Веломобиль, лигерад и другие транспортные средства с мускульным приводом - Аэродинамика аппаратов, движимых мускульной силой человека
ГлавнаяБиблиотекаСтатьиАэродинамика аппаратов, движимых мускульной силой человека

Аэродинамика аппаратов, движимых мускульной силой человека

alt

Аэродинамика аппаратов, движимых мускульной силой человека

Сопротивление воздуха значительно замедляет движение велосипедиста. Учет аэродинамических факторов позволил создать велосипеды, развивающие скорость до 100 км/ч

 

 

 

 


Альберт С. Гросс, Честер Р. Кайл, Дуглас Дж. Мэйлуики

(Источник: журнал "В мире науки" №02/1984, стр. 74-83)

НА ПРОТЯЖЕНИИ десятилетий принципы аэродинамики с большим успехом применялись для того, чтобы улучшить скоростные качества самолетов, автомобилей, мотоциклов, даже лыжников и конькобежцев. Аппараты же, использующие мускульную силу человека, до самого последнего времени игнорировались. Это кажется странным, поскольку для таких аппаратов сопротивление воздуха является основным тормозящим фактором. Так, при скорости велосипеда 30 км/ч лобовое сопротивление составляет 80% полной тормозящей силы. В настоящей статье мы попытаемся объяснить причину этого пренебрежительного отношения к средствам наземного передвижения, движимым самим человеком, и показать, что дает учет принципов аэродинамики для совершенствования этих средств.


Достаточно взглянуть на велосипед, чтобы заметить, что за столетие его форма практически не изменилась. Велосипед модели «Ровер сейфти сайкл», который появился в Англии в 1884 г., мог бы легко сойти за современный. У него отсутствуют лишь подседельная труба, образующая диагональ в раме современной ромбической формы, и ряд других элементов, таких, как тормоза и ускорительная передача. Конструкторы и потребители практически сразу ощутили важность учета требований аэродинамики, и лишь искусственно созданные ограничения на конструкцию мешали применению нужной технологии. В то время не менее, чем сейчас, было очевидно, что при скоростях 30—50 км/ч лобовое сопротивление для велосипеда огромно.


До начала столетия полусогнутая поза велосипедиста широко распространилась как средство борьбы с сопротивлением воздуха. В качестве другого средства стали использовать многоместный велосипед, пуская его перед гонщиком, чтобы экранировать последнего от ветра. В 1895 г. Джимми Мишель из Уэльса, следуя за четырехместным велосипедом, преодолел за один час 46 км. В 1899 г. американский гонщик Чарльз М. (Миля-в-Минуту) Мэрфи получил мировую известность, проехав на велосипеде 1 милю (1,6 км) со скоростью 101,8 км/ч. Мэрфи следовал за поездом по специальному деревянному настилу на железнодорожной линии Лонг-Айленда.


В 1912 г. француз Этьен Бюно-Варийа получил патент на обтекаемый корпус, закрывающий гонщика и велосипед от встречного потока воздуха, — идея, которая была навеяна формой первых дирижаблей. На велосипедах этой модели и последующих ее модификациях с 1912 по 1933 г. не раз устанавливались европейские рекорды скорости. В 1933 г. француз Марсель Бертэ в одночасовой гонке преодолел 49,98 км на велосипеде «Велодин» обтекаемой конструкции. Его скорость оказалась на 5 км/ч выше, чем достигнутая в одночасовых гонках на обычных велосипедах.


В том же году французский изобретатель Шарль Моше построил «Велокар» — «лежачий» велосипед, на котором гонщик располагался почти лежа на спине и одновременно вращал педали. Впоследствии Моше придал своему детищу обтекаемую форму. Профессиональный гонщик Франсуа Фор установил на «Велокаре» несколько рекордов скорости в период 1933—1938 гг. Моше и Фор надеялись, что Международный союз велосипедистов, всемирная организация по велоспорту, признает эти рекорды. Однако этого не произошло.

В ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТИ в 1938 г. Союз запретил использование обтекателей и лежачих велосипедов в соревнованиях. Запрет этот действует до сих пор. Он надолго задержал развитие высокоскоростных велосипедов и явился одной из причин, по которым велосипед остался почти неизменным на протяжении столь длительного времени. (Другая причина заключалась в том, что в развитых странах предпочтение стали отдавать автомобилю и велосипед утратил свое былое значение как средство передвижения.)


Улучшение аэродинамики и другие конструктивные изменения велосипеда Союз, по существу, классифицировал как «жульничество». (Какая удача, что ветеринарный хирург, шотландец из Белфаста Джон Бойд Данлоп придумал пневматические шины для велосипеда в 1887 г., когда Союз еще не существовал; случись это позже — и человечество, возможно, ездило бы сейчас на велосипедах и даже на автомобилях с голыми стальными ободьями.) Надо отдать должное, со временем Союз смягчил свои ограничения на улучшение аэродинамики велосипеда, хотя лежачие модели все еще запрещены. С 1976 г. в международных соревнованиях стали применяться облегающие комбинезоны. Были разрешены обтекаемые шлемы, рамы с каплевидным профилем сечения трубок, обтекаемые рукоятки тормозов и другие элементы конструкции с улучшенной аэродинамикой. Совершенствование всех средств передвижения, использующих мускульную силу человека, на самом деле идет темпами, небывалыми со времен победоносного распространения велосипеда в XIX в.


Быстрый прогресс отчасти происходил под влиянием ряда событий, имевших место в Калифорнии. В 1973 г. Кайл (один из авторов статьи) и Джэк Г. Лэмби, консультант по аэродинамике, независимо друг от друга построили и опробовали два первых в США обтекаемых велосипеда. В отличие от своих предшественников Кайл и Лэмби действительно измерили, насколько обтекаемая форма снижает сопротивление. Это было сделано путем многочисленных испытаний, в которых свободно катившийся с горки велосипед замедлял движение на горизонтальной плоскости. При этих условиях замедление пропорционально сумме всех тормозящих сил. В эксперименте измерялись либо само замедление, либо скорость. Кайл и Лэмби, опубликовавшие результаты одновременно, пришли к выводу, что полная сила сопротивления может быть уменьшена более чем на 60%, если использовать вертикально поставленный обтекатель в форме крыла, который бы целиком закрывал велосипед и гонщика. (Лишь спустя два года до Кайла и Лэмби дошли сведения, что подобные велосипеды были ранее построены в Европе.)


В 1974 г. Рональд П. Скэйрин, член олимпийской сборной США, установил пять мировых рекордов скорости на обтекаемом велосипеде Кайла на военно-морской базе Лос-Аламитос. Ободренные успехом, Кайл и Лэмби решили организовать соревнования машин, движимых человеком, без ограничений на их конструкцию. 5 апреля 1975 г. в Ирвиндэйле (шт. Калифорния) 14 непохожих друг на друга моделей приняли участие в этих первых исторических соревнованиях. Многие из них были лежачими, причем на одних гонщик лежал на спине (лицом вверх), на других — на животе (лицом вниз). Некоторые машины приводились в движение совместными усилиями рук и ног. Победу одержал обтекаемый тандем, построенный Филипом Нортоном, преподавателем колледжа в Клермонте (шт. Калифорния), на котором выступали сам Нортон и Кристофер Дитон, опытный гонщик, хотя и не с мировым именем. Они показали скорость 72,21 км/ч. (Наибольшая скорость, достигнутая на обычном гоночном велосипеде без вспомогательных устройств, равна 69,92 км/ч. Этот рекорд установил в 1982 г. Сергей Копылов, советский гонщик мирового класса.)


Поскольку Международный союз велосипедистов запрещает применение обтекателей, участники соревнований в Ирвиндэйле основали в 1976 г. Международную ассоциацию по развитию средств передвижения, использующих мускульную силу человека. Она ставит своей целью проведение соревнований без ограничения на конструкцию моделей. Начиная с этого времени аппараты, участвующие в соревнованиях, становились все более сложными, а скорости их росли. Четыре такие машины уже превысили принятую в США максимальную разрешенную скорость 55 миль/ч (88 км/ч). Среди них — обтекаемый четырехколесный велосипед третьего поколения, построенный Нортоном.


