ブレーキをかけると電気を取り戻せる車でも、走るほど電池が増えるわけではありません。取り戻すもとは、それまで車がもっていた運動のエネルギーです。加速に使った電気が全部戻るわけでもありません。問題では「減った運動のエネルギー」と「電池へ戻った量」を別の欄に書きます。
回生という言葉を知らなくても、エネルギーの行き先を矢印で追えば考えられます。中学入試の資料問題では、新しい装置名の暗記より、問題文が指定する回収率を何に掛けるかが大切です。ここでは平らな道での模型を考え、坂から下ることで新たに得るエネルギーは含めません。
動いている車が発電機を回す
電動機は電気を使って回転を生みます。回生ブレーキでは、動いている車輪につながった装置を発電する側で働かせます。車の動きが弱まる一方で、電池へ戻す電気が得られます。「ブレーキが電気を生む」とだけ書くと、止まっている車でも無限に発電できるように聞こえます。必ず、何のエネルギーが減ったかまで説明しましょう。
通常の摩擦によるブレーキでは、運動のエネルギーの多くが熱などへ変わります。回生を使っても、すべてのエネルギーを電池へ戻せるわけではなく、装置や電池での損失があります。実際の車では回生と摩擦ブレーキを組み合わせます。したがって、減速の記録だけで、回収された電気の量までは決まりません。
一回の停止を三つの箱に分ける
考える箱は、減速する直前の運動、電池へ戻る分、戻らない分です。「回収率が60％」とある場合、その60％が運動のエネルギーに対する割合なのか、発電機に入った分に対する割合なのかを読みます。二段階の割合があるなら、順番に掛ける必要があります。
例えば、運動のエネルギー100のうち80が発電機に伝わり、その75％が電池へ蓄えられる模型なら、戻る量は100×0.8×0.75＝60です。80％と75％を足す計算にはなりません。最後に戻らない40を足して100になるかを確かめると、分母の取り違えに気づけます。この数値は仕組みを読むための設定で、車種の性能を表していません。
例題1｜減った量に回収率を掛ける
ある模型車の運動のエネルギーが、減速前の500Jから減速後の180Jになりました。減ったエネルギーのうち60％が電池へ戻るとします。戻る量と、電池へ戻らなかった量を求めてください。ほかのエネルギーの供給はありません。
答え・解説： 減った量は500−180＝320J。電池へ戻るのは320×0.6＝192Jです。戻らない分は320−192＝128J。500Jに60％を掛けると、まだ動きとして残っている180Jまで回収の対象に入れてしまいます。確認式は180＋192＋128＝500です。
例題2｜加速と減速を一組で比べる
停止中の模型車を加速するため、電池から800Jを取り出しました。そのうち75％が車の運動のエネルギーになりました。その後、完全に止まるまでの減速で、運動のエネルギーの60％が電池へ戻りました。一組の加速と停止で電池から正味何Jを使いましたか。
答え・解説： 加速後の運動は800×0.75＝600Jです。停止で戻るのは600×0.6＝360J。電池の正味の減少は800−360＝440Jになります。加速時の損失200Jと、停止時に戻らない240Jを合わせても440Jです。行きと帰りで割合の基準が変わることを、二段の矢印で表せます。
戻った割合と節約できた割合は同じとは限らない
回生で360J戻ったと聞いても、どの基準で節約を語るかを決めなければ割合は出せません。例題2の取り出した800Jが基準なら45％です。減速開始時の600Jを基準にした60％とは違います。数字だけを比較せず、文章中の「何に対して」を丸で囲んでおきましょう。
また、走行中に空気抵抗やタイヤなどで失われたエネルギーは、停止直前に車が残している運動には含まれません。長く走った後に止まるとき、出発時に使った電気へ直接回収率を掛けるのは乱暴です。途中の損失が示される問題では、その分を先に引きます。
電池が満ちている、回生の受け入れ量に上限がある、といった条件が与えられたら、計算上取り戻せる量と実際に蓄えられる量も分けます。回収可能な192Jに対して空きが150Jしかない模型では、蓄えられる上限は150Jです。余る42Jを消してしまわず、別の行き先として扱うのが、エネルギー収支を読む姿勢です。
走行の区間を細かく分けるとき
出発、一定の速さで走る区間、減速を別の行にすると、電池の出入りを整理しやすくなります。停止のたびに戻る電気があっても、その手前の走行で消費した分がなくなるわけではありません。例えば、加速に800J、走行維持に200Jを取り出し、停止で360J戻ったという記録なら、正味は640Jの減少です。戻る360Jを加速と走行の両方から引くのは二重計上です。
回収率を比べる資料では、車の重さや減速前後の速さをそろえる意味も考えます。重い車から多くの電気が戻ったというだけでは、装置が優れている証明になりません。初めに取り出せる運動の量が違うからです。性能を論じるには、回収した実量と、基準になる減少量の両方を表へ残します。
停止直前だけを見るか、一回の走行全体を見るかで、答える量は変わります。図の外枠を電池にするのか車全体にするのかを決めてから矢印を書けば、同じエネルギーを入った側と出た側で重複して数える間違いを防げます。
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