|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ОСОБИСТИЙ ТРАНСПОРТ: НАЗЕМНИЙ, ВОДНИЙ, ПОВІТРЯНИЙ
Про ефективність велосипеда. Особистий транспорт
Довідник / Особистий транспорт: наземний, водний, повітряний ККД велосипеда і в біологічному, і механічному відношенні дуже високий. Дослідники підрахували, що з точки зору витрат кількості енергії, яку людина повинна витратити на подолання заданої відстані, велосипед є найбільш ефективним транспортним засобом, що саморухається. З механічного погляду з педалей на колеса передається до 99% енергії, хоча використання механізму перемикання передач може зменшити цю величину на 10-15%. З точки зору співвідношення ваги корисного вантажу, який велосипед може везти до загальної ваги, велосипед є також найбільш ефективним засобом транспортування вантажів. Енергетична ефективність Людина, яка їде велосипедом на низьких і середніх швидкостях (16-24 км/год), використовує таку ж потужність, яка потрібна для ходьби, тому велосипед є найбільш енергоефективним загальнодоступним транспортним засобом. Аеродинамічний опір, який збільшується приблизно пропорційно квадрату швидкості, вимагає вищої потужності щодо швидкості через те, що зі зростанням швидкості велосипеда необхідна потужність збільшується в кубічній залежності, оскільки потужність дорівнює швидкості помноженої на силу: P = F * v (рис. 1.). Велосипед, в якому їздець знаходиться в лежачому положенні називається лігерад (альтернативна назва - рікамбент), а якщо велосипед має аеродинамічний обтічник, який використовується для досягнення дуже низького аеродинамічного опору, він називається стримлайнер. Графік залежності необхідної потужності від швидкості велосипеда
На твердій, плоскій поверхні людині вагою 70 кг потрібна енергія близько 30 Вт, щоб рухатися зі швидкістю 5 км/год. Та ж людина на велосипеді, перебуваючи на тій же поверхні і витрачаючи ту ж потужність, може рухатися із середньою швидкістю 15 км/год, так що витрата енергії в кКал/(кг*км) буде приблизно втричі меншою. Зазвичай використовуються такі цифри: 1.62 кДж/(км*кг) для їзди велосипедом, 3.78 кДж/(км*кг) для ходьби/бігу, 16.96 кДж/(км*кг) для плавання. Велогонники - любителі зазвичай можуть розвивати потужність 3 Вт/кг протягом більш ніж години (наприклад, близько 210 Вт для гонщика вагою 70 кілограмів), найкращі з аматорів розвивають 5 Вт/кг та елітні спортсмени можуть досягати потужності 6 Вт/кг за аналогічні періоди часу. Елітні трекові велогонщики-спринтери здатні короткочасно досягати максимальної потужності близько 2000 Вт, або більше 25 Вт/кг; елітні шосейні велогонщики можуть швидко розвивати максимальну потужність від 1600 Вт до 1700 Вт для миттєвого ривка на фінішній прямій наприкінці п'ятигодинної шосейної гонки. Навіть під час руху на помірних швидкостях більшість енергії витрачається на подолання аеродинамічного опору, яке збільшується пропорційно квадрату швидкості. Таким чином, потужність, необхідна для подолання опору повітря, зростає пропорційно кубу швидкості. Типові велосипедні швидкості Типові швидкості для велосипедів лежать у діапазоні від 15 до 30 км/год. На швидкому велосипеді, середній гонщик може їхати на швидкості 50 км/год по рівній поверхні протягом коротких відрізків часу. Найвища швидкість, офіційно зареєстрована для транспортного засобу, що приводиться в дію м'язовою енергією під час руху по рівній поверхні в безвітряну погоду і без зовнішньої допомоги (тобто перед транспортним засобом не рухалася будь-яка машина чи мотоцикл) становила 133,284 км/год. Цей рекорд було встановлено Сем Уїттінґем у 2009 році у Варні. У 1989 році під час гонок через усю Америку група транспортних засобів, що приводяться в дію м'язовою енергією, перетнула Сполучені Штати всього за 6 днів. Найвища швидкість, офіційно зареєстрована при їзді велосипедом із звичайною вертикальною посадкою гонщика за інших рівних умов склала 82,52 км/год на дистанції понад 200 метрів. Цей рекорд був встановлений у 1986 році Джимом Гловером на велосипеді моделі "Мультон АМ7" на третьому міжнародному науковому симпозіумі транспортних засобів, що наводяться у м'язовій у Ванкувері. Вага проти потужності Було проведено великий конкурс, завданням якого було зниження ваги гоночних велосипедів за рахунок використання сучасних матеріалів та компонентів. Крім того, в сучасних колесах стоять підшипники з низьким коефіцієнтом тертя, використовуються й інші можливості для зниження опору, однак у проведених випробуваннях ці компоненти практично не впливали на