JP2012137082A - 遠心力による推進力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静止している物体に、燃焼方式や空気抵抗を利用せずに自重以上の浮上力を発生させる推進量発生装置を提供する。
【解決手段】同一公転面上に公転軸と回転板１を１対１の関係として、公転軸を中心として回転板をターンテーブル６に複数個均等配置し、回転板の外側に伸びた１個のアームの先端に加重体を取り付けて、複数の加重体を同期回転させ、さらにターンテーブルを回転することにより、相対遠心力差を発生させることにより浮上力が発生する。
【選択図】図１

Description

回転する単独加重体をさらに公転すると、Ｎ極側とＳ極側において慣性速度の相違により、遠心力が相対変化するため推進する推進力発生装置に関するものである。

現在、動力機関としてエンジン、モーター等を原動力とするものがほとんどで特に、燃焼方式であるエンジンが利便性から主流をなしている。しかし、資源量不足による未来不安、二酸化炭素の排出による地球温暖化問題や、騒音による健康被害等、回避できない副作用的な問題もかかえている。また、科学ロケット等は宇宙空間において推進剤等を噴射し推力を得る方式等が実用されているが、ロケットに積載できる燃料に限度があり、宇宙探査の飛躍的進展は望めない状況である。遠心力は見かけ上の力とされ、遠心分離機のような単純応力とするもの以外は、遠心力のみを推進力として作用させる方法は考案されていない。遠心力は実在しない見かけの慣性力であり物理学的には古典的な力学であって解明済みであるとされ、とくに注目されていない。燃焼方式や空気抵抗を利用する方式以外に物体を浮上させる方法は難解であるため、今日その仕組みは解明されていない。

過去にも自転回転板を公転させることによる推進力発生装置が種々提案されているが、そのほとんどは理論的に錯誤があり推進力は発生しない。次段落の特許文献１及び特許文献２では、公転軸を中心として左右対称にして回転板を配置してある。公転軸を中心として双方の回転板の公転遠心力が等しく、互いの公転遠心力は打ち消し合うため公転軸には作用力が及ばない。また、ジャイロを自転及び公転させても、遠心力は常に自転軸を中心として３６０°均衡になり上下方向の遠心力に変化は起こらないため推進力は発生しない。さらに、回転板に発生する高周波振動により浮上力が得られるとするが、実験の結果浮上力は皆無であった。特許文献３では、回転板の外周付近に重りを取り付け、回転軸の回転速度差により重りの部分を速く回転させ推進力を得る発想である。この場合、回転板と重りは同じ回転半径を同じ速度で回転するため、重りの部分の遠心力だけが増大することにはならない。回転の初期段階では回転振動による重量変化は起こるが、高速回転すると重りの重量は回転板の一部の重量となり、双方の遠心力は同化するため変化は起こらない。これも実験で確認している。とくに、半回転ごとに回転速度が異なる仕組みのため構造上高速回転は無理で、所要の遠心力を発生させる回転数には至らない。特許文献４は、回転ローターに突状部を設けて、空気抵抗による圧力差により揚力を得るとしている。自転回転数は記載されていないが、回転ギアの構造などから公転回転数と同じ程度と考えられる。実験による公転数は１０００rpm以下で、このような回転数では突状部の遠心力は非常に小さく、遠心力を応用するものではないことが解る。仮に、遠心力を応用するとしても、特許文献１から特許文献３までの力学的検証理由に格当するため遠心力による推進力は発生しない。