В настоящее время самым быстроходным является велосипед модели «Вектор тандем» — двухместный лежачий велосипед элегантной обтекаемой формы. Он был построен под руководством Аллана А. Войгта, инженера, который, будучи президентом фирмы Versatron Research, Inc., занимается главным образом разработкой сервомоторов для космических аппаратов. (На велосипеде «Вектор тандем» два гонщика располагаются лежа на спине, головами в противоположных направлениях.) В 1980 г. на 200-метровом участке скоростной дороги в Онтарио (шт. Калифорния) после разгона на дистанции в одну милю этот велосипед развил скорость 101, 26 км/ч. Позднее в том же году он проехал 64 км по шоссе между Стоктоном и Сакраменто со средней скоростью 81,3 км/ч.

ТАКИЕ исключительно высокие скорости достигнуты почти целиком за счет учета аэродинамики. Велосипедист, едущий со скоростью 30 км/ч, вытесняет около 450 кг воздуха в минуту. Если машина и гонщик не имеют обтекателя, за ними образуется «вихревой след», который отбирает значительную часть затрачиваемой энергии.


На скоростные качества велосипеда влияют два вида аэродинамического сопротивления: один обусловлен распределением давления и связан с формой велосипеда, другой определяется трением о воздух. Сопротивление за счет давления возникает в случае, когда воздушный поток не следует по контуру движущегося тела. Отрыв потока изменяет распределение давления на поверхности тела. Если отрыв происходит в тыловой части тела, то там образуется область пониженного (по сравнению с фронтальной областью) давления, что приводит к возникновению тормозящей силы. Сопротивление за счет трения обусловлено вязкостью воздуха. Из-за вязкости возникает напряжение трения в пограничном слое воздуха, непосредственно примыкающем к поверхности тела.


Поверхности конструктивных элементов велосипеда цилиндрической, сферической и других форм плохи в смысле аэродинамики, поскольку на них происходит отрыв воздушных потоков. Понижение давления за этими поверхностями приводит к возникновению тормозящей силы, которая в сотни раз превышает силу трения о воздух. В противоположность этому обтекаемые поверхности воздушные потоки обходят плавно и смыкаются за телом. Сопротивление за счет давления значительно уменьшается, и более существенным становится сопротивление за счет трения.


Чтобы добиться наилучших скоростных качеств машины, нужно выбрать такую ее конструкцию, при которой необратимая отдача энергии воздушной среде, вызываемая двумя видами сопротивления, сводится к минимуму. Современный легковой автомобиль или грузовик, движущийся со скоростью 90 км/ч, от 40 до 50% энергии, получаемой им за счет сгорания топлива, расходует на преодоление аэродинамического сопротивления. Поскольку велосипед обладает меньшими мощностью, весом и сопротивлением качению и имеет менее обтекаемую форму, относительные потери на аэродинамическое сопротивление при скоростях выше 15 км/ч еще значительнее. Для характеристики аэродинамических свойств тела используют понятие коэффициента сопротивления. Плохая в смысле аэродинамики поверхность, такая, как сфера, в определенных условиях может иметь коэффициент сопротивления, скажем, 1,3, в то время как у тела с хорошо обтекаемой каплевидной формой при тех же условиях он будет меньше 0,1. В результате потери энергии у предмета каплевидной формы при движении будут в десять раз меньше, чем, например, у цилиндра.


Для наземного транспорта аэродинамическое сопротивление пропорционально произведению фронтальной площади (площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную движению. — Перев.) аппарата на коэффициент сопротивления. Для удобства назовем это произведение эффективной фронтальной площадью. При сравнении аэродинамических свойств аппаратов недостаточно сопоставить коэффициенты сопротивления, необходимо учитывать и размеры сравниваемых аппаратов. С этой целью и вводится понятие эффективной фронтальной площади. Обычный велосипед с гонщиком имеет эффективную фронтальную площадь от 0,3 до 0,55 м2, в то время как у велосипеда с обтекателем она менее 0,05 м2.

