■ 本報(bào)記者 葉昌元

未來城鄉(xiāng)

節(jié)能電梯：珍惜勢(shì)能

■ 本報(bào)記者 葉昌元

乘電梯上樓的人耗費(fèi)了電力，但制造了勢(shì)能

這種勢(shì)能既可轉(zhuǎn)換，也可貯存

電梯就是勢(shì)能轉(zhuǎn)換器

節(jié)能的電梯就是要把勢(shì)能貯存、利用起來

蹺蹺板：勢(shì)能的轉(zhuǎn)換

在一種蹺蹺板雜技表演中，我們可以看到，一位身材比較嬌小的女演員站在蹺蹺板的一端，一位身材壯碩的男演員從高處跳下，砸向蹺蹺板的另一端，女演員被高高彈起。為了將女演員彈得更高，砸向蹺蹺板另一端的甚至是同時(shí)跳下來的兩個(gè)人。

我們都知道這種蹺蹺板的原理，就是勢(shì)能的轉(zhuǎn)換。男演員從高臺(tái)上跳下，其勢(shì)能就是他的重量W1乘以臺(tái)子的高度H1，即 W1H1。假設(shè)蹺蹺板自身不吸收能量，也不計(jì)女演員被彈起時(shí)所遇空氣阻力，男演員的勢(shì)能完全轉(zhuǎn)換為女演員的勢(shì)能 W2H2，W2是女演員的重量，H2是女演員被彈起來的高度。W1H1=W2H2。男演員的體重越重、女演員的體重越輕，女演員彈得越高。

兩個(gè)男演員落在蹺蹺板的一端，女演員從另一端被彈起

體型小的演員才會(huì)被彈得更高

電梯是蹺蹺板的變形

我們都知道，一般的電梯主要由三大部分構(gòu)成：提供動(dòng)力的電機(jī)、載人的轎廂、對(duì)重（如下圖）。對(duì)重的主體就是重力塊，由鐵塊或混凝土塊組成，與轎廂相對(duì)，掛在曳引繩的另一端，其作用就是為了平衡轎廂的重量。一般地，對(duì)重的重量是轎廂自身的重量加上半載狀態(tài)的乘客重量。假如電梯的額定載客人數(shù)是 10人，對(duì)重的重量就是轎廂的重量加上5個(gè)乘客的重量。當(dāng)轎廂內(nèi)的乘客為5個(gè)人時(shí)，曳引繩的兩端重量是平衡的，也是電梯最“省力”、也就是最省電的狀態(tài)。

這里有必要對(duì)補(bǔ)償鏈解釋一下。補(bǔ)償鏈就是一種鐵鏈，用于補(bǔ)償懸吊轎廂或?qū)χ氐匿撍鞯闹亓俊Ｈ绻娞莸母叨仍?30米以上時(shí)，鋼索也有相當(dāng)?shù)姆至?。?dāng)轎廂處于低位時(shí)，這一側(cè)的鋼索很重，此時(shí)的對(duì)重處于高位，補(bǔ)償鏈的大部分即處于對(duì)重一側(cè)，正好平衡了轎廂一側(cè)的鋼索的重量；當(dāng)轎廂處于高位時(shí)，情形就反過來了。

我們可以把電梯看成一個(gè)蹺蹺板：轎廂上去，對(duì)重下來，上升和下降的距離是一樣的；反之亦然；只不過這個(gè)“蹺蹺板”是一根柔性的曳引繩，而不是一塊板。

電梯運(yùn)行時(shí)，轎廂與對(duì)重的勢(shì)能此消彼長。最理想的狀態(tài)，就是這一側(cè)消減的勢(shì)能等于另一側(cè)增長的勢(shì)能，幾乎不消耗電能。既然一側(cè)上升的高度與另一側(cè)下降的高度是相等的，只有轎廂一側(cè)的重量等于對(duì)重的重量，才能使兩邊的增、減勢(shì)能相等。這時(shí)，無論轎廂是上升還是下降，電機(jī)都不用費(fèi)什么力氣，所要克服的不過是曳引繩與繩輪間的摩擦力，以及轎廂、對(duì)重與導(dǎo)軌間的摩擦力（轎廂、對(duì)重均不能空懸，任其晃蕩，須在兩根垂直的導(dǎo)軌間滑行）。

