การออกแบบเครื่องตัดหญ้าด้วยเทคโนโลยีกลไกอัตโนมัติ (ไม่มีไฟฟ้าและเครื่องยนต์)

แนวคิดพื้นฐานและขีดจำกัดของพลังงานมนุษย์

[1]ระบุว่าคนทั่วไปในสภาพฟิตปานกลางสามารถผลิตพลังงานกลได้ประมาณ 50–150 วัตต์อย่างต่อเนื่อง (ประเมินในช่วง 1 ชั่วโมงของการออกแรงหนัก) และเฉลี่ยได้ราว 75 วัตต์หากทำงานต่อเนื่อง 8 ชั่วโมง[1]. ในทางกลับกัน เครื่องตัดหญ้าไฟฟ้าแบบใช้สายเสียบปลั๊กทั่วไปต้องการกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยประมาณ 1,200–1,800 วัตต์[2]. ความต่างระหว่างกำลังที่คนทั่วไปให้ได้กับที่เครื่องตัดหญ้าต้องการจึงมีขนาดใหญ่ ยากที่คนเพียงคนเดียวจะให้พลังงานได้เพียงพอต่อการตัดหญ้าอย่างต่อเนื่องแบบเครื่องยนต์หรือไฟฟ้า โดยเฉพาะเมื่อต้องทำงานนานต่อเนื่องหลายชั่วโมง

กลไกสปริงและการเก็บพลังงานทางกล

หนึ่งในปัจจัยสำคัญของแนวคิดนี้คือการใช้ระบบกลไกเก็บพลังงานเชิงกล เช่น สปริงขด (power spring) หรือระบบล้อบิน (flywheel) แทนระบบไฟฟ้า [3][4]. ข้อมูลจากแหล่งอ้างอิงทางวิศวกรรมระบุว่า “สปริงกำลัง” (power spring) เป็นแถบโลหะเหนียวที่พันเป็นเกลียวรอบแกน ใช้เก็บพลังงานในรูปศักย์ โดยเมื่อถูกไขเต็มที่แล้วจะคลายตัวปลดปล่อยแรงบิดออกมาใช้งาน[3]. กล่าวคือ หากมีการไขสปริงให้พันแน่นและกักพลังงานจนเต็ม เมื่อปล่อยคลายตัว สปริงจะผลักให้แกนหมุนไปให้แรงบิดมากที่สุดและค่อยๆลดลงตามลำดับ (มีแรงบิดสูงสุดตอนต้นและลดลงขณะคลายออก)[3]. การออกแบบจึงสามารถใช้สปริงขนาดใหญ่พันรอบแกนหลักของเครื่องตัดหญ้า เพื่อสำรองพลังงานกลไว้แล้วคลายตัวขับเคลื่อนใบมีดในภายหลังได้

นอกจากนี้ ล้อบิน (flywheel) เป็นอีกองค์ประกอบที่สำคัญในการเก็บพลังงานทางกล[4]. ข้อมูลจากวิกิพีเดียระบุว่า ระบบเก็บพลังงานด้วยล้อจลน์จะทำงานโดยการหมุนโรเตอร์ให้เร็ว (เก็บพลังงานจลน์) เมื่อใดที่มีการดึงพลังงานออก ล้อจะลดความเร็วลงตามหลักอนุรักษ์พลังงาน[4]. ดังนั้น เครื่องตัดหญ้าสามารถติดตั้งล้อบินขนาดใหญ่ให้หมุนสะสมพลังงานขณะไต่ขึ้นจนได้ความเร็วสูง แล้วปลดคลายพลังงานนั้นมาให้มอเตอร์ตัดหญ้าทำงานระหว่างการคลายลงได้ โดยประโยชน์คือช่วยรักษาความเร็วใบมีดให้นิ่งเสถียรและต่อเนื่องในช่วงที่สปริงกำลังคลายตัว

นาฬิกาออโตเมติกเป็นตัวอย่างต้นแบบ

แนวคิดนี้อุปมาด้วยการทำงานของ นาฬิกากลไกออโตเมติก (automatic watch) ซึ่งมีระบบโรเตอร์ (oscillating weight) ไว้ไขลานสปริงด้วยพลังงานจากการเคลื่อนไหวของผู้สวมใส่[5]. กล่าวคือ เมื่อผู้สวมใส่เดินหรือเขย่า นาฬิกาจะมีลูกตุ้มน้ำหนักหมุนรอบแกน (ติดตั้งไว้ในตัวนาฬิกา) เพื่อไขลานสปริงหลัก (mainspring) อัตโนมัติ[5]. กลไกนี้ทำให้ไม่ต้องไขสปริงด้วยมือ สามารถเก็บพลังงานไว้อยู่ในสปริงเพื่อให้นาฬิกาทำงานต่อไปได้โดยผู้ใช้ไม่ต้องดูแล. ข้อมูลระบุว่าสปริงหลักที่ไขเต็มแล้วสามารถเก็บพลังงานให้เครื่องได้ราวสองวัน[6]. แม้กำลังที่ปล่อยจากสปริงจะไม่สูง (เพียงพอให้เดินนาฬิกาต่อเนื่อง) แต่นี่แสดงให้เห็นว่าการแปลงการเคลื่อนไหวเป็นพลังงานสำรองในสปริงเป็นไปได้. การนำแนวคิดนี้มาขยายเป็นเครื่องตัดหญ้า จึงหมายถึงการนำแรงสั่นสะเทือนหรือการเคลื่อนไหวของผู้ใช้ (เช่น การเข็นหรือโยกเครื่อง) มาเก็บในสปริงและล้อบินแทนพลังงานไฟฟ้าหรือเชื้อเพลิง