СИЛА лобового сопротивления пропорциональна квадрату скорости, а мощность — произведению силы на скорость. Следовательно, необходимая для движения в воздушной среде мощность растет пропорционально скорости в третьей степени. Поэтому даже небольшое ускорение движения требует значительного увеличения усилий. Если при скорости 32 км/ч велосипедист удвоит усилия, он увеличит ее лишь до 40 км/ч. Напротив, уменьшение коэффициента сопротивления влияет на скорость меньше, чем это может показаться. Если при той же скорости 32 км/ч коэффициент сопротивления уменьшится вдвое, то, затрачивая такие же усилия, велосипедист увеличит свою скорость лишь до 39 км/ч. Это объясняется тем, что сопротивление качению остается постоянным. Если бы его не существовало, то как увеличение мощности, так и уменьшение эффективной фронтальной площади вдвое дали бы одно и то же увеличение скорости до 40 км/ч.


Итак, для достижения высоких скоростей требуются исключительные аэродинамические свойства. Велосипед модели «Вектор тандем», в котором каждый гонщик развивает мощность чуть больше 1 л.е., достиг скорости 101,26 км/ч. Чтобы разогнаться так на обычном велосипеде необходима мощность более 6 л.е., что лежит за пределами физических возможностей человека.
Конструкторы и гонщики добиваются снижения аэродинамического сопротивления тремя способами. Во-первых, можно уменьшить потери энергии на взаимодействие с воздухом. Для этого поверхностям конструкции придают обтекаемую форму (чтобы снизить сопротивление, связанное с давлением) и устраняют их шероховатости (чтобы свести к минимуму трение о воздух). Во-вторых, можно стремиться уменьшить количество воздуха, вытесняемого при движении. Этого добиваются уменьшением фронтальной площади пары гонщик-велосипед. Тот же эффект дает езда в высокогорных районах. В-третьих, гонщик может использовать искусственный попутный ветер; в данном случае наиболее эффективный метод — гонка с преследованием, т.е. в хвостовой зоне разрежения другого аппарата, которая как бы втягивает велосипедиста.


На больших высотах атмосфера менее плотная, поэтому велосипедистам приходится двигаться сквозь меньшую массу воздуха. В Мехико, расположенном на высоте 2240 м, где плотность воздуха составляет 80Ч7о от плотности на уровне моря, рекордные скорости на 3—5% больше, чем внизу. В Ла-Пасе (Боливия) на высоте 3660 м рекорды теоретически можно улучшить на 14%. На Луне, где нет атмосферы, а сила тяжести составляет лишь одну шестую земной, правильно сконструированный велосипед мог бы теоретически ехать со скоростью 383 км/ч при затрате мощности порядка 0,1 л.с.

ЕСЛИ 80% энергии, которую велосипедист тратит на преодоление сопротивления воздуха при езде по ровной дороге со скоростью 30 км/ч, исследовать более детально, то окажется, что 70% этой энергии расходуется на сопротивление, оказываемое велосипедисту, а 30% — на сопротивление его машине. Из этого можно заключить, что, желая улучшить конструкцию велосипеда, следует прежде подумать об улучшении аэродинамики гонщика.


Для тех, кто выступает в соревнованиях, ограничения, введенные Международным союзом велосипедистов, оставляют немного возможностей улучшить аэродинамику пары велосипед-гонщик за счет различных средств, помимо уже использованных и признанных, таких, как полусогнутая поза, обтекаемый шлем, облегающий костюм и элементы обтекаемой формы в конструкции велосипеда. Как показал Войгт, даже на «идеальном» велосипеде (у которого отсутствует аэродинамическое сопротивление и трение качения) лобовое сопротивление самого гонщика является серьезным препятствием для улучшения скоростных показателей. Согласно его расчетам, гонщик, едущий в полусогнутой позе на обычном гоночном велосипеде, может развить скорость около 55 км/ч при затрате мощности 1 л.с. На «идеальном» велосипеде тот же гонщик, прилагая те же усилия, мог бы разогнаться до 61 км/ч.