特開平４-１９３６８ 特開２００３-８３２３７ 特開２００４-２７０６７２ 特開２００１-２６０９９１

静止している物体に自重以上の浮力を発生させる方法として、燃焼方式や空気抵抗を利用する以外の方法で物体を浮上させる推進力発生装置を提供することを目的とする。

重力とは、物体の質量に比例して受ける力で、主たる作用は万有引力によるものであるが、遠心力などの慣性力も重力の一種であり、それらの合力が重力となるとされている。万有引力は、同一慣性系で２つの物体が静止状態であっても座標軸自体が回転運動しているため、無意識に互いに引き合う力が生じるということである。したがって、物体間に生じる万有引力は、共通の軸を回転運動する遠心力の作用によるものである。重力の根源は遠心力によるもので、重力・遠心力・加速度は物体に作用する一連の自然力で重量を変化させる。たとえば、月の公転速度が速まった場合は公転軌道半径が大きくなり、引力（月の遠心力）も増すことになり、地球の自転速度も速まるため万有引力（重力）も増すことになる。このことから、重力と遠心力は一体的な関係にあり、遠心力を操作することにより重力を制御できることが解る。本発明装置は、単独回転体の空間における慣性速度変化による遠心力差を応用し、機体にかかる重力に対して浮上力を物理的に得るものであるが、反重力装置ではない。

移動体上で重力測定すると重力差が起こる現象をエトベス効果とよばれる。赤道上を地球の自転方向と同じ東向きに、一定速度で航行する船上で重力測定すると、自転の角速度（遠心力）により重力が減少する。また、逆に西に航行すると重力が増える。（国土地理院の重力測定結果より。）これは地球自転速度と船の速度の２つの速度ベクトルの合成効果によって重力変化が起こることを意味する。２つのベクトル方向を作用、反作用の関係として１つの工程で行うことができれば、重力変動を人工的に作り出すことができることになる。

図３は時速５０kmで走る列車の荷台から、列車の前後でトンネルの壁にほぼ等距離になった瞬間、ボールを時速１００kmで投げ当てるとき慣性力を比較するためのものである。（ボールへの風圧は考えないものとする。）人間がボールを投げるエネルギー量は双方とも等しく投げた速度も等しい。しかし、ボールには列車の速度が作用するため空間上の慣性力差ができる。
Ｒ側の慣性力＝質量×（ボールの速度＋列車の速度）
Ｌ側の慣性力＝質量×（ボールの速度−列車の速度）
ボールを時速１００kmで投げているが、空間速度は１５０kmと５０kmになり、運動体の外側をさらに運動する物体には明確な速度差ができる。本装置は、このような慣性速度差を理論的に応用するものである。

図４は本装置の理論的効果を説明するもので、１個のジャイロがA地点からB地点まで時速３０kmで移動する間に、ジャイロの外側を回る加重体が時速１００kmでP地点からP’地点に回転する空間速度を、静止しているＨから見た場合のものである。Ｎ極側では、加重体は常にジャイロの先頭方向へ進むため空間上の極付近の慣性速度は、自転速度＋公転速度=１３０kmになる。Ｓ極側では、常にジャイロの後方へ進むため、自転速度−公転速度=７０kmになり、慣性速度はＮ極側が速いことになり、遠心力も比例して大きくなるはずで、両極間には速度の違いによる遠心力差（慣性力差）が発生することになる。

実際に、本実験装置のような形態のものからどれほどエトベス効果が得られるのか推測してみる。図1は実験装置の正面図で、ターンテーブルの外側にジャイロを均等に５個配置してある。図２は側面図で、ジャイロにアームを固定し先端には加重体を取り付けた状態で回転する。さらに、ターンテーブルが回転すると、加重体の遠心力がどのようになるのか検討する。（ジャイロとターンテーブルの回転方向は図５のようになる。）図５のＸ軸はターンテーブルの回転によりＮ極側とＳ極側に分割される基準線で、ジャイロの外側を単独回転する加重体が公転力を受けると、前段で述べたように、自転方向と公転方向の相違から、両極間で空間上での速度差が発生するのか検討する。加重体は比較的軽いものとし、慣性速度の変化があれば遠心力も変化するはずである。そこで、速度の合成を検討する。

