基于摩擦勢能轉(zhuǎn)換的拐杖設(shè)計(jì)研究

楊璐然，李雪松

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

當(dāng)今世界，人類社會發(fā)展日益加速，能源短缺的問題也暴露出來，開發(fā)新的能源，利用新能源是現(xiàn)在的首要目的。人們的日常生活環(huán)境中存在大量可以利用的能量。平時(shí)的生活中處處存在著種種摩擦，產(chǎn)生了許多微小的機(jī)械能，如果我們能將這些能量儲存起來，那將是一種儲量很可觀的新能源。目前，社會老齡化日趨嚴(yán)重，老年人口比重加大，老年人出行不便，因此拐杖成為老年人們生活中不可缺少的一物，為了方便老年人夜間出行，可照明的拐杖應(yīng)運(yùn)而生，但是由于現(xiàn)存的照明拐杖使用的是電池為其供電，當(dāng)電池沒電時(shí)，拐杖的照明功能就無法使用，會給老年人帶來不便?；谀芰渴睾愣裳芯靠赡Σ辽娬彰鞯墓照龋眯凶邥r(shí)拐杖低端與地面的摩擦產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換存儲成為電能，供照明使用，夜間行走時(shí)照亮避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)能量守恒定律，能量既不會被破壞也不會被創(chuàng)造，它只是從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或從一個(gè)對象轉(zhuǎn)移到另一個(gè)對象，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，總能量保持不變。兩個(gè)不同的物體相互摩擦，其中一個(gè)帶正電荷，另一個(gè)帶負(fù)電荷，這種現(xiàn)象稱為摩擦生電。這是一種摩擦生電的現(xiàn)象，本質(zhì)上涉及電荷的轉(zhuǎn)移?，F(xiàn)代科學(xué)告訴我們，所有的物體都是由原子組成的，原子由一個(gè)帶正電荷的原子核和圍繞原子核運(yùn)動的帶負(fù)電荷的電子組成。一般來說，原子核中的正電荷量等于原子核外電子的負(fù)電荷量，原子沒有電荷，所以整個(gè)物體是中性的。雖然原子核中的正電荷量難以改變，但原子核外的電子可以從原子核中逃逸出來，移動到另一個(gè)物體上，從而改變原子核外電子攜帶的負(fù)電荷量。當(dāng)一個(gè)物體失去電子時(shí)，其電子的總負(fù)電荷量小于原子核的正電荷量，它就會出現(xiàn)正電荷；反之，當(dāng)一個(gè)中性物體獲得電子時(shí)，它就會出現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)兩個(gè)物體相互摩擦?xí)r，一個(gè)必須失去一些電子，另一個(gè)必須獲得額外的電子，因?yàn)椴煌矬w的原子核在原子核外結(jié)合電子的能力不同。例如，如果一根玻璃棒與絲綢摩擦，一些電子從玻璃棒轉(zhuǎn)移到絲綢上，玻璃棒因失去電子而帶正電，絲綢因獲得電子而帶等量的負(fù)電。當(dāng)橡膠棒與毛皮摩擦?xí)r，毛皮上的一些電子轉(zhuǎn)移到橡膠棒上，毛皮帶正電，橡膠棒帶負(fù)電，數(shù)量相等?；谶@兩種定律，本系統(tǒng)將拐杖低端與地面的摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能，通過轉(zhuǎn)換存儲到拐杖里邊的蓄電池中，蓄電池儲能，蓄電池充滿能量，在夜間老人是使用拐杖時(shí)就可以用蓄電池中的能量將拐杖把手位置的燈照亮，拐杖頂端還帶有紅外線感應(yīng)和雷達(dá)裝置，如走路使用過程中遇到障礙物而夜間又看不清的時(shí)候，就會自動提示老人前方有障礙物請繞行。

一種新型可摩擦充電的照明拐杖其底部支撐端內(nèi)設(shè)有摩擦發(fā)電機(jī)組，摩擦發(fā)電機(jī)組由涂覆有銦錫氧化物的聚對苯二甲酸乙二醇酯和電極構(gòu)成，所述摩擦發(fā)電機(jī)組的輸出端電性連接有蓄電池，蓄電池位于拐杖底部支撐端的中間位置，所述蓄電池與拐杖照明燈中鋰電池組電性連接。拐杖頂端把手位置有照明裝置和紅外感應(yīng)裝置以及雷達(dá)，由蓄電池供電進(jìn)行使用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 按壓式摩擦起電裝置

