Hlavní navigace

Exciter: tělocvičný stroj pro uživatele počítačů

Karel Kulhavý 23. 7. 2007

Kdyby zašel člověk k lékaři ohledně obezity a lékař by mu doporučil, aby více seděl u počítače, klepali byste si asi na čelo. Ale stroj, který vyvinuly Twibright Labs, karty obrací. Nejtajnější sen všech geeků se tak stává technicky uskutečnitelným. Surfování po internetu se vyrovná surfování na Waikiki či Malibu.

Pohyb je problém

Vyspělá část lidstva je zasažena epidemií civilizačních chorob. Milión let byl člověk evolucí optimalizován na trvalou fyzickou zátěž, a během posledních let jsme ho nahradili vysedáváním u televize, před počítačem a v automobilech. Systém na to není stavěn. Cévy puchří, mozky se ucpávají, srdce praskají. Panděro bobtná jako houby po dešti.

Víme, že bychom se měli častěji pohybovat, ale nás hektický životní styl tomu stojí v cestě. Zejména životní styl počítačových nadšenců. Ani při jízdě na kole se totiž nedá browsit po internetu nebo programovat. Novoroční sportovní předsevzetí se tak ve světle počítačového monitoru mění v plíživou hrůzu kardiovaskulárního hororu.

Anketa

Cvičíte pravidelně?

Právě tento problém jsem se snažil adresovat. Položil jsem si otázku – dá se postavit stroj, který by nerda tučňákovitého tvaru mezi dvěma lety učinil králem pláže, aniž by přitom musel zvednout zadek od počítače? Úkol na první pohled neřešitelný je ve skutečnosti pouze obtížný. Stroje na řešení obtížných úkolů ale obecně potřebují výkonný motor. Ve stroji, který jsem vyvinul a nazval Exciter, je motor rovnou třífázový asynchronní.

Pozměněná klasika

Pravděpodobně znáte rotoped. Lidé, kteří vyvinuli stroje, aby je od fyzické práce osvobodily, na něm investují přídavný čas a plýtvají fyzickou práci, aby se udrželi fit.

Exciter

Postavil jsem podobný stroj, ale s několika změnami. Je postaven z půlky starého kola a na rozdíl od rotopedu nemá řídítka, aby se dal přistavit k počítači. Místo brzdy je v něm zmíněný elektrický motor s vnějším rotorem – výprodejový PAPST-MOTOREN KG KLM 42.65-4-158D-B210 se jmenovitým výkonem 60 W, ke kterému už není k dispozici datasheet. Motor se vlastní vahou přitiskává na hladkou závodní pneumatiku (Rubena Syrinx 700×23c). Vinutí jsou zapojena do trojúhelníku a paralelně jsou přes ne připojeny motorové kondenzátory 6 uF. Přes třífázovou zásuvku a zástrčku a šestidiodový usměrňovač, voltmetr a ampérmetr vedou vodiče do zásuvky jednofázově, do které se připojí spotřebič – počítač, nebo alespoň jeho monitor.

Motivace a praktická funkce

Idea se rýsuje – každý uživatel počítače má vrozený instinkt neztratit data se kterými pracuje, a proto, závisí-li život dat v operační paměti na jeho šlapání, bude šlapat, i kdyby mu to mělo být mírně nepříjemné. Tím se řeší odvěký problém sportu – motivace.

Jak je ale možné, že se vyrábí síťové napětí, když indukční stroj neobsahuje žádné magnety ani kartáčové kontakty? Začneme-li šlapat, motor se nejdříve protáčí úplně naprázdno. Točí-li se ale rotor rychleji než kritická rychlost daná rezonanční frekvenci indukčnosti vinutí motoru a použitých kondenzátorů, systém získá pozitivní vazbu a stane se nestabilním. Nepatrné vzruchy vzniklé tepelným pohybem atomů se na daně frekvenci zesilují, až dosáhnou úrovně síťového napětí. Pro toto je motor stavěn, a tak při něm vzniká mírně přesycení jádra, které zabrání dalšímu nárůstu oscilací.

