社會作用。四、設計方案的制作研究：㈠變往復旋轉(zhuǎn)為單向旋轉(zhuǎn)裝置設計制作：1.往復旋轉(zhuǎn)動能初步提取的設計研究開始是設想在輸入軸A軸上以一定距離固定二片同樣大小的齒輪，將A軸的往復旋轉(zhuǎn)傳遞出去，但是用現(xiàn)成的尼龍齒輪固定在軸上，發(fā)現(xiàn)定死的兩個齒輪是同步的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，不能實現(xiàn)定向選擇的傳遞單向旋轉(zhuǎn)，這顯然行不通。需要有一種正轉(zhuǎn)傳遞動能、反轉(zhuǎn)打滑的傳動輪片。我馬上想到，自行車的后飛輪就是我需要的材料。如何安裝呢？飛輪的內(nèi)孔可是有螺2.往復旋轉(zhuǎn)變單向旋轉(zhuǎn)裝置的改進制作研究為了更有效的開發(fā)利用本創(chuàng)新設計，實際制作時我們從電機市場上找到單向軸承，并委托加工單位訂制我們需要的各種規(guī)格的尼龍齒輪，得到基本制作材料后，我們將單向軸承固定在大齒輪上，并在同一根鋼軸上相反安裝，實現(xiàn)連續(xù)獲取往復旋轉(zhuǎn)的健身動能。第二步，用大小齒輪組合成同樣的二組二級加速齒輪組，讓健身動能的慢速旋轉(zhuǎn)增速為電機或水泵的正常工作轉(zhuǎn)速；第三步，通過適當?shù)姆绞秸{(diào)整齒輪的旋轉(zhuǎn)方向，使最終的輸出軸以單一方向旋轉(zhuǎn)。㈢能量轉(zhuǎn)化裝置選擇設計：齒輪箱輸出的轉(zhuǎn)速達到或超過50轉(zhuǎn)/秒的動能，可以直接傳遞給水泵。方法是與《“校園節(jié)能健身提水系統(tǒng)”開發(fā)制作研究》課題一樣，將水泵的旋轉(zhuǎn)葉片直接安裝于齒輪變速箱的輸出軸上，減少不必要的多次機械傳動，避免能量的機械損耗。為了應用多種方式儲存能量，可以用套管或步帶輪將齒輪箱輸出軸與電機軸連接在一起，當前述A軸往復旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過模塊一的單向轉(zhuǎn)化、模塊二的增速，人體運動能量最終就傳遞到電機，使電機以約50轉(zhuǎn)/秒的快速旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)人體健身動能向電能的轉(zhuǎn)化，再將電能送至蓄電池、送至超級電容儲存，以備電能的他用。這是模塊三的選擇設計。㈣裝置與健身器材結(jié)合設計制作：本項目的最終意圖，是提取人們健身活動過程產(chǎn)生的往復旋轉(zhuǎn)動能，把裝置與健身器材牢固的整合在一起，才能實現(xiàn)設計意圖。模塊一的A軸選用直徑達到20mm的鋼質(zhì)棒，通過車床精加工成形，兩端預先留出合適的長度，進行以下幾種組合安裝：1．作為蹺蹺板的中央固定軸，將蹺蹺板安裝在裝置上。當我們很多同學在蹺蹺板上快樂健身時，不知不覺往復旋轉(zhuǎn)的運動動能轉(zhuǎn)化成了電機的旋轉(zhuǎn)動能，進而轉(zhuǎn)化為電能形式。2．秋千的剛性吊索如自來水管（不能用鐵鏈或編織的鋼絲吊索）頂端固定在模塊一的A軸兩端，當人們坐在秋千椅上悠然的搖蕩休憩時，不知不覺往復旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)化為水泵的旋轉(zhuǎn)動能，人們還沒有意識到時，水流已經(jīng)嘩嘩的揚升到了建筑屋頂?shù)乃渲小?．腳踏跑步健身器的一對垂直吊桿頂端固定在模塊一的A軸兩端、上臂牽拉健身器點轉(zhuǎn)輪套裝在模塊一的A軸上、……五、往復旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蛐D(zhuǎn)裝置的優(yōu)點往復旋轉(zhuǎn)健身動能裝置可以有多重用途，人們使用多種類健身器材的往復活動產(chǎn)生的往復旋轉(zhuǎn)動能，都可以由本裝置提取并轉(zhuǎn)化為單項旋轉(zhuǎn)動能而得到加速利用。例如：與我們的初始課題“校園節(jié)能健身揚水系統(tǒng)"相互結(jié)合，進行學生動能的提取，轉(zhuǎn)化為頂樓水箱的勢能，從而達到低碳經(jīng)濟，節(jié)能減排和健身結(jié)合的目的，或者可以用該裝置帶動小型發(fā)電機，將提取出的單向旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為電能，儲存在蓄電池或者是超級電容中，以供使用，同樣達到了低碳經(jīng)濟，節(jié)能減排和健身結(jié)合的目的，更甚至直接利用轉(zhuǎn)化而得的電能，給手機充電、給電腦充電、給飲用水加熱等。當人們在活動、當人們在健身鍛煉，他不知不覺的已經(jīng)把自己多余的體能貢獻出來，為社會的節(jié)能減排出了一把力！我會繼續(xù)改進我的創(chuàng)意制作，利用我的設計讓我們