У миллионов же велосипедистов, не участвующих в соревнованиях, но желающих просто ездить с меньшими усилиями, возможности для аэродинамических усовершенствований существуют. Приведем их в порядке стоимости затрат. Наиболее дешевое приспособление — это частичный обтекатель типа «Зиппер», который разработан и выпускается Гленом Брауном в Санта-Крусе (шт. Калифорния). Это небольшой прозрачный экран, который монтируется перед велосипедистом. Приспособление стоимостью около 60 долл. позволяет снизить лобовое сопротивление на 20% и тем самым повысить скорость на 4 км/ч при мощности 1 л. с.


Другой эффективный способ — использование лежачего велосипеда. (Такая машина обычно на несколько сотен долларов дороже обычного дорожного велосипеда). Зачинатели в этой области — Гарднер Мартин из Фридома (шт. Калифорния), конструктор модели «Изи рейсер», и Дэвид Гордон Уилсон из Массачусетского технологического института, конструктор велосипеда «Аватар 2000». Вследствие малой фронтальной площади лежащего гонщика сопротивление воздуха меньше на 15—20%, что создает примерно такой же выигрыш в скорости, как и при использовании обтекателя «Зиппер». Лежачий велосипед, однако, имеет и другие преимущества. Во-первых, он более удобен, чем обычный велосипед: Если же иметь в виду последствия аварии (исключая столкновение с автомобилем), то этот велосипед и намного безопаснее: велосипедист находится ближе к земле, и его падение не так опасно, а кроме того, он едет ногами вперед, так что в случае аварии меньше вероятность повредить голову. Одна из проблем состоит в том, что лежачий велосипед плохо виден на дороге и поэтому вероятность столкновения с автомобилем больше. Эту опасность можно частично уменьшить, если к велосипеду прикреплять шест с флажком.


Самым дорогим средством является велосипед с полностью обтекаемым корпусом. Модель «Вектор сингл», одноместный вариант велосипеда «Вектор тандем» — наилучший пример полностью обтекаемой закрытой машины с педальным приводом. (Фотография велосипеда «Вектор сингл» приведена на обложке журнала.) Согласно расчетам, этот велосипед теоретически способен развить скорость 99,3 км/ч при затрате мощности 1 л.с., на 29,3 км/ч больше рекордной скорости на традиционном гоночном велосипеде. «Вектор сингл» стоит примерно столько же, сколько первоклассный гоночный велосипед.


При езде по холмистой местности полностью обтекаемый велосипед сохраняет преимущества перед своим обычным собратом. Хотя «Вектор сингл» весит 36 кг (вес обычного велосипеда 11 кг), он преодолевает умеренные подъемы не хуже, а может быть и лучше, обычного велосипеда. При затрате мощности 0,4 л.с. обычный велосипед забирается на 2,5%-ный подъем со скоростью 26 км/ч, а на 6%-ный — со скоростью 18 км/ч. При тех же условиях «Вектор» может двигаться со скоростью 33 и 18 км/ч соответственно.


При движении под уклон разница еще более заметна. С уклона 2,5% обычный велосипед может съезжать со скоростью 47 км/ч, а «Вектор» — 87 км/ч. На 6%-ном уклоне обычный велосипед разовьет скорость 63 км/ч, «Вектор» же — свыше 160 км/ч. Наличие таких скоростных возможностей означает, что если обтекаемые велосипеды станут широко использоваться, то придется уделить пристальное внимание конструкции тормозов и подвески, а также проблеме устойчивости.