Celý jev proběhne během zlomku sekundy. Motor doslova naskočí a je to cítit na odporu, který začne činit při šlapání – najednou musíme dodávat budící energii, která udržuje kotvu motoru zmagnetizovanou. Šlapeme-li více ztuha, motor nám téměř nedovolí šlapat rychleji, a klade větší odpor. Kotva se budí příliš, její magnetismus stoupá a vzniká vyšší napětí. Motor se více hřeje ale žádnou energii zatím nedodává.

Stroj běží úžasně hladce – už Nikola Tesla, který polyfázový systém vymyslel, zjistil, že kroutivé momenty polyfázových vinutí se v každém okamžiku sčítají tak, že výsledek je pořád stejný. Člověk má pocit, jako by šlapal do lopatek potopených ve vodě – žádné vibrace známé z elektrických motorů se nekonají! Jediné, co je slyšet, jsou převody kola a šustění pneumatiky.

Diody jen s odporem do série s odporem zapojit teď zkusím vybavením s kusým
drátu hustou spletí probil silný proud pájka vzhůru letí z boostru zbyl troud.
Jsem na mléčný dráze vynálezu, spojím tři fáze a propájím stůl

(Tři Sestry: Krabička)

Připojíme-li spotřebič, napětí o něco poklesne a vyrábíme elektřinu. Kolik elektřiny vyrobíme? Bohužel moc ne. Zapomeňte na rychlovarné konvice, třífázové sporáky (třífázový proud bychom ale měli!), mikrovlnky, přímotopy, fény a vrtačky.

Člověk dá trvalejší výkon pouze asi do 200 wattů, na rozdíl od koně, pro kterého není problém 750 wattů. Asi 100 wattů odpovídá pohodové jízdě na kole. Můj laptop má 60 wattový zdroj a bere bez baterky 30 wattů.

Snížíme-li hodnotu připojených kondenzátorů, je třeba šlapat rychleji a méně ztuha, ale stroj dává vyšší napětí nebo při stejném napětí méně topí. Nižší napětí je ale pak nestabilní a závisí více na rychlosti šlapání a odběru. Takto se mi podařilo s 4 uF kondenzátory našlápnout přes 500 voltů – ručkoměr šel za roh a víc jsem nezkoušel, aby nebouchly kondenzátory nebo se někde neprorazila izolace.

Při jakém napětí počítač shoří?

Spínaný zdroj počítače napětí že sítě také usměrňuje, ale tam je jen 230 voltů, podle britské normy maximálně 253 voltů, takže napětí na kondenzátorech zdroje nepřekročí 357 voltů. Jmenovitým 230 voltům sítě pak odpovídá 324 voltů.

Se 4 uF se šlapalo příjemné lehce, ale se zapojenými bateriemi laptopu nastal problém. Nabíjecí automatika totiž často skokově zvyšovala odběr. Napětí zákonitě pokleslo, protože člověk nedokáže okamžitě změnit výkon, který dodává do nohou, a lehké šlapání znamená, že ztrátový výkon v kotvě motoru je malý a nedokáže skok pokrýt. Zdroj proto zvýšil odebíraný proud, aby odebíral stále výkon, kterým se rozhodl nabíjet. Napětí opět pokleslo atd. Vznikl začarovaný kruh a napětí kleslo až na 100 voltů a nabíjení přestalo.

Zvýšil jsem výkon šlapání, aby se napětí dostalo zpět na běžných 300 voltů. Napětí bylo ale přilepené na 100 voltech a když jsem dosáhl dostatečného výkonu, začarovaný kruh se opakoval druhým směrem – napětí prudce vylétlo a zdroj inkasoval nezdravých 400 voltů. Kam se hrabě svěží motorkář Tomáš Hájíček se svými „dvě stě a víc”!