圖1 為最簡單的按壓式摩擦起電裝置，利用拐杖低端按壓地面會產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦，從而產(chǎn)生的機(jī)械能會被傳輸給低端存儲機(jī)械能，利用能量守恒以及能量轉(zhuǎn)換定律將按壓產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能供給拐杖頂端照明裝置，本項(xiàng)目添加了蓄電池，產(chǎn)生的機(jī)械能除了傳送給頂端照明使用外，還可將多余機(jī)械能存儲在蓄電池中，以備不時(shí)之需。系統(tǒng)硬件應(yīng)用到了此按壓式摩擦起電裝置、蓄電池、電燈泡（一般的照明裝置），照明電路即可完成此項(xiàng)目的整個(gè)過程，只是在拐杖低端會有一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程，在此過程中能量轉(zhuǎn)換就是最重要的地方。在日常生活中，會存在多多少少的能量產(chǎn)生卻又損耗的情況，在當(dāng)前進(jìn)步飛速的社會，大力提倡太陽能生物質(zhì)能的使用，就可以將日常生活中的產(chǎn)生的細(xì)小能量存儲起來加以利用，改善現(xiàn)狀。

圖1 簡單按壓摩擦起電裝置

2.2 紅外線感應(yīng)和雷達(dá)裝置

紅外光被障礙物反射并被報(bào)警探頭接收。圖2 為紅外感應(yīng)裝置電路圖。如果傳感器檢測到紅外光是靜止的，即它不斷地發(fā)射紅外光并不斷地反射回來，警報(bào)就不會響。當(dāng)看不見的紅線被移動的物體突破時(shí)，傳感器將檢測到異常情況，并發(fā)出警報(bào)。外線報(bào)警器是由一個(gè)警報(bào)器和一個(gè)紅外探測器組成的報(bào)警系統(tǒng)。其中一個(gè)紅外探測器是一個(gè)弱信號檢測裝置。雷達(dá)操作其原理，是設(shè)備從發(fā)射器通過天線將電磁波能量射向空間的某一方向，在這一方向的物體遇到電磁波被反射，雷達(dá)天線接收這一反射波，送至接收裝置進(jìn)行處理，提取有關(guān)該物體的一些信息（目標(biāo)物體與雷達(dá)的距離、距離變化率或徑向速度、方位、高度等）這種裝置采用主動紅外報(bào)警和雷達(dá)裝置。當(dāng)老人使用手杖夜行時(shí)，如果遇到障礙物，手杖頂部的紅外傳感器和雷達(dá)裝置會及時(shí)通知老人有障礙物要避開，以免發(fā)生危險(xiǎn)。

圖2 紅外感應(yīng)裝置電路圖

2.3 照明裝置

本系統(tǒng)照明電路裝置是由簡單的蓄電池照明電路，低端摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能一部分直接轉(zhuǎn)換為電能照明電路，另一部分轉(zhuǎn)換成化學(xué)能存儲到蓄電池中，供夜間照明使用，這樣就最大程度地利用了使用拐杖時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能，改善了可能機(jī)械能在夜間不夠使用的情況，照明裝置在一定程度上會分走紅外線感應(yīng)報(bào)警裝置和雷達(dá)的使用電流，所以在電路安排上使用兩塊內(nèi)容并聯(lián)的電路，就不會出現(xiàn)他強(qiáng)他弱或者他壞他也壞掉的情況出現(xiàn)，延長了照明裝置的使用壽命。圖3 為簡單照明電路圖。

圖3 簡單照明電路

3 軟件設(shè)計(jì)