ПОСКОЛЬКУ лобовое сопротивление пропорционально квадрату относительной скорости, то встречный, попутный и даже боковой ветер может радикально влиять как на величину лобового сопротивления, так и на энергетические затраты. Например, велосипедист, едущий в безветренную погоду со скоростью 30 км/ч, должен удвоить свои усилия, чтобы сохранить эту скорость при встречном ветре 16 км/ч. (В действительности велосипедист, как правило, снижает скорость и стремится сохранить первоначальные усилия и частоту вращения педалей за счет переключения передачи. Это одна из причин, по которой многоскоростные велосипеды удобны и в условиях равнинной местности.)


Попутный ветер подгоняет велосипедиста, и его скорость увеличивается. Вообще говоря, ветер ускоряет или замедляет движение велосипеда примерно на половину своей скорости. Когда один велосипедист едет в хвосте другого, его затраты энергии меньше процентов на тридцать. Впереди идущий создает за собой «хвостовой след» — зону разрежения, а для едущего сзади это равносильно попутному ветру. Чем ближе преследователь к лидеру, тем сильнее «увлекающий» эффект. Здесь можно вспомнить тандем, в котором гонщики сидят почти вплотную друг к другу. В пересчете на одного человека они затрачивают усилие на 20% меньше, чем два отдельных велосипедиста.


Если гонщики, едущие цепочкой, лидируют по очереди, то группа в целом может двигаться гораздо быстрее одиночки. В гонке преследования на дистанции 4000 м группа из четырех спортсменов движется в среднем на 6,5 км/ч быстрее, чем одиночный гонщик. Группа велотуристов, примерно равных по силе, как правило, может ехать на 1,5—5 км/ч быстрее, чем каждый из них в отдельности. Чем многочисленнее группа (в пределах, скажем, десяти человек), тем быстрее она может передвигаться.


Искусственный ветер, который создает попутный автомобиль, может ускорить движение велосипедиста на 1,5—5 км/ч на время до семи секунд. Чем больше автомобиль, тем сильнее эффект. В плотном транспортном потоке велосипедист может ехать на 5—10 км/ч быстрее, чем в обычных условиях при тех же усилиях.


Следуя за автомобилем, велосипедист в состоянии развить очень высокую скорость. Этот вид спорта называется «гонка за лидером». 25 августа 1973 г. Аллан В. Эббот, врач из Калифорнии, поставил рекорд в такой гонке, достигнув скорости 223,168 км/ч на дистанции в одну милю на дне соляного высохшего озера Бонневиль (шт. Юта). Джон Хауэрд, член олимпийской сборной США, планирует побить рекорд Эббота и превысить скорость 240 км/ч (150 миль/ч).

ХОТЯ описанные выше технические решения важны сами по себе, резонно задаться вопросом: найдут ли они какое-нибудь применение, кроме как в борьбе за рекорды? Маловероятно, что эти достижения техники станут немедленно и широко использоваться значительной частью велосипедистов во всем мире. Во многих развивающихся странах, например где велосипед остается одним из основных видов транспорта, средняя скорость движения составляет около 10 км/ч (причем часто нужно везти и большой груз). Между тем лобовое сопротивление начинает превалировать над другими отрицательными факторами лишь при скоростях свыше 15 км/ч. Но и здесь аэродинамические исследования приносят пользу. Не имея их результатов, конструкторы были бы в неведении, почему, собственно, можно пренебрегать аэродинамическими соображениями для медленно движущихся аппаратов.


Если велосипед предназначен для надежной, но медленной езды, то в первую очередь надо бороться с трением качения путем улучшения как колес, так и дорог. Надо думать и над снижением веса велосипеда, чтобы облегчить подъем в гору. Недавнее появление в США «горных велосипедов» является шагом вперед на пути создания велосипеда, достаточно легкого и стойкого к неровным и немощеным дорогам.
Результаты последних исследований аэродинамики велосипедов могут принести многообразную практическую пользу. Обычный велосипед, вероятно, еще на многие годы сохранит доминирующее положение благодаря привычкам людей, низкой стоимости, простоте и надежности. Но он оставляет ряд возможностей для нововведений. Так, например, легкий, простой и недорогой передний обтекатель существенно улучшил бы эффективность движения обычного велосипеда. Лежачий велосипед мог бы шире использоваться в повседневных поездках и туристами благодаря хорошим скоростным качествам и комфортабельности.


