|
ЛИЧНЫЙ ТРАНСПОРТ: НАЗЕМНЫЙ, ВОДНЫЙ, ВОЗДУШНЫЙ
Об эффективности велосипеда. Личный транспорт
Справочник / Личный транспорт: наземный, водный, воздушный КПД велосипеда и в биологическом, и в механическом отношении очень высок. Исследователи подсчитали, что с точки зрения затрат количества энергии, которое человек должен потратить на преодоление заданного расстояния, велосипед является наиболее эффективным самодвижущемся транспортных средств. С механической точки зрения с педалей на колеса передается до 99% энергии, хотя использование механизма переключения передач может уменьшить эту величину на 10-15%. С точки зрения соотношения веса полезного груза, который велосипед может везти к общему весу, то велосипед является также наиболее эффективным средством транспортировки грузов. Энергетическая эффективность Человек, едущий на велосипеде на низких и средних скоростях (16-24 км/ч), использует такую же мощность, которая требуется для ходьбы, поэтому велосипед является наиболее энергоэффективным общедоступным транспортным средством. Аэродинамическое сопротивление, которое увеличивается приблизительно пропорционально квадрату скорости, требует более высокой мощности относительно скорости из-за того, что с ростом скорости велосипеда требуемая мощность увеличивается в кубической зависимости, так как мощность равна скорости умноженной на силу: P = F * v (рис. 1.). Велосипед, в котором ездок находится в лежачем положении называется лигерад (альтернативное название - рикамбент), а если велосипед имеет аэродинамический обтекатель, используемый для достижения очень низкого аэродинамического сопротивления, то он называется стримлайнер. График зависимости требуемой мощности от скорости велосипеда
На твердой, плоской поверхности человеку весом 70 кг требуется энергия около 30 Вт, что бы двигаться со скоростью 5 км/час. Тот же человек на велосипеде, находясь на той же поверхности и расходуя ту же мощность, может двигаться со средней скоростью 15 км/ч, так что расход энергии в кКал/(кг*км) будет примерно в три раза меньше. Обычно используются такие цифры: 1.62 кДж/(км*кг) для езды на велосипеде, 3.78 кДж/(км*кг) для ходьбы/бега, 16.96 кДж/(км*кг) для плавания. Велогонщики - любители обычно могут развивать мощность 3 Вт/кг в течении более чем часа (например, около 210 Вт для гонщика весом 70 килограммов), лучшие из любителей развивают 5 Вт/кг и элитные спортсмены могут достигать мощности 6 Вт/кг за аналогичные периоды времени. Элитные трековые велогонщики-спринтеры способны кратковременно достигать максимальной мощности около 2000 ватт, или более 25 Вт/кг; элитные шоссейные велогонщики могут кратковременно развивать максимальную мощность от 1600 Вт до 1700 Вт для мгновенного рывка на финишной прямой в конце пятичасовой шоссейной гонки. Даже при движении на умеренных скоростях большая часть энергии тратится на преодоление аэродинамического сопротивления, которое увеличивается пропорционально квадрату скорости. Таким образом, мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха возрастает пропорционально кубу скорости. Типичные велосипедные скорости Типичные скорости для велосипедов лежат в диапазоне от 15 до 30 км/ч. На быстром гоночном велосипеде, средний гонщик может ехать на скорости 50 км/ч по ровной поверхности в течение коротких отрезков времени. Самая высокая скорость, официально зарегистрированная для транспортного средства, приводимого в действие мускульной энергией при движении по ровной поверхности в безветренную погоду и без внешней помощи (то есть перед транспортным средством не двигалась какая-либо машина или мотоцикл) составила 133,284 км/ч. Этот рекорд был установлен Сэм Уиттингем в 2009 году в Варне. В 1989 году во время гонок через всю Америке группа транспортных средств, приводимых в действие мускульной энергией пересекла Соединенные Штаты всего за 6 дней. Самая высокая скорость, официально зарегистрированная при езде на велосипеде с обычной вертикальной посадкой гонщика при прочих равных условиях составила 82,52 км/ч на дистанции более 200 метров. Этот рекорд был установлен в 1986 году Джимом Гловером на велосипеде модели "Мультон АМ7" на третьем международном научном симпозиуме транспортных средств, приводимых в действие мускульной в Ванкувере. Вес против мощности Был проведен крупный конкурс, задачей которого ставилось снижение веса гоночных велосипедов за счет использования современных материалов и компонентов. Кроме того, в современных колесах стоят подшипники с низким коэффициентом трения, используются и другие возможности для снижения сопротивления, однако в