Naď Libercem sněží, je to hnusnej kraj,
Tomáš Hájíček je však svěží motorkář.
[…] jezdit rychle ho totiž baví, dvě stě a víc

(Tři Sestry: Kawasaki)

Napěťová ochrana

Z tohoto incidentu vyplynulo mravní ponaučení. Za prvé, provozovat laptop bez baterek. Je přitom ještě větší motivace, člověk pak šlape, i když nechce. V situaci, kdy film z disku už za 5 minut končí a jemu se nechce zbytečně rebootovat počítač jen proto, aby si oddechl. Za druhé, zamontovat ochranu, která napětí nepustí přes 350 voltů. Ochrana na principu zkratu při přepětí (tzv. crowbar protection) fungovala spolehlivě, na 350 voltech se ručička vždy zastavila.

Ochrana se ale ukázala být kamenem úrazu. Ač má motorek jmenovitý výkon pouze 60 wattů, když člověk pořádně šlápnul, dařilo se s ním nakrmit 120 wattů v žárovkách. Ochrana tedy musí takové výkony vydržet. Zejména její chladič.

A v tom byl problém. Výkonový polem řízený tranzistor IRFP450 vydrží ledacos, ale chladič, který by takový tepelný výkon dokázal aspoň na chvíli převzít, se do zvolené plastikové krabice nechtěl vejít. Poslední slova, která tranzistor slyšel, než se jeho jádro roztavilo, byla „a neopírej se moc do toho tranzistoru, chladič je poddimenzovanej!” Představte si, že pustíte procesor o výkonu 120 wattů se směšným chladičem naplno. Tranzistor se propálil na odpor asi 90 ohmů a stroj přestal fungovat. Tranzistor bylo třeba vyměnit.

Ochrana proti přetížení

S tím souvisí další vlastnost stroje. Má automatickou ochranu proti přetížení nebo zkratu. Není třeba pojistek ani jističů. Je-li odběr příliš velký, kladná zpětná vazba vymizí a oscilace ustanou. Motor nedává žádné napětí a protáčí se zcela volnoběžné.

Na tomto principu také funguje ochrana proti úrazu elektrickým proudem. Je zcela namístě, obzvlášť když z člověka sedícího na třistavoltové mašině (ještě jednou – kam se hrabe svěží motorkář Tomáš Hájíček se svými „dvě stě a víc”!) kape slaný pot. Zásuvka je zapojená jako obvykle, s ochranným vodičem, který je skrz skříňku elektroniky a třífázovou zásuvku připojen na kostru motoru. Prorazí-li se izolace vinutí proti kostře nebo v krabičce někde upadne živý drát, dojde ke zkratu, napětí zmizí a mašina se protočí.

Podle Wikipedie je navíc stejnosměrný proud podstatně méně nebezpečný z hlediska srdečních fibrilací než střídavý. A nakonec – i kdyby člověk ránu přece jenom dostal, přestane šlapat a tak odpadá nebezpečný tanec v rytmu 50 hertzů.

Na kolo je možné přidělat běžný cyklocomputer a nakalibrovat ho tak, aby ukazoval přímo otáčky hřídele v hertzích. V mém případě potřebuji 23 nebo 26 hertzů, podle toho, zda krmím obyčejnou žárovku na 230 voltech nebo počítačový zdroj na 300 voltech. Motor je tedy očividně čtyřpólový – potřebuje poloviční frekvenci než běžných 50 hertzů.

Po pořádném chladiči přepěťové ochrany budou dalším krokem ve vývoji přepínače na konfiguraci budících kondenzátorů – z kapacit 4, 2 a 1 uF se dá sestavit cokoliv v rozsahu 0 až 7 mikrofaradu.

Šlapu, šlapeš, šlapeme

Se strojem je legrace a vysedávání u počítače se stává zdravější záležitostí. Kromě aerobního tréningu bez nutnosti přídavné investice času se dá použít jako zdroj energie v chatě, která nemá přívod elektřiny. Pustit si večerní zprávy na šlapacím televizoru je zdraví jedině prospěšné. Jen je třeba uvnitř odpojit demagnetizační cívku, aby stroj vůbec nastartoval.