但事實(shí)上，轎廂常常滿載或空載，這一端的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于或低于對(duì)重平衡體的重量。因?yàn)閮蛇叺闹亓坎黄胶?，電機(jī)就要使勁撥動(dòng)繩輪，消耗較多電力。

電梯重量平衡系統(tǒng)示意圖1—電纜 ；2—轎廂 ；3—對(duì)重 ；4—補(bǔ)償鏈

節(jié)能電梯：讓對(duì)重與轎廂兩側(cè)重量相當(dāng)

轎廂里乘客人數(shù)總是變動(dòng)的，其重量也總是變化的。要想使轎廂這一側(cè)的重量與對(duì)重那一側(cè)相同，就要相應(yīng)地改變后者的重量。

節(jié)能電梯的設(shè)計(jì)思路是這樣的：在補(bǔ)償鏈上綴以若干重力滑塊，可以沿鏈滑動(dòng)。進(jìn)入轎廂的乘客人數(shù)穩(wěn)定后，轎廂門一關(guān)上，置于轎廂底板下的電子稱重計(jì)對(duì)乘客稱重，并將重量數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑿碗娔X里，電腦對(duì)轎廂一側(cè)、對(duì)重一側(cè)作出孰重孰輕的判斷，隨即發(fā)出指令，指揮相應(yīng)重量的滑塊向輕的一側(cè)移動(dòng)，以致兩側(cè)重量平衡。

有人會(huì)說，這樣的裝置增加了電梯的成本，況且移動(dòng)滑塊同樣需要耗費(fèi)能量。這不是得不償失嗎？

實(shí)際上，滑塊只需置于補(bǔ)償鏈曲線的最底端。當(dāng)電梯運(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)最底端的位置是連續(xù)變化的。電腦所要做的就是確定把滑塊歸于轎廂一側(cè)，還是歸到對(duì)重一側(cè)。

滑塊的重量不宜設(shè)計(jì)得過于精細(xì)，可以只用一種規(guī)格，比如60千克一塊，大致是一個(gè)乘客的重量。不可能、也沒有必要讓兩側(cè)的重量完全相等，總會(huì)有一側(cè)稍重一些。讓哪一側(cè)重一些更節(jié)能、電機(jī)更省力呢？下行一側(cè)的重量略高于上行一側(cè)的重量。

雙轎廂電梯、雙坡扶梯

我們?cè)诔穗娞輹r(shí)，一想到在同一個(gè)梯刊井里，與轎廂相對(duì)的另一側(cè)吊著一坨沉重的混凝土塊或鐵塊，是不是覺得有點(diǎn)浪費(fèi)工料？

我們能不能把對(duì)重?fù)Q成轎廂呢？這樣一來，一部電梯就有了兩個(gè)轎廂，一個(gè)轎廂上行的同時(shí)，另一個(gè)轎廂下行，成了真正的蹺蹺板。一部電梯就能當(dāng)兩部用了。

雙轎廂電梯適用于哪些場(chǎng)合呢？學(xué)校、影劇院、地鐵、餐館，這些人流較大，同時(shí)有上有下的場(chǎng)合。比如，在影劇院里，上一場(chǎng)電影剛剛結(jié)束，觀眾下樓，而下一場(chǎng)電影的觀眾正要上樓。一部電梯就同時(shí)解決了上下的問題。我們假設(shè)兩個(gè)轎廂都是滿載，兩邊的重量也相當(dāng)，下樓觀眾的勢(shì)能轉(zhuǎn)換給了上樓的觀眾，電梯幾乎不費(fèi)電。

這種雙轎廂電梯的初級(jí)產(chǎn)品不妨設(shè)置為固定揚(yáng)程，比如：從地鐵站的站臺(tái)到地面的電梯、從地面直到某一樓面的專用電梯，升降距離都是固定的，不?？科渌麡菍印Ｔ诖嘶A(chǔ)上積累經(jīng)驗(yàn)，再推廣到普通的住宅、寫字樓等。