проведенных испытаниях эти компоненты практически не влияли на характеристики велосипеда во время езды по ровной дороге. Например, снижение веса велосипеда на 0,45 кг даст тот же эффект при соревновании на время на 40 километровой дистанции по ровной дороге, что и удаление какой-либо выступающей части, имеющей площадь аэродинамической поверхности размером с карандаш. Кроме того, международный союз велосипедистов устанавливает ограничение на минимальный вес велосипеда, который будет допущен до участия в гонках, чтобы препятствовать создание настолько тонких конструкций велосипедов, что их использование будет небезопасным. По этой причине при разработке последних моделей велосипедов все усилия были направлены на снижение аэродинамического сопротивления путем применения труб аэродинамической формы, плоских спиц на колесах, и использования такого руля, что бы положение туловища гонщика и его рук имело бы минимальное аэродинамическое сопротивление. Эти изменения могут существенно повлиять на характеристики, сокращая время прохождения дистанции. Меньший вес приводит к большой экономии времени при езде вверх по склону по холмистой местности. Кинетическая энергия вращающегося колеса Рассмотрим кинетическую энергию и "вращающиеся массы" велосипеда для того, чтобы изучить воздействие энергии вращения по сравнению с невращающимися массами. Кинетическая энергия объекта при поступательном движении определяется по формуле E=0.5mv2 Где E - энергия в джоулях, m - масса в килограммах, v - скорость, м/сек. Для вращающихся масс (например, для колеса), кинетическая энергия вращения определяется как E=0.5Iω2 Где I - момент инерции, ω - угловая скорость в радианах в секунду. Для колеса со всей его массой, расположенной на внешнем крае (используем это приближение для велосипедного колеса), момент инерции составит I=0.5mr2 Где r - радиус в метрах. Угловая скорость связана с поступательной скоростью и радиусом шины. Если нет скольжения, то угловая скорость будет определятся по формуле: ω=v/T когда вращающиеся массы двигаются по дороге, то полная кинетическая энергия равна сумме кинетической энергии поступательного и вращательного движений: E=0.5mv2 + 0.5Iω2 Подставив в предыдущее выражение I и ω, получаем E = 0.5mv2 + 0.5mr2 * v2/r2 Слагаемое r2 сокращается, и в результате получаем выражение E = 0.5mv2 + 0.5mv2 = mv2 Другими словами, кинетическая энергия вращающихся масс колес в два раза больше, чем энергия неподвижных масс велосипеда. Есть доля истины в старой поговорке: "уменьшение веса колес на фунт равно снижению веса рамы на 2 фунта". Это все, конечно, зависит от того, насколько точно тонкий обруч является приближенной моделью колеса велосипеда. В действительности же вся масса не может быть сосредоточена в ободе колеса. Для сравнения другой крайностью может быть колесо, масса которого распределена равномерно по всему диску. В этом случае I = 0.5mr2, и поэтому полная результирующая кинетическая энергия становится равна E = 0.5mv2 + 0.25mv2 = 0.75mv2. Уменьшение массы колеса на один килограмм эквивалентно снижению массы рамы велосипеда на 1,5 кг. Параметры большинства колес реальных велосипедов будут находиться где-то посередине между этими двумя крайностями. Еще одним интересным выводом из этого уравнения является то, что для велосипедных колес, которые не скользят при движении, кинетическая энергия не зависит от их радиуса. Иными словами, преимущество колес диаметром 650 мм в их низком весе, а не из-за их меньшего диаметра, как это часто утверждается. Кинетическая энергия для других вращающихся масс на велосипеде очень мала по сравнению с кинетической энергией колес. Например, если вращать педали со скоростью примерно 1/5 от скорости колес, то их кинетическая энергия составит около 1/25 (на единицу веса) от энергии колес. Поскольку их центр масс движется по меньшему радиусу, то их энергия еще больше снижается. Перевод в килокалории Предполагая, что вращающееся колесо можно рассматривать как сумму масс обода и шины и плюс еще 2/3 от массы спиц, все это расположен по центру обода/шин. Для велосипедиста весом 82 кг на велосипеде весом 8 кг, (общий вес составляет 90 кг) при скорости 40 км/ч, кинетическая энергия составит 5625 джоулей для велосипедиста плюс 94 джоуля для вращающихся колес (весом 1,5 кг - это общий вес ободов, шин и спиц). Преобразовав джоули в килокалории (для этого надо умножить джоули на 0,0002389) получим 1,4 Ккал (это пищевые калории). Эти 1,4 Ккал являются той энергией, которая необходима для разгона велосипеда с места, или же которая рассеивается в виде тепла при торможении