Konstrukci je možno snadno postavit podomácku, díky jednoduchosti elektrické části a všudypřítomnosti asynchronních motorů a starých bicyklů. V případě, že je dostupný pouze běžnější typ motoru s vnitřní kotvou, je potřeba namontovat na hřídel buben, aby bylo co přitisknout na pneumatiku.

Energetická účinnost by se dala zvýšit použitím převodu s plochým řemenem místo třecího převodu. Plochý řemen se používal dříve ve starých továrnách. Tento zastaralý, leč geniální mechanismus má účinnost až 98 %, je tichý a tlumí vibrace. Ostatní převodové technologie mají účinnost do 90 %. Řešení s řemenem je ale komplikované, neboť vyžaduje na bicyklu speciální řemenici tvaru rovného nebo vypouklého válce. Dále je potřeba těžko sehnatelný kožený řemen správných rozměrů a mechanismus napínání řemene. Rozměry stroje by se zvětšily a stroj by se tak stal méně vhodný k domácímu použití.

Našli jste v článku chybu?

20. 8. 2008 11:53

Tak to já musim pochválit autora že si s tim dal takovou práci, jako na kole jezdim tak 40km normál ale kdybych to mněl dělat u počítače asi bych brzo zmagořil :-)

29. 8. 2007 18:10

uživatel si přál zůstat v anonymitě
Kdysi jsem podobne zarizeni taky vyvinul ale napajelo tehdy oblibeny prenosny televizor Junost ci Merkur, po jiste dobe me vsak slapani prestalo bavit a zarizeni se presunulo s mensimi zmenami na vodni tok za chatou jako vodni elektrarna a slouzilo vesele dal :-)
Podnikatel.cz: Babiše přesvědčila 89letá podnikatelka?!

Babiše přesvědčila 89letá podnikatelka?!

Vitalia.cz: Pravda o přibírání na zimu

Pravda o přibírání na zimu

Podnikatel.cz: Nejenom EET, začaly platit další zákony

Nejenom EET, začaly platit další zákony

Vitalia.cz: To není kašel! Správná diagnóza zachrání život

To není kašel! Správná diagnóza zachrání život

Podnikatel.cz: Přehledná titulka, průvodci, responzivita

Přehledná titulka, průvodci, responzivita

120na80.cz: Rakovina oka. Jak ji poznáte?

Rakovina oka. Jak ji poznáte?

DigiZone.cz: Rádio Šlágr má licenci pro digi vysílání

Rádio Šlágr má licenci pro digi vysílání

Vitalia.cz: Dáte si jahody s plísní?

Dáte si jahody s plísní?

Podnikatel.cz: Na poslední chvíli šokuje výjimkami v EET

Na poslední chvíli šokuje výjimkami v EET

DigiZone.cz: Flix TV má set-top box s HEVC

Flix TV má set-top box s HEVC

Podnikatel.cz: Babiš: E-shopy z EET možná vyjmeme

Babiš: E-shopy z EET možná vyjmeme

Vitalia.cz: Jsou čajové sáčky toxické?

Jsou čajové sáčky toxické?

120na80.cz: Horní cesty dýchací. Zkuste fytofarmaka

Horní cesty dýchací. Zkuste fytofarmaka

Měšec.cz: Jak vymáhat výživné zadarmo?

Jak vymáhat výživné zadarmo?

Root.cz: Vypadl Google a rozbilo se toho hodně

Vypadl Google a rozbilo se toho hodně

DigiZone.cz: ČRa DVB-T2 ověřeno: Hisense a Sencor

ČRa DVB-T2 ověřeno: Hisense a Sencor

Měšec.cz: U levneELEKTRO.cz už reklamaci nevyřídíte

U levneELEKTRO.cz už reklamaci nevyřídíte

Vitalia.cz: Mondelez stahuje rizikovou čokoládu Milka

Mondelez stahuje rizikovou čokoládu Milka

Podnikatel.cz: EET: Totálně nezvládli metodologii projektu

EET: Totálně nezvládli metodologii projektu

Vitalia.cz: Co pomáhá dítěti při zácpě?

Co pomáhá dítěti při zácpě?