図６において、加重体の自転速度（時速３００kmとする）をF=300とし、加重体の公転速度（時速１００kmとする）をF=100と仮定する。また、加重体の自転速度は一定速度で自転しているとする。自転速度と公転速度を合成した慣性速度を合力とする。合力は自転角度θの接線方向の速度とＸ軸に平行な公転方向の速度から求められる。自転速度F=300と公転速度F=100の合力Ｆを回転角度毎(θ)に求める計算式を示す。

計算の結果は次表のようになり、Ｎ極側の０°地点の合力はF=316.22、３０°地点ではF=360.55、６０°地点ではF=389.82等となる。また、S極側の９０°地点では自転と公転方向が直線的に反対向きになるため、空間上の合力はF=200となる。回転角度を５°毎に合力を計算して平均すると、Ｎ極側はF=369.36,Ｓ極側はF=247.83となる。このことから、Ｎ極側はＳ極側より回転速度が速いことになり、遠心力も強いことがわかる。また、両極の平均はF=308.59程となり加重体の自転速度F=300より時速８.５９km速くなっていて、合力を受けて加速することもわかる。図７は、合力線と遠心力は円軌道のため角度により多少の違いはあるがほぼ同じ大きさになり、遠心力界の中心に回転軸が移動する状況を示したものである。図８は、自転方向は同じで公転方向のみを変えたもので、遠心力はＳ極側が大きくなっていて、これによりジャイロにはＳ極側に推進力が発生することがわかる。空間中の２つの速度ベクトルにより慣性速度が変化して、遠心力変動が起こることを理解できる。

本実験装置の加重体の遠心力がどのように作用するのか検討してみる。ジャイロは直径１２cm,重量４１０g(鉄板)で、加重体は自転半径１１cm,重量５gである。ターンテーブル中心からジャイロまでの公転半径は１８.５cmで、ジャイロの自転回転数は推定８０００rpm, ターンテーブルの公転回転数は８５rpm位である。また、加重体は常にジャイロの外側を回るため公転半径は、２３．３cmとなる。（図９）回転数から加重体の自転速度及び公転速度を求める。（アームの重量はジャイロの重量に含めている。）

※ ｒは回転半径(m)、Ｎは回転数(rpm)である。

計算結果、自転速度は331.7km,公転速度は7.5kmになる。この速度の合力を、数式１の式から求めると次表のようになる。（自転方向、公転方向は図５と同じ。自転速度F=331.70,公転速度F=7.50とする。）

計算結果から、Ｎ極側の回転慣性速度が９.０km速くなっていて遠心力が大きいことがわかる。次に、遠心加速度を求めるためにＮ極側の平均速度336.24kmとＳ極側の平均速度327.22kmを、１分間当たりの回転数に換算する。（平均速度とするのは、合力値による軌道はほぼ円に近く実験証明には精度的に問題ないと考えるためである。）

※ 回転半径はm単位

計算結果、Ｎ極側は8108rpmで、Ｓ極側は7890rpmとなる。

遠心力の計算は、質量ｍの粒子を回転半径ｒ、角速度ωで回転したときの慣性質量を表すもので、次式で求められる。

※ ｍ：質量(g)、ｒ：回転半径(cm)、ω：回転角速度(rad/s)

遠心力とは、回転運動する物体の質量に比例する量で、いわゆる慣性質量の大きさを表わす。遠心力は質量×加速度で表わされるが、実際の力ではなくベクトルを求めるための計算に過ぎないため、遠心力の計算式により外界へ作用する力を求めることはできない。物体は質量の大小に関係なく同じ加速度で落下し、慣性質量と重力質量は同一であるという等価原理がある。そのため重力と慣性力は等しいという原則から作用力の大きさを求める。遠心力加速度の場合は、質量と回転速度が比例するため、その物体に作用する力の大きさを計る指標とすることができる。これはその質量に対する物体の静止力が作用するためで、回転中の物体に加わる遠心加速度が求める値である。本装置の場合、遠心加速度のＮ・Ｓ極方向の加速度差が重力加速度の何倍かを知ることにより、遠心加速度の「重さ」を求めることができる。空間中の物体に作用する力を求めるために、一般的に遠心加速度の単位として、地球の重力加速度との比で表わした相対遠心加速度が用いられる。そのため１分間当たりの回転数Ｎを用いて、ω＝２πＮ/６０(rad/s),地球の重力加速度＝980.665(cm/s²）として相対遠心加速度を求めることができる。
(１秒間の)相対遠心加速度(RCF)＝遠心加速度÷地球の重力加速度
下記の数式において、式（1）を整理すると式（2）の一般式になる。