Следующим прогрессивным шагом могло бы стать оснащение лежачего велосипеда легким двигателем небольшой мощности, который служил бы как вспомогательное устройство при разгоне и преодолении подъемов. Снабженная обтекателем в той мере, в какой бы позволили требования вентиляции и устойчивости, такая машина почти не отличалась бы от мопеда. (Современные модели мопедов в действительности являются не моторно-педальными машинами, а скорее мотоциклами малой мощности.)


Результаты последних исследований побудили изобретателей сконструировать несколько моделей велосипедов специального назначения. Пауль Шёндорф, профессор техники из Специальной высшей школы в Кёльне, построил серию трехколесных лежачих велосипедов для пожилых людей и инвалидов. На них легко ездить, они защищают от непогоды и были бы удобны, например, в домах престарелых. Другой пример — трех- и двух колесные велосипеды с ручным управлением L-образной рукояткой для параплегиков (людей, у которых парализованы обе ноги). Такие велосипеды построены Дугласом Швандтом из Научно-исследовательского центра реабилитации Управления по делам ветеранов войны в Пало-Альто (шт. Калифорния). Уильям Уорнер, параплегик, который в свое время установил рекорд в соревнованиях машин с ручным приводом (эти соревнования проводились Международной ассоциацией по развитию средств передвижения, использующих мускульную силу человека), считает, что инвалид может ездить на таком велосипеде гораздо быстрее, чем на обычном инвалидном кресле-каталке, и в результате приобрести большую свободу передвижения и мобильность. (Последний рекорд на таких велосипедах 40,38 км/ч установил в 1981 г. Эшер Уильяме из Центра реабилитации в Пало-Альто.)


В целом полностью закрытый обтекаемый велосипед мог бы стать весьма полезным видом транспорта, если учесть, что он способен двигаться со скоростью 30—50 км/ч в любую погоду. Однако в том виде, в каком велосипед существует в настоящее время, он не годится для автомагистралей. Эти модели имеют недостаточную вентиляцию, плохую маневренность и обзор, у них отсутствуют такие необходимые средства для безопасного движения, как освещение и стеклоочистители.


Чтобы создать практически пригодный велосипед улучшенного типа, нужны такие же затраты материальных средств и инженерных усилий, какие требуются для создания новой модели автомобиля. Но и в этом случае педальная машина не была бы безопасной в потоке автотранспортных средств. Можно сделать вывод, что закрытый велосипед не станет практически используемым видом транспорта до тех пор, пока энергетический кризис не приведет к снижению числа автомобилей на автомагистралях или пока для педальных машин не будут построены специальные дороги.


Гораздо вероятнее ожидать появления легких экономичных автомобилей, в которых бы использовались описанные нами технические достижения. Дуглас Дж. Мэйлуики (один из авторов статьи) уже построил такой одноместный автомобиль весом 104 кг. Он имеет рекордную экономичность — при скорости на трассе 88 км/ч (55 миль/ч) пробег составляет 67 км/литр, а с дизельным двигателем — 66 км/литр. (Последний был установлен при скорости 90,6 км/ч на трассе, соединяющей Лос-Анджелес с Лас-Вегасом.) Развитие таких автомобилей могло бы задержать истощение запасов горючего и по иронии судьбы отодвинуть то время, когда педальные машины, в которых двигателем является сам человек, займут положенное им по праву место.

 


 

alt

Обтекаемый гоночный велосипед, построенный Ч. Кайлом (одним из авторов статьи). Рональд П. Скэйрин, член олимпийской сборной США, показан на нем в момент одночасовой гонки, в которой он установил мировой рекорд скорости 51,29 км/ч при старте с места. Главная особенность конструкции — обтекатель, снижающий лобовое сопротивление гонщика и велосипеда. Рекорд был установлен в 1979 г. на скоростной дороге в Онтарио (шт. Калифорния). За исключением обтекателя, этот велосипед почти ничем не отличался от обычного гоночного.

