首先这显然不是永动机。

这个的原理其实是压电效应,就是 Piezoelectricity。

所谓的压电效应,就是某些材料,比如石英,在受到外界压力挤压变形的时候,能够产生电流。

换言之,就是材料本身可以自动把机械能转化成电能。

比如这是维基上的示意图

https://zh.m.wikipedia.org/wiki/File:SchemaPiezo.gif

施加外力挤压材料,连在材料上的电压表的读数就会变化,材料变成了能供电的电池,机械能转化成了电能。

这个压电效应的应用主要有两种,一种是测量,一种是发电。

测量的意思就是说,我们可以利用这个压电原理来测量外力的大小。

比如说,要测量重力的大小,就像体重秤或者菜市场用的磅秤,传统的一般是用弹簧秤的原理,重力越大,弹簧变形越大,通过测量弹簧长度的变化,就能反推出重力的大小。

现在呢,我们有了压电材料,比如你买的家里的体重秤,有些可能就是压电陶瓷的,你站上去,压电陶瓷被你的体重挤压变形,继而产生了电流。简单理解,体重越大,电流越强,通过测量电流,就能反推出重力的大小。

跟传统的弹簧秤原理相比,压电材料的反应速度更快。也就是说如果外力变化的特别快,或者外力以极高的频率做周期性变化,比如航空航天、爆炸、高速撞击等等,那么弹簧秤就不好用了,因为弹簧需要弹簧自身的机械变形,而自身的机械变形可能跟不上外力变化的速度,就是俗称的赶不上趟了。这时候就是压电材料的用武之地,市面上有很多专门做压电材料测量力的仪器的公司,比如 PCB 等等。

另一种用途是发电。很简单,一块压电材料放在地上,我踩上去,我的重力挤压材料,材料就会产生电流,这不就是在发电么?

这种用途一般叫 energy harvest,就是能源收集和采集。因为我走路产生的对地面的压力,本来完全是无用的,但如果地面是压电材料做的,那么我走路产生的对地面的压力就能转化成电能了。

有的看官可能就说了,这不就是无中生有吗?本来没有的能量从哪里来的呢?

其实并不是无中生有,能量还是守恒的,举个简单的例子,你在平整坚实的混凝土路面上走路,跟在泥泞的乡间土路上走路,感受是不一样的,疲劳程度也不一样。因为地面的材料不同,所以力反馈也不同,所以事实上你走路消耗的能量也不一样。

同样的道理,在水泥路面上走路,跟在压电材料的路面上走路,你消耗的能量也不一样。多消耗的那一点点能量,就是压电材料发电的能量来源。只是因为多消耗的能量非常少,你根本觉察不到。

这位看官又说了,既然这么好,为什么不大规模推广?让大家的走路都能发电?

这就跟太阳能一样,既然太阳能发电那么好,为什么不把能放的地方都放上太阳能电池板?

因为成本太高呗。现阶段的压电材料的成本没有成熟到能够大规模商业化发电的程度。

说回这个问题,这个发明其实就是一种 energy harvest 的装置。只不过它不是顺带着收集大家走路的机械能,而是需要特意引入机械能。

虽然这个发明看上去很复杂,但原理其实并不难。

一个单摆,上面一个重物,下面一个转轴,自由地来回摆动。就类似我们把一把钢尺插进地上,然后一弹尺子,它就会来回震动一样。或者就像不倒翁,细节不一样,但原理是一样的,都是因为重心的改变而自由振动。

现在呢,我在这个单摆底下放两个压电材料,摆动到左边,把左边的压电材料压下去,发一下电,又摆动到右边,把右边的压电材料压下去,发一下电……

原理就是这么简单。

仔细想一想,这跟人在压电材料上面走路一样,能量并不是无中生有的,而是这个摆动系统额外付出的。

换言之,没有这两个压电材料,这个单摆能自己摆一百下才最终停下来。有了这俩压电材料,每次摆动都要稍微压一下这个压电材料,这个单摆自己摆个五十下可能就停了。

也就是说,增加的压电材料其实可以看作是增加了系统的阻尼。简单理解,就是单摆自己摆动的阻力更大了,所以更容易停下来了。

没有压电材料的单摆,如果转轴的摩擦力很小的话,基本就像上图左边,可以自己摆动好多好多下。增加了压电材料的单摆,就像上图右边,每摆动一次,摁压一次压电材料,就会把一部分能量传给压电材料,所以自己的能量越来越少,可能很快就会停下来,摆不动了。

当然我并不是说这个发明不好或者脑残。跟已经大规模商业化应用的测量用途相比,压电材料的发电用途还在研究阶段,各种设计和发明都还在验证阶段。只有足够多的尝试,才有可能从中找出真的可行的方案。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:猪小宝

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