手回し発電機についての質問です。

質問

先日塾でエネルギーの変化についての授業ので助手をしていたのですがその時生徒に質問されてわからなかったことがあったので教えてほしいです。
手回し発電機を回すとき、豆電球１個ならもちろん軽いのですが、豆電球の数が増えると同じ明るさでつけるためには速く回さなければいけませんし、手ごたえが重くなります。
では何で手ごたえが重くなるのでしょうか？
私はそこまでそのことに関して考えたことがなかったため明確な答えを教えてあげることができませんでした。
抵抗が大きくなるからとかで良いのでしょうか？
化学が専門なんでこのような仮説しか考えられませんでした。
どなたか教えて下さい。

回答No.1

lexanblue · ベストアンサー

ハンドルを速く回すということは、回転数が増すということで、
仕事率（動力）が増えるということです。動力が増えるということは、それだけ手が行う仕事率（Ｗ）が増えて、手の負担が大きくなり、重く感じるということだと考えます。
次のような式を立てることができます。
動力、仕事率Ｐ[ｋｇｍ／ｓ］
回転数ｎ[r/m]または[rpm]
ハンドルにかかる力F[kg]
ハンドルの半径r[m]
仕事率　Ｐ＝２＊π＊ｒ＊ｎ＊Ｆ／６０［ｋｇｍ／ｓ］［Ｊ］
　　　　Ｐ＝２＊π＊ｒ＊ｎ＊Ｆ／６０／１０２　［ｋＷ］
つまり、手の回転数ｎが増すほど電球を点灯するワット数が増します。
ここで、効率があるので手の仕事がそのまま電気的出力にはなりませんが
比例関係にあります。
内容的には工学寄りの物理と思います。

お礼

とても詳しく解説していただきありがとうございます。
具体的な計算方法まで書いていただきとても理解しやすかったです。
物理においては中学生の内容までしか教えるだけの知識がないことを深く痛感いたしました。これからももっと勉学に励んで物理学においても詳しくなっていきたいと思います。
ご回答ありがとうございます。

回答No.3

challenger9

モータと発電機は同じ構造であって、表裏一体の関係にあることを頭に入れておくといいでしょう。

発電機が発電した電流を取り出すと、発電機の巻き線に電流が流れます。この電流は、「発電機が回るのを邪魔するような力を出すモータ」として働きます。取り出す電流を増やそうとするほど、このモータの電流も増えるので、回すのに必要とする力が増えてきます。ということで、結果的に運動エネルギーを電気エネルギーに転換することになります。

実際に豆電球をつなぐ時には、並列つなぎにする場合と、直列つなぎにする場合で、状況は変わってきます。一個の時と同じ明るさにするには、直列つなぎでは電圧が倍必要になるので、回転数を倍くらいにする必要があります。並列つなぎの場合は、必要とする電圧は同じで、電流が倍になるので、回転数は同じくらいでも力が倍くらい必要になります。（変換効率などの問題があるので、ぴったり倍にはなりません。）

お礼

その子は中学生なのでこのぐらいの内容が一番わかりやすいと思います。
私も物理が苦手なのでこのぐらいが一番わかりやすいです。
とてもわかりやすい回答をしていただきありがとうございました。

回答No.2

rabbit_cat

＞豆電球の数が増えると同じ明るさでつけるためには速く回さなければいけませんし、手ごたえが重くなります。

同じ明るさでつけるためには速く回さなければならない、てのは正しいですが、
もし同じ速さで回すなら電球２個の時のほうが、１個の時よりも手ごたえは軽くなります。（電球の明るさは２つ合計しても、１個だけの場合よりも暗くなりますが）

発電機は、回転速度で出力する電圧が決まります。（ファラデーの電磁誘導の法則）
仕事率＝電圧^2／負荷抵抗
なんで、負荷抵抗が大きくなると仕事率は小さくなります。

お礼

並列回路と直立回路のことを書かずに書いてしまいすみませんでした。
とってもわかりやすく回答していただきありがとうございました。
私はどうしても物理学にだけは馴染めずに物理で手をつけた範囲はクオークぐらいしかありません。
実験をするのにも手間と大きな機械が必要で計算も多く、理工学部でありながら怠けていたことを痛感いたしました。
これを期にもっと勉学に励むつもりです。
わかりやすい回答できっかけを作っていただきありがとうございました。