 


 

alt

Первые попытки усовершенствовать средства передвижения, использующие мускульную силу человека, привели к созданию в Англии в 1884 г. велосипеда «Ровер сейфти сайкл». В 1912 и 1913 гг. француз Этьен Бюно-Варийа получил патенты на обтекаемые модели. На таких велосипедах установлены многие рекорды скорости. Модель «Горике» была построена в Германии в 1914 г. Француз Марсель Бертэ в 1933 г. установил новый рекорд на велосипеде «Велодин», проехав 49,98 км за один час. В том же году появился «Рокет», построенный Оскаром Эггом. На другой французской модели «Велокар» с 1933 по 1938 г. поставлено несколько рекордов скорости.

 


 

alt

Рекорды скорости веломашин стали быстро расти после 1976 г., когда была основана Международная ассоциация по развитию средств передвижения, использующих мускульную силу человека. Ассоциация не налагает ограничений на конструкцию. Ранее действующие правила Международного союза велосипедистов запрещали использовать в соревнованиях обтекаемые велосипеды, и рекорды скорости практически не изменялись. Кривые относятся к трем видам гонок: групповые на дистанции 200 м (красная), индивидуальные (серая) и одночасовые (черная).

 


 

alt

Обтекаемая форма улучшает скоростные показатели веломашин. Дорожный велосипед имеет необтекаемую форму, модель «Вектор» — наиболее обтекаемую. «Преследование» — это езда вплотную за другим транспортным средством. Спортсмен способен расходовать мощность 1 л.с. в течение 30 с, здоровый нетренированный человек — в течение 12 с. Эффективная фронтальная площадь равна произведению коэффициента сопротивления на фронтальную площадь тела.

 


 

alt

В конструкциях современных велосипедов широко используются различные способы улучшения обтекаемости, чтобы снизить лобовое сопротивление пары машина-гонщик. Модель «Зиппер» снабжена простейшим приспособлением — частичным обтекателем, установленным перед велосипедистом. Модель Кайла с обтекаемым корпусом была разработана в 1973 г. «Аватар 2000» предназначен скорее для прогулок и повседневных поездок, чем для соревнований. В нем реализованы преимущества полулежачей позы велосипедиста. Полностью обтекаемый велосипед «Вектор сингл» теоретически в состоянии развить скорость 100 км/ч при затрате мощности 1 л.с. Модель «Изи рейсер» относится к «лежачим» и предназначается главным образом для прогулок и повседневных поездок, хотя и участвовала в соревнованиях. Модель Пауля Шёндорфа (ФРГ) предназначена для престарелых и инвалидов.

 


 

alt

Модель «Вектор тандем» показана в плане и в профиль. Это аналог модели «Вектор сингл», изображенной на обложке журнала. В 1980 г. этот тандем, в котором гонщики располагаются затылками друг к другу, достиг скорости 101,26 км/ч на дистанции 200 м после разгона в одну милю. Затраты мощности составили чуть больше 1 л.с. на каждого гонщика. Позднее в том же году «Вектор тандем» проехал участок 64 км на автомагистрали в Калифорнии со средней скоростью 81,3 км/ч.

 


 

Сводная таблица характеристик различных средств передвижения, использующих мускульную силу человека. Во второй колонке приведены значения лобового сопротивления (верхнее число) и сопротивления качению (нижнее число). В пяти последних колонках приведены последовательно затраты мощности при 32 км/ч в процентах от затрат энергии на прогулочном велосипеде, «прогулочная» скорость (км/ч) при длительной езде и затратах мощности 0,1 л.с., максимальная скорость при затратах мощности 1 л.с., постоянная скорость (км/ч) на 5%-ном подъеме при затратах мощности 0,4 л.с., скорость при свободном спуске с того же уклона.

alt

 

Статьи по теме

Российский производитель веломобилей
Генерация скрипта 0 секунд Яндекс.Метрика