для полной остановки. Этих 1,4 килокалорий хватит для того, что бы нагреть 1 кг воды на 1,4 градуса по Цельсию. Поскольку теплоемкость алюминия составляет 21% от теплоемкости воды, то этого количества энергии хватит что бы нагреть колесные диски весом 800 грамм, сделанные из алюминиевого сплава, на 8° C при быстрой остановке. Обода нагреваются не очень сильно при остановке на ровной дороге. Чтобы рассчитать расход энергии велосипедистом, коэффициент полезного действия принимают за 24%, получится 5,8 ккал, необходимых для разгона велосипеда и гонщика до скорости 40 км/ч, что занимает около 0,5% энергии, необходимой для езды со скоростью 40 км/ч в течение часа. Этот расход энергии будет происходить за 15 секунд, со скоростью примерно 0,4 ккал в секунду, в то время как при устойчивой езде со скоростью 40 км/ч требуется 0,3 килокалорий в секунду. Преимущества легких колес Преимущество легких велосипедов, и в особенности легких колес относительно кинетической энергии заключается в том, что кинетическая энергия начинает проявлять свое влияние только тогда, когда скорость движения велосипеда изменяется, поэтому есть два случая, когда легкие колеса дают преимущество: в спринте и при преодолении крутых поворотов в критериуме. В спринте на дистанцию 250 м при движении со скоростью от 36 до 47 км/ч, при весе велосипеда и спортсмена 90 кг, плюс еще 1,75 кг веса колес (ободы, шины, спицы) кинетическая энергия увеличивается на 6360 джоулей (сжигаются 6,4 ккал). Если снизить общий вес ободов, шин и спиц на 500 г, то эта кинетическая энергия уменьшится на 35 Дж (1 ккал = 1,163 Ватт-час). Влияние этой экономии веса на скорость или пройденное расстояние довольно сложно вычислить, необходимо знать мощность, развиваемую спортсменом и длину спринтерской дистанции. Расчеты показывают, что снижение массы колес на 500 грамм даст выигрыш для спринтера в во времени 0,16 секунд, и выигрыш в пройденном расстоянии 188 см. Если сделать колеса аэродинамическим, то выигрыш составит 0,05 км/ч при скорости 40 км/ч, польза от снижения веса будет пренебрежительна мала по сравнению с пользой, полученной от аэродинамической формы колес. Для сравнения, лучшие велосипедные колеса аэродинамической формы дают выигрыш около 0,6 км/ч при скорости 40 км/ч, так что в спринте стоит применить комплект колес аэродинамической формы весом 500 г и меньше. В критериуме (групповая кольцевая гонка) гонщик часто начинает резко разгоняться после прохождения каждого поворота. Если велосипедист должен тормозить перед прохождением каждого поворота (а не катиться по инерции, что бы сбросить скорость), то кинетическая энергия, которая добавляется при каждом разгоне, теряется в виде тепла при торможении. При гонке критериум по равнинной местности со скоростью 40 км/ч, с длиной одного круга 1 км и каждый круг имеет 4 поворота, потеря скорости на каждом повороте составляет 10 км/ч. Продолжительность гонки составляет один час, вес гонщика - 80 кг, велосипеда - 6.5 кг, обода, диски и спицы весят 1.75 кг, в этой гонке придется преодолеть 160 поворотов. На это потребуется дополнительные 387 ккал к 1100 килокалориям, требуемым для езды с постоянной скоростью на той же дистанции. Снижение веса колес на 500 г снизит общее потребление энергии тела на 4,4 ккал. Если добавление дополнительных 500 г веса в колеса привело к снижению аэродинамического сопротивления на 0,3% (это дает увеличение скорости на 0,03 км/ч при езде со скоростью 40 км/ч), то расход калорий на компенсацию дополнительного веса будет компенсирован снижением аэродинамического сопротивления. Еще одно место, где легкие колеса могут иметь большое преимущество, это езда в горку. Можно даже услышать такое выражение, как "эти колеса добавили 0,5-1 км/ч скорости" и т. д. Из формулы для расчета мощности следует, что 450 грамм сэкономленной массы дадут прибавку 0,1 км/ч к скорости при езде в горку с подъемом в 4°, и даже сэкономленные 1,8 кг веса дадут прибавку скорости только 0,4 км/ч для легкого спортсмена. Итак, из-за чего возникает значительный положительный эффект при снижения веса колес? Одни предполагают, что нет никакой экономии нет, а действует "эффект плацебо". Так же было предположено, что изменение скорости при каждом нажатии на педали при езде в гору объясняет полученное преимущество. Однако энергия при изменениях скорости сохраняется - во время фазы нажатия педалей велосипед немного ускоряется, при этом кинетическая энергия накапливается, а в "мертвых зонах" во время прохождения педалями верхней точки хода велосипед замедляется, так что кинетическая энергия