※ rは回転半径(cm)、Ｎは１分当りの回転数(rpm)である。(×g)は重力加速度の単位で、1重量グラム（gf）に掛かる加速度であり、N/kgと計算上は同じ意味とされる。（N/kgは質量1kgの物体に1m/s²の加速度を与える単位。）

上記の数式からＮ極側、Ｓ極側の相対遠心加速度(RCF)を計算すると、Ｎ極側は8084(×g)で、Ｓ極側は7655(×g)となる。差の４２９(×g)は、重力加速度の４２９倍の相対遠心加速度差が発生することを意味する。加重体は５個あり、１公転当り重力加速度の２１４５(×g)倍の遠心加速度を発生する。※遠心加速度を1G界の力の重量単位に換算すると、1グラム＝1gf重となる。

本来の回転遠心力は、自転軸を中心として３６０度均衡に作用するものであるが、本装置の加重体の遠心力はどちらかの極方向に大きくなる現象を起こし自転軸に作用する。そのため自転軸が持ち上げられ機体が浮上する。作用力はベクトルそのものであり、相対遠心加速度の２１４５(×g)は、２.１N/kgに相当する。(実験結果からもほぼ同じ値を検出している。)

地球万有引力による重力加速度は1秒間当りの時間単位で表わされる。本装置の遠心力は上下方向に波を形成するため、1秒間に何回公転できるかにより推進力が決定する。たとえば、１０kgの物体を浮上させるためには、自転及び公転による相対遠心加速度の合計が1秒間当り１０N/kgを上回れば浮上することになる。そこで、段落００１５の実験結果で、公転速度のみを変えて計算した結果を次表にした。（自転回転数は８０００rpm、自転半径11cm、公転半径２３.３cm、加重体重量５gである。）

１秒間の推進重量＝全加速度×1秒間の公転数である。本実験装置の全重量は１１.０kgであり、1秒間に３回公転すると完全に浮上することになる。図１０は、1秒間に4公転した場合の相対遠心力波形で、塗りつぶしの部分が推進力の大きさを表わす。図１１は、表３の１秒間の推進重量を表わしたもので公転速度に反比例して加速度的に大きくなる。本装置の自転用モーターは常に一定の回転速度でジャイロを回している。Ｎ極側とＳ極側で加重体の回転速度が変化するのではなく、公転による加速度を受けて空間上の慣性速度に相違ができるからで、加重体の１回転当りの回転速度はほとんど変化しない。単独加重体に慣性速度を作用させることにより遠心力が相対変化し、エトベス効果による推進力が発生することを証明できる。

本装置は加重体の相対遠心力差により推進力が得られるが、５個の加重体の回転同期が絶対必要になる。たとえば、ヘリコプターで主翼のメインローターの片側が折れても揚力が発生することはない。回転軸に均一に揚力が作用しないため残りのローターだけが上向きになり機体は上昇しない。本装置の5個の加重体も、公転軸に均一に浮上力を作用させる必要があり、そのために加重体の回転同期が必要となる。

図１２で、６個のゴムボールを高さＨのところから床面へ同時に落下させて、中間地点まで上昇したとき、全体的には上向きに慣性力が６Ｎ発生する。図１３は、３個ずつ落下させ中間地点で一致するように落下させた場合であるが、運動方向が逆向きになるため、全体として空間上での慣性力は発生しない。また、加重体の遠心力は波を描くため同調しなければ互いに打ち消しあうことになる。（図１４）本装置の５個の加重体のうち、３個がＮ極向きで２個がＳ極向きの場合は、ほとんど慣性力は発生しないことになる。本装置による５つの遠心力差（慣性力）は、回転の瞬間ごとに一極方向への作用力を一致させる必要があり、加重体の回転同期が必要になる。