上圖所示的雙轎廂電梯—在同一滑軌上有兩個(gè)轎廂，各自有獨(dú)立的曳引裝置，目的是充分利用電梯井本文所說“雙轎廂電梯”則不同，兩個(gè)轎廂分別置于同一曳引繩的兩端，互為對(duì)重，等于省略了對(duì)重

雙轎廂電梯的節(jié)能原理也可用于自動(dòng)扶梯。在一些商場(chǎng)、寫字樓、車站或大型商業(yè)綜合體里，需大量設(shè)置扶梯（如后圖），每天耗費(fèi)的電能可想而知。

扶梯的階梯鏈、扶手都靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，作循環(huán)運(yùn)動(dòng)（如后圖）。乘客上行固然要耗費(fèi)電能，下行也不太“省力”，因?yàn)榉鎏莶荒堋皰炜諜n”。

如果仿照雙轎廂電梯，建造“雙坡扶梯”，就可以省電了（如下圖）。我們將上行扶梯與下行扶梯組合在一起，坡面相對(duì)，但循環(huán)運(yùn)動(dòng)的階梯鏈只有一套，驅(qū)動(dòng)階梯鏈的電機(jī)也只需一個(gè)。這座雙坡電梯上，一面坡上是乘客上行，另一面坡上是乘客下行，下行乘客把自己的勢(shì)能轉(zhuǎn)換給了上行的乘客，電機(jī)就省電了。

雙坡扶梯示意圖。相對(duì)設(shè)置，一上一下

勢(shì)能的傳遞和貯存

我們可以設(shè)想，有一系列的蹺蹺板按一定距離排列起來。每個(gè)蹺蹺板的b端都站有一個(gè)演員。當(dāng)一個(gè)彪形大漢砸在第一塊蹺蹺板的a端后，站在b端的演員就被高高彈起，砸向第二塊板的a端，站在第二塊板b端的演員又被彈起。依此類推，于是發(fā)生連鎖反應(yīng)。這就是勢(shì)能的連續(xù)傳遞。就一座樓來說，電梯與這座樓里的居民—電梯的乘客，也在進(jìn)行勢(shì)能的連續(xù)傳遞。

在一座寫字樓里，每天上樓的人數(shù)與下樓的人數(shù)大致是相等的，上、下的總重量也大致相等。不排除有人上樓乘梯、下樓步行，或下樓乘梯、上樓步行，或上下樓時(shí)攜帶物品的重量不同，但這些顯然無關(guān)大局。如果該樓安裝的是上述節(jié)能電梯或雙轎廂電梯，全樓的總勢(shì)能總是在乘客之間、乘客與電梯的對(duì)重之間相互傳遞。即便是全體人員都下班了，樓內(nèi)一宿無人，勢(shì)能傳遞也沒有中斷，或者說是勢(shì)能被貯存起來了：樓內(nèi)所有節(jié)能電梯都處于轎廂落地、對(duì)重高懸的狀態(tài)，此時(shí)，對(duì)重一側(cè)的重量是轎廂重量與最后一撥乘客重量之和。這種狀態(tài)被鎖定，直至第二天上班，對(duì)重一側(cè)的勢(shì)能又將繼續(xù)傳遞到上樓的乘客身上。

總之，我們應(yīng)該看到，無論是乘客，還是轎廂、對(duì)重，都是勢(shì)能的載體，彼此之間的勢(shì)能可以傳遞，但傳遞的前提是用電梯、扶梯這一類工具將其聯(lián)系在一起。一旦割裂開來，能量交換終止，原有的勢(shì)能就會(huì)浪費(fèi)。這就是目前的電梯未能充分節(jié)能之弊。

相信節(jié)能電梯、雙轎廂電梯、雙坡扶梯不久就會(huì)開發(fā)出來。

圖為香港海洋公園扶梯上的游客。網(wǎng)上有一道題，可供讀者思考：小蘭在香港海洋公園里搭乘自動(dòng)扶梯。若小蘭質(zhì)量為 40kg，隨扶梯上升高度約為 112m。求扶梯對(duì)小蘭至少做了多少功？如果再乘上每天乘客的人數(shù)，可以算出它每天至少要耗多少電能