電極由石墨烯和聚乳酸的碳復(fù)合材料構(gòu)成；蓄電池用于儲存電能和為拐杖照明燈中鋰電池組充電；鋰電池組為拐杖照明燈提供電能。利用摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合把微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，在制作中用到的是質(zhì)輕、低密度并且價(jià)廉的高分子材料，可以用來收集生活中原本浪費(fèi)掉的各種形式的機(jī)械能，摩擦發(fā)電機(jī)組可以在使用拐杖行走時(shí)將路面與拐杖底部支撐端摩擦產(chǎn)生微小的機(jī)械能進(jìn)行儲存和使用，保證老人夜間走路照明所需的電量，方便老人使用，解決老人的實(shí)際困難。以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，盡管參照前述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。

4 具體實(shí)施方案

文中所設(shè)計(jì)拐杖具體為一種新型可摩擦充電的照明拐杖，利用摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合把微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在制作中用到的是質(zhì)輕、低密度并且價(jià)廉的高分子材料，摩擦發(fā)電機(jī)組可以在使用拐杖行走時(shí)將路面與拐杖底部支撐端摩擦產(chǎn)生微小的機(jī)械能進(jìn)行儲存和使用，解決掉電池沒電無法獲取光線的問題。如果本產(chǎn)品做出，會改變大部分依靠電池作用的工具，得以實(shí)現(xiàn)續(xù)航持久。利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改造，摩擦納米發(fā)電機(jī)可以用來收集生活中原本浪費(fèi)掉的各種形式的機(jī)械能，同時(shí)還可以用作自驅(qū)動傳感器來檢測機(jī)械信號。這種機(jī)械傳感器在觸屏和電子皮膚等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。在不浪費(fèi)機(jī)械能的情況下，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能為電池蓄電 拐杖就可以做到時(shí)刻有電，從而避免很多意外發(fā)生。

一種新型可摩擦充電的照明拐杖具體如圖4所示。包括拐杖底部支撐端1，所述拐杖底部支撐端1 采用復(fù)合導(dǎo)電材質(zhì)制成，所述拐杖底部支撐端1 內(nèi)設(shè)有摩擦發(fā)電機(jī)組2，摩擦發(fā)電機(jī)組2 為摩擦納米發(fā)電機(jī)，包括涂覆有銦錫氧化物的聚對苯二甲酸乙二醇酯和電極3 構(gòu)成，所述電極3 由石墨烯和聚乳酸的碳復(fù)合材料構(gòu)成，所述摩擦發(fā)電機(jī)組2 的輸出端電性連接有蓄電池4，蓄電池4 位于拐杖底部支撐端1 的中間位置，所述蓄電池4 與拐杖照明燈5 中鋰電池組6 電性連接，拐杖照明燈5 位于手杖的把手8 前端，紅外線及雷達(dá)裝置也置于8 內(nèi)，鋰電池組6 位于手杖的杖體7 內(nèi)部。

圖4 實(shí)物分析圖

當(dāng)老年人在平時(shí)使用拐杖行走時(shí)的路面與拐杖底部支撐端1 產(chǎn)生一定摩擦，此時(shí)摩擦發(fā)電機(jī)組2 就起到了一種橋梁的作用，將摩擦產(chǎn)生微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，通過輸出端傳遞給蓄電池4，蓄電池4 與拐杖照明燈5 中鋰電池組6 電性連接為其充電。

其中，所述拐杖底部支撐端1 有基本的支撐作用，還可用于通過摩擦發(fā)電機(jī)組2 為拐杖照明燈5 中鋰電池組6 充電。

摩擦發(fā)電機(jī)組2 利用摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合把微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)照明功能?？傮w流程圖如圖5所示。

圖5 總體流程圖

5 結(jié)論

有相當(dāng)多的老人可能夜間不會使用本文所設(shè)計(jì)的照明拐杖，但是對于有些行動不便或者視力有些障礙的老人就可以使用本裝置，如果外出摔倒還會有紅外感應(yīng)報(bào)警裝置，家人就可以迅速找到老人，縮短尋找時(shí)間，及時(shí)找到老人的位置。本裝置最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于使用生活中的微小勢能來轉(zhuǎn)變成更多的能量供以使用。能源短缺是我們現(xiàn)在的主要問題，合理利用已有能源和開發(fā)新能源都是我們的主要解決途徑。對于本裝置，就是來自生活中的啟示，利用微小的能量解決大問題。