本装置のような仕組みで推進力を得ようとして、ジャイロなしで加重体のみにした場合、回転軸から遠く離れて回る加重体の遠心力が、回転軸に大きな負荷を及ぼし軸の破断をまねきやすい。回転軸にジャイロを用いることにより、加重体の遠心力を緩和することができる。加重体の遠心力を、ジャイロの遠心力に置き換えると変化率は１〜２％程度である。(図１５)そのため回転軸にさほど負荷をかけることもなく、ジャイロの剛性力も作用するため安定した回転力を得ることができる。ただし、回転の初期段階ではジャイロの遠心力がほとんど作用しないため、加重体を極端に重くすると結果的に事故がおこりやすい。

本装置では、ジャイロにアームを固定しその先端に加重体を取り付けてある。加重体はジャイロの自転軌道面上ではなく、その外側を回る形にしてある。理由は、ターンテーブルが公転した場合、加重体の公転距離が長くなり公転遠心力がより大きく作用するためである。（図９）また、アームの長さは任意である。

推進力発生条件には、１個の回転板の投影方向に他の回転板が位置していないことが重要である。(図１９)互いの回転板が、公転軸を挟んで向き合うと公転遠心力が相殺されることになる。そのため、回転板と公転軸は１対1の関係になるように配置する。回転板の直径は公転半径との関係により最大直径を算出できる。

公転半径から回転板(ジャイロ)の最大直径を求める式を示す。
最大直径＝tan（９０°/回転板数）×２×公転半径

本発明の実験装置では公転軸を中心として回転板を均等間隔に５個取り付けた。同様な配置方法で回転板を３個、７個等のように配置してもよい。

図１６は球体カプセルに収納した簡易脱着式推進装置で前進、後進または上昇、下降は自転方向（または公転方向）を変えることにより自在に切り替えることが出来る。カプセル型にすることにより推進装置の交換が容易であることや１種類でいろいろな機関へ動力源として応用が出来る。

図１７、図１８は上昇、下降用推進装置と水平移動用推進装置を組み合わせた飛行艇である。水平移動用推進装置は符号１５のモーターにより推進方向をコントロールする。

図２０において、公転用モーターでターンテーブルを左回転させると、台座には右回りの公転反力が発生する。飛行艇の場合は、この作用力により機体が旋回することになる。ヘリコプターの場合は、メインローターによる機体旋回力を防止するため、テールローターを逆方向に回して旋回を防止している。本装置の場合は、公転方向の異なる推進装置を２個一対として組み合わせることにより公転反力を解消することができる。図２１のように、飛行方向の左側と右側とで、片側の自転・公転方向を変えることにより推進力の作用方向を変えずに、全体の公転反力を後方で打ち消すことができる。これにより飛行方向の運転席側が決まる。

本装置は、遠心力のみを応用して推進力を発生させることが可能である。自然環境にも優しく、飛行艇の場合は場所を選ばずに離発着ができる。地上から宇宙空間へ任意の速度で飛行できるため安全性は高く、宇宙探査が容易にできる。

実験装置正面図 実験装置側面図 ボールによる慣性力説明図 ジャイロによる慣性力説明図 回転方向図 回転合力図 遠心力変化図 回転合力図 回転部寸法図 推進力公転周期イメージ 推進重量グラフ 慣性力発生方向説明図 慣性力発生方向説明図 遠心力同期イメージ図 ジャイロ遠心力変化率図 脱着式推進力発生装置図 飛行艇内部透視図 飛行艇外観図 回転板配置説明図 推進装置公転反力説明図 機体公転反力説明図 相対遠心加速度計算表

本装置により推進力を連続発生するためには、複数の回転板の加重体が同時に極方向、回転速度とも一致する同期制御が必要になる。自転速度、公転速度を完全にコントロールするサーボモーターのシステム構成が必要であるが、複数のサーボモーター、サーボアンプ、モーションコントローラ、などを連携して電子制御する技術はすでに開発実施されている。

図１、図２は本発明装置の実施例でターンテーブル６に自転用モーター４を均等に５個配し回転板１と連結してスイッチ５により電源の入切を行う。バッテリー１０はターンテーブル直下にある。このターンテーブルを公転用モーター７により回転させる。８は手動式スピードコントローラー、９は公転用バッテリーである。コントローラー８とバッテリー９を除く総重量は１０.４Kgである。自転用モーターは無負荷時１２０００rpm、回転板の直径１２cm、ターンテーブル直径３６cm、回転板重量は１個４００gである。これにアルミ製アームを固定し、回転板の端から５cmのところに５gの加重を取り付けた。また、回転板と加重体の歳差距離は２１mmである。実験では本装置を電子計量器に載せて固定し、どのくらい重量変化が起こるかを試験した。公転数は８５rpmで自転数は８０００rpmと推測するが、この条件で実験を繰り返した。５個の加重体の回転同期のタイミングが少ないため計量数字は上下動するが、機体重量が１.５kg〜２.０kg軽くなることを確認した。また、公転方向を変えると重くなる現象も確認できた。実験では様々な配置形態の機体を作成して推進力を確認した。特許文献１から特許文献３までの形態の実験もそのひとつである。加重体が無い場合は、ジャイロをどのような角度で自転・公転させても推進力は発生しないことを確認した。本装置は高速回転するため実験中の様子はビデオカメラに撮って編集し、計量変化の状況等から公転周回ごとに推進力が発生する成果を得た。

本装置は遠心力の作用によるもので、人体には無害で健康上の問題はない。産業上の利用可能性として、エンジンのように発生トルクをシャフトにより回転体に伝道するものでなく、発生推進力は直接機体に及ぶため途中の摩擦抵抗がない効率的な推進機関である。推進力の出力速度をほぼ瞬間的に最大値まで上昇できること、巨大出力を発生させることが可能であること、騒音が小さいこと、二酸化炭素の排出がないこと等で移動時間の短縮、環境汚染問題への配慮等で効果がある。とくに飛行艇の場合は、空気抵抗を利用しないため超高層圏を短時間で飛行でき、乱気流に巻き込まれたりする気象上の影響を受けない安全な飛行が可能になる。宇宙空間や海中でも応用ができ、より遠くまでの探査を可能にする。いろいろな分野での利用が期待でき経済効果を生むものと考える。

１ 回転板（鉄板）
２ アーム（アルミ製）
３ 加重体（鉄板）
４ 自転用モーター（タミヤCRチューンモーター）
５ 電源スイッチ
６ ターンテーブル
７ 公転用モーター（グラープナーSPEED 600 BB SP）
８ 手動式スピードコントローラー
９ 公転モーター用バッテリー（RC2400SP 7.2V）
１０ 自転モーター用バッテリー（7.2V）
１１ 簡易脱着式推進装置
１２ 電子ターミナル部
１３ 外部接続ケーブル
１４ 水平移動用推進装置
１５ 水平移動用推進装置回転モーター
１６ バッテリー

Claims (2)

1. 同一公転面上に公転軸と回転板を１対１の関係として、公転軸を中心として回転板をターンテーブルに複数個均等配置し、回転板の外側に伸びた１個のアームの先端に加重体を取り付けて、複数の加重体を同期回転させ、さらにターンテーブルを回転することにより、相対遠心力差を発生させて推進する推進力発生装置。
2. 本推進装置を上下方向の推進力とするものと、水平方向の推進力とする推進力発生装置を組み合わせた飛行艇。