ตัวอย่างงานวิจัยและแนวทางออกแบบที่เกี่ยวข้อง

จากการศึกษาพบงานวิจัยหลายชิ้นที่ออกแบบเครื่องตัดหญ้าแบบใช้พลังงานจากการเคลื่อนที่ของเครื่องเองหรือผู้ใช้โดยตรง เช่น Okafor (2013) ได้ออกแบบเครื่องตัดหญ้าไร้เครื่องยนต์ โดยติดตั้ง ไดชาร์จ (alternator) เข้ากับชุดใบมีด เพื่อนำพลังงานจากการขับเคลื่อนของล้อและใบมีดชาร์จแบตเตอรี่ให้กับมอเตอร์[7]. การออกแบบของ Okafor นี้ไม่ต้องใช้เครื่องยนต์สันดาป แต่ยังคงใช้มอเตอร์ไฟฟ้าและแบตเตอรี่เป็นตัวขับเคลื่อน โดยอาศัยระบบพูลเลย์และสายพานทดรอบมอเตอร์กับ alternator เพื่อชาร์จแบตเตอรี่ขณะตัดหญ้า[7]. ผลการทดสอบออกแบบนี้พบว่ามีประสิทธิภาพการตัดสูงถึง 89.55% โดยใช้แรงจากคนเพียงประมาณ 0.24 กิโลนิวตัน[7]. อย่างไรก็ดี แนวทางดังกล่าวยังคงใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นตัวกลางอยู่ ในขณะที่โจทย์กำหนดว่าไม่ใช้ไฟฟ้าและเครื่องยนต์เลย
แนวทางการออกแบบเครื่องตัดหญ้าพลังงานกล

เพื่อให้ได้เครื่องตัดหญ้าที่ทำงานได้ต่อเนื่องโดยไม่ใช้ไฟฟ้าและเครื่องยนต์ เราออกแบบให้ เก็บพลังงานจากการเคลื่อนไหวหรือแรงคน ผ่านชุดกลไกต่อไปนี้:

• สปริงเก็บพลังงาน (Power Spring): ใช้สปริงขนาดใหญ่พันรอบแกนหลัก โดยอาจมีหลายสปริงหรือหลายชุดขนาดต่างกันเพื่อเพิ่มความจุ เมื่อผู้ใช้เดินเข็นหรือกดโยกตัวเครื่องหรือคันเหยียบ กลไกจะดึงให้สปริงหมุนพันแน่น สะสมพลังงานกลไว้ตามหลักการของสปริงกำลัง[3]. จากนั้นเมื่อปลดคลัตช์หรือชุดเกียร์ สปริงจะคลายตัวค่อย ๆ ปลดปล่อยแรงบิดไปขับเคลื่อนใบมีดตัดหญ้า

• ล้อจลน์สมดุล (Heavy Flywheel): ติดตั้งล้อจลน์ขนาดใหญ่หรือโรเตอร์ที่เชื่อมต่อกับเพลาของใบมีด เมื่อสปริงปลดพลังงานออกล้อจลน์จะหมุนด้วยความเร็วสูง เก็บพลังงานจลน์ไว้และช่วยปลดปล่อยแรงอย่างนุ่มนวล ลดการสั่นสะเทือนและรักษาความเร็วใบมีดให้คงที่[4]. เมื่อผู้ใช้ป้อนพลังงาน (เช่น ปั่นหรือเข็น) ระบบจะหมุนล้อจลน์ให้เร็วกว่าปกติ จากนั้นล้อจลน์ช่วยส่งแรงต่อเนื่องในขณะที่สปริงเริ่มคลายตัว

• ชุดเฟืองและคลัตช์ (Gear & Clutch Mechanism): ใช้ชุดเฟืองทดรอบเพื่อเพิ่มแรงบิด (torque) จากสปริงหรือล้อจลน์สู่ใบมีด และติดคลัตช์หรือแบร์ริ่งเลื่อนเพื่อสลับการทำงานระหว่างการเก็บพลังงานกับการใช้งานจริง เช่น ให้เฟืองบางชุดอยู่ในตำแหน่งเก็บพลังงาน (ไขสปริง/เร่งล้อจลน์) เมื่อถึงจังหวะพ้นแรง ดึงคลัตช์มายังโหมดจ่ายพลังงาน (ปล่อยสปริง/ใช้ล้อจลน์) ไปยังใบมีด

• กลไกผันพลังงานจากผู้ใช้ (Input Mechanism): อาจใช้คันโยกหรือคันเหยียบ โดยให้ผู้ใช้ป้อนแรง (เช่น หมุนมือโยกหรือกดเท้าเหยียบ) เพื่อไขสปริงและเร่งล้อจลน์ซ้ำ ๆ รวมหลายจังหวะติดต่อกัน หรือออกแบบให้ตัวเครื่องเกิดแรงสั่นขณะเข็น (เช่น ระบบลูกตุ้มหรือแกว่ง) เพื่อช่วยม้วนสปริงตามแนวคิดนาฬิกากลไก.