восстанавливается. Таким образом, увеличение вращающейся массы может несколько снизить колебания изменений скорости велосипеда, но оно не увеличивает потребность в дополнительной энергии. Более легкие велосипеды легче преодолевают подъемы, но влияние "вращающейся массы" является проблемой лишь во время быстрого ускорения, но и даже тогда оно мало. Объяснения Возможные технические объяснения широко заявленных преимуществ легких компонентов в целом, и легких колес в частности, заключается в следующем: 1. Легкий вес выигрывает в тех гонках, где имеются значительные подъемы, потому что более тяжелые велосипеды не могут компенсировать потерю энергии на спуске или при езде по равнине: гонщик на более легком велосипеде просто катится по инерции. Кроме того, если два одинаковых велосипедиста на тяжелом и легком велосипедах одновременно достигают нижней точки после подъема до финиша, то все преимущество переходит легкому велосипеду. Это не тот случай при соревнованиях в холмистой местности на время (или одиночная езда), где преимущество более тяжелых, но более аэродинамические колес легко компнсирует расстояние, потерянное на подъемах. 2. Велосипеды с легким весом выигрывают в спринте потому что им легче придать ускорение. Но обратите внимание, что более тяжелые аэродинамические колеса дают значительные преимущества при увеличении скорости, а на значительной части гонки спринтер немного ускоряется, но в основном тратит все усилия на преодоление аэродинамического сопротивления. Во многих ситуациях в спринте победе могут способствовать более тяжелые, но более аэродинамические колеса. 3. Легкий вес дает преимущество в критериуме в связи с постоянным ускорением после прохождения каждого поворота. Тяжелые, но более аэродинамические колеса дают небольшое преимущество, так как гонщики находятся в группе большую часть времени. Экономия энергии от легких колес минимальна, но она может быть более существенной, так как мышцы ног должны делать дополнительное усилие каждый раз при нажатии на педали. Есть два "нетехнических" объяснения эффекта легкого веса. Во-первых, это эффект плацебо. Так как велосипедист чувствует, что он находятся на лучшем (легком) велосипеде, то он крутит педали сильнее и, следовательно, быстрее едет. Второе, не техническое объяснение заключается в триумфе надежды над опытом велосипедиста - из-за меньшего веса велосипеда его скорость увеличивается несущественно, но велосипедист думает, что он едет быстрее. Иногда это связано с отсутствием реальных данных, например, когда велосипедисту потребовалось два часа, чтобы подняться на холм на своем старом велосипеде, а на новом велосипеде он сделал это за 01:50. Не учитываются такие факторы как соответствие велосипедиста велосипеду в течении этих двух подъемов, была ли погода жаркая или ветренная, в какую сторону дул ветер, какое было самочувствие у гонщика и т.д. Другим объяснением, конечно, может быть маркетинговые преимущества, связанные с продвижением идеи снижения веса. В конце концов аргумент о "возростающем потреблении мускульной энергии" является единственным, который может поддержать заявленные преимущества легких колес в тех ситуациях, где нужен быстрый разгон. Этот аргумент должен был бы утверждать, что если велосипедист находится уже на пределе усилий на каждом рывке или при каждом нажатии педалей, то небольшое количество дополнительной мощности, необходимре для компенсации лишнего веса, будет являться значительной физиологической нагрузкой. Не ясно, верно ли это утверждение но это единственное объяснение заявленных преимуществ от снижения веса колес (по сравнению со снижением веса остальной части велосипеда). Для этих ускорений, не имеет разницы, стали ли легче колеса на полкилограмма или на килограмм стал легче вес велосипеда и спортсмена. Чудодейственность легких колес (по сравнению с уменьшением веса в любой другой части велосипеда) трудно увидеть.
Оптимальное время для отхода ко сну
11.09.2024 Роботы-грибы управляются светом
11.09.2024 Употребление яиц помогает стать умнее
10.09.2024
▪ Мороженое, не тающее на солнце ▪ Влияние стресса на структуру мозга ▪ Новый сплав не хуже титана, но дешевле ▪ Пищевые эмульгаторы вредят кишечнику
▪ раздел сайта Жизнь замечательных физиков. Подборка статей ▪ статья Кто построил первые каналы? Подробный ответ ▪ статья Швея (портной). Должностная инструкция ▪ статья Фотобатарейка ААА. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте
www.diagram.com.ua |
Рекомендуем интересные статьи раздела 
Смотрите другие статьи раздела 
Последние новости науки и техники, новинки электроники: