Bao Nhiêu Năng Lượng Bạn Có Thể Lưu Trữ Trong Một Chồng Gạch Xi Măng?

Điều này thật tuyệt vời. Đó là một viên pin trọng lực bằng bê tông. Là sao? Đúng vậy. Ý tưởng là làm cho sự cân bằng giữa việc tạo ra năng lượng và sử dụng năng lượng; giống như bất kỳ viên pin nào khác, viên pin này cho phép bạn lưu trữ năng lượng dư thừa để sử dụng sau này khi nhu cầu cao hơn. Hoặc có thể bạn có thể sử dụng năng lượng mặt trời vào ban ngày để lưu trữ năng lượng trong viên pin để sử dụng vào ban đêm - bạn biết đấy, khi mặt trời không chiếu sáng.

Vậy, làm thế nào nó hoạt động? Có thực sự hai phần vật lý trong viên pin bê tông này: năng lượng tiềm năng hấp dẫn và động cơ điện.

Nếu bạn nhặt lên một cuốn sách từ sàn nhà và đặt nó lên một cái bàn, bạn sẽ cần khoảng 10 joule năng lượng - một đơn vị với 1 J = 1 kg*m²2/s². Chúng ta có thể tính toán sự thay đổi năng lượng bằng cách nâng những thứ sử dụng nguyên lý năng lượng làm việc. Nguyên lý này nói rằng công việc thực hiện trên một hệ thống bằng với sự thay đổi năng lượng của hệ thống đó, và cũng làm việc phụ thuộc vào lực đẩy lên hệ thống đó và khoảng cách mà lực di chuyển. Ở đây, tôi sử dụng "hệ thống" để chỉ một thứ gì đó hoặc bộ sưu tập các thứ.

Trong biểu thức cho công việc, Δr là khoảng cách mà lực di chuyển, và θ là góc giữa lực và hướng di chuyển.

Nếu bạn muốn nâng một cuốn sách có khối lượng (điều này bao gồm hầu hết các cuốn sách bạn sẽ tìm thấy), bạn sẽ cần đẩy lên bằng một lực có độ lớn bằng lực trọng trường. Trên bề mặt Trái Đất, lực trọng trường là tích của khối lượng (trong kilogram) và trường trọng trường với giá trị khoảng 9.8 newton trên kilogram.

Vì vậy, việc nâng một cuốn sách lên một khoảng cách h sẽ có một góc giữa lực và sự dịch chuyển là 0° (nhớ rằng cosine của 0° = 0 1). Công việc thực hiện khi nâng một đối tượng có khối lượng (m) và chiều cao (h) sẽ là:

Sự thay đổi năng lượng của cuốn sách này được gọi là năng lượng tiềm năng hấp dẫn. Bạn nâng nhiều khối lượng, năng lượng lưu trữ càng lớn. Bạn nâng cao khối lượng, năng lượng tiềm năng càng lớn. Nếu bạn tăng cường trường trọng trường—ơ đợ. Cách duy nhất để thay đổi trường trọng trường là thay đổi kích thước hoặc khối lượng của Trái Đất. Quên phần đó đi.

Được rồi. Bạn nâng một số lượng khối lượng và bạn có thể lưu trữ năng lượng. Đó là tuyệt vời, nhưng làm thế nào bạn lấy lại năng lượng vào một cái gì đó hữu ích? Câu trả lời là sử dụng cùng một thứ đã nâng khối lượng—một động cơ điện. Vâng. Bạn có thể đưa năng lượng ra khỏi một khối lượng nâng lên và một động cơ điện.

Một động cơ điện không phức tạp. Nó thực sự chỉ là một cuộn dây và một nam châm. Khi bạn đưa dòng điện qua dây, dòng điện tạo ra một trường từ. Trường từ này do dòng điện tạo ra tương tác với trường từ được tạo ra bởi các nam châm khác, dẫn đến việc động cơ quay. Nếu bạn muốn, có thể xây dựng một động cơ điện đơn giản với những thứ bạn có trong nhà. Dưới đây là hướng dẫn.

Hãy để tôi chỉ bạn một động cơ điện được kết nối với một viên pin.

Động cơ điện này nâng khối lượng để lưu trữ năng lượng—nhưng nó cũng tạo ra điện. Giả sử bạn lấy động cơ điện của bạn và ngắt kết nối nó từ viên pin đang chạy nó. Bây giờ bạn quay cuộn dây bên trong động cơ. Đúng là như vậy, một vòng dây di chuyển qua một trường từ tạo ra một dòng điện. Vâng, đó là đúng.

Nếu bạn lấy chính động cơ điện giống nhau đó và quay nó với một thứ gì đó, nó sẽ tạo ra điện. Bạn có thể thấy điều này với động cơ mô phỏng trên khi tôi quay nó và cung cấp điện cho một đèn nhỏ.

Một máy phát điện và một động cơ điện là cùng một thứ. Điều quan trọng là cách bạn sử dụng nó. Vì vậy, đối với viên pin trọng lực bê tông này, năng lượng điện được chuyển vào một động cơ để nâng một khối lượng lên một độ cao nhất định. Khi bạn muốn lấy năng lượng ra khỏi viên pin, bạn sử dụng cùng một động cơ để hạ khối lượng trở lại đất, làm quay trục máy phát điện và tạo ra điện. Đây là viên pin trọng lực của bạn.

Bây giờ đến một ước lượng. Bạn có thể lưu trữ bao nhiêu năng lượng trong một chồng gạch xi măng? Tôi sẽ cần đưa ra một số xấp xỉ trước.

• Mỗi thứ xi măng là một thùng 55 gallon chứa xi măng. Điều này sẽ là một thể tích là 0.208 m³. Ôi, tôi sẽ nói rằng một thùng 55 gallon có chiều cao là 0.889 mét.
• Khối lượng riêng của xi măng (tôi biết tôi đã nói về bê tông trước đó—đầu tiên, chúng ta có thể xem xét chúng như giống nhau) là 3150 kg/m³.
• Khối lượng của thùng (giả sử toàn bộ là xi măng) là thể tích nhân với khối lượng riêng. Điều này đặt nó là 655.2 kilogram.
• Chiều cao tối đa của chồng là 15 mét. Tôi không biết nếu điều này là đúng. Tôi chỉ đang nói nếu tôi xây một trong những thứ này, đó là chiều cao của cần cẩu ảo của tôi trong thế giới tưởng tượng của tôi.

Hãy bắt đầu đơn giản. Tôi có một thùng xi măng trên mặt đất và tôi đặt thêm một cái lên trên. Tôi không nhận được bất kỳ năng lượng hấp thụ từ thứ xi măng đầu tiên đó vì nó không thể xuống thấp hơn nó đã là — nhưng cái ở trên nó có một năng lượng lưu trữ phụ thuộc vào trường trọng trường, khối lượng và chiều cao. Đối với chiều cao, tôi sẽ sử dụng chiều dài của thùng xi măng (0.889 mét). Chiều cao của trọng tâm cho thùng này là quan trọng, nhưng nếu tôi đặt nó lại trên mặt đất, trọng tâm chỉ di chuyển 0.889 mét.

Điều này có nghĩa là một thùng đặt lên thùng khác có một năng lượng tiềm năng là 5,708 joule. Điều đó có vẻ như một lượng năng lượng lớn, nhưng pin điện thoại thông minh của bạn có thể lưu trữ khoảng 20,000 joule (điều điên rồ nhưng đúng). Nhưng đợi chút! Nếu tôi đặt thêm một thùng? Thùng thứ hai này sẽ có một năng lượng lưu trữ gấp đôi thùng đầu tiên, vì nó sẽ cao gấp đôi. Những thứ xi măng cao hơn có năng lượng lớn hơn.

Tôi sẽ chỉ tiếp tục đặt chúng cao hơn và cao hơn cho đến khi đạt đến 15 mét. Tại điểm đó, tôi sẽ bắt đầu lại từ đất và đặt lại. Chỉ vui thôi, đây là một đồ thị về năng lượng lưu trữ theo số lượng thùng xi măng đặt chồng lên nhau.

Ồ, có lẽ bạn muốn đoạn mã mà tôi viết để tạo ra đồ thị này. Bùm. Nhưng đó mang lại 2 triệu joule năng lượng lưu trữ chỉ với 50 thùng xi măng (giả sử chuyển giao năng lượng là hiệu quả 100%—nhưng thực tế chúng không phải). Điều đó không quá tồi. Tất nhiên, Tesla Powerwall có thể lưu trữ khoảng 50 triệu joule, vì vậy 50 thùng có lẽ chưa đủ.

Tuy nhiên, viên pin này có một số tính năng tốt. Nó cơ học đơn giản để xây dựng. Nếu bạn chồng một số thùng xi măng, chúng sẽ giữ nguyên như vậy trong thời gian dài, vì vậy bạn không cần phải lo lắng về việc mất năng lượng của pin. Ngoài ra, cuối cùng, tất cả những gì bạn cần là một cần cẩu, một động cơ và một số xi măng.

• Chào anh chiếc máy bay bay táo bạo nhất
• Người đàn ông tại Sonos đang xây dựng internet âm thanh
• Crazy Rich Asians không thay đổi gì cả—nhưng cũng làm thay đổi mọi thứ
• Ngôn ngữ lập trình có thể cuối cùng đã gần một tình trạng ổn định
• Tương lai của truyền hình là ... nhiều truyền hình hơn
• Đang tìm kiếm thêm? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và đừng bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới và tuyệt vời nhất của chúng tôi