характеристики велосипеда під час їзди рівною дорогою. Наприклад, зниження ваги велосипеда на 0,45 кг дасть той же ефект при змаганні на якийсь час на 40 кілометровій дистанції по рівній дорозі, що і видалення будь-якої виступаючої частини, що має площу аеродинамічної поверхні розміром з олівець. Крім того, міжнародний союз велосипедистів встановлює обмеження на мінімальну вагу велосипеда, яка буде допущена до участі в гонках, щоб перешкоджати створенню настільки тонких конструкцій велосипедів, що їх використання буде небезпечним. З цієї причини при розробці останніх моделей велосипедів всі зусилля були спрямовані на зниження аеродинамічного опору шляхом застосування труб аеродинамічної форми, плоских спиць на колесах, і використання такого керма, щоб положення тулуба гонщика і його рук мало мінімальний аеродинамічний опір. Ці зміни можуть вплинути на характеристики, скорочуючи час проходження дистанції. Менша вага призводить до великої економії часу при їзді вгору схилом по горбистій місцевості. Кінетична енергія обертового колеса Розглянемо кінетичну енергію і "кручені маси" велосипеда для того, щоб вивчити вплив енергії обертання в порівнянні з масами, що не обертаються. Кінетична енергія об'єкта під час поступального руху визначається за формулою E=0.5mv2 Де E – енергія в джоулях, m – маса в кілограмах, v – швидкість, м/сек. Для мас, що обертаються (наприклад, для колеса), кінетична енергія обертання визначається як E=0.5Iω2 Де I - момент інерції, - кутова швидкість в радіанах в секунду. Для колеса з усією його масою, розташованою на зовнішньому краї (використовуємо це наближення для велосипедного колеса), момент інерції становитиме I=0.5mr2 Де r – радіус у метрах. Кутова швидкість пов'язана з поступальною швидкістю та радіусом шини. Якщо немає ковзання, то кутова швидкість буде визначатися за такою формулою: ω=v/T коли маси, що обертаються, рухаються по дорозі, то повна кінетична енергія дорівнює сумі кінетичної енергії поступального і обертального рухів: E=0.5mv2 + 0.5Iω2 Підставивши у попередній вираз I і ω, отримуємо E = 0.5mv2 + 0.5мр2 * v2/r2 Доданок r2 скорочується, і в результаті отримуємо вираз E = 0.5mv2 + 0.5mv2 = mv2 Іншими словами, кінетична енергія обертових мас коліс вдвічі більша, ніж енергія нерухомих мас велосипеда. Є частка істини в старій приказці: "зменшення ваги коліс на фунт і зниження ваги рами на 2 фунти". Це все, звичайно, залежить від того, наскільки тонкий обруч є наближеною моделлю колеса велосипеда. Насправді вся маса не може бути зосереджена в обід колеса. Для порівняння іншою крайністю може бути колесо, маса якого рівномірно розподілена по всьому диску. І тут I = 0.5mr2, і тому повна результуюча кінетична енергія дорівнює E = 0.5mv2 + 0.25mv2 = 0.75 мВ2. Зменшення маси колеса на один кілограм еквівалентне зниженню маси рами велосипеда на 1,5 кг. Параметри більшості коліс реальних велосипедів будуть десь посередині між цими двома крайнощами. Ще одним цікавим висновком з цього рівняння є те, що для велосипедних коліс, які не ковзають під час руху, кінетична енергія не залежить від їхнього радіусу. Іншими словами, перевага коліс діаметром 650 мм у їхній низькій вазі, а не через їхній менший діаметр, як це часто стверджується. Кінетична енергія для інших мас, що обертаються, на велосипеді дуже мала в порівнянні з кінетичною енергією коліс. Наприклад, якщо обертати педалі зі швидкістю приблизно 1/5 швидкості коліс, то їх кінетична енергія складе близько 1/25 (на одиницю ваги) від енергії коліс. Оскільки їхній центр мас рухається по меншому радіусу, їхня енергія ще більше знижується. Переклад у кілокалорії Припускаючи, що колесо, що обертається, можна розглядати як суму мас обода і шини і плюс ще 2/3 від маси спиць, все це розташований по центру обода/шин. Для велосипедиста вагою 82 кг на велосипеді вагою 8 кг, (загальна вага становить 90 кг) при швидкості 40 км/год, кінетична енергія складе 5625 джоулів для велосипедиста плюс 94 джоуля для коліс, що обертаються (вагою 1,5 кг - це загальна вага ободів, шин та спиць). Перетворивши джоулі на кілокалорії (для цього треба помножити джоулі на 0,0002389) отримаємо 1,4 Ккал (це харчові калорії). Ці 1,4 Ккал є тією енергією, яка необхідна для розгону велосипеда з місця, або розсіюється у вигляді тепла при гальмуванні для повної зупинки. Цих 1,4 кілокалорій вистачить для того, щоб нагріти 1 кг води на 1,4 градуса за Цельсієм. Оскільки теплоємність алюмінію становить 21% від теплоємності води, то цієї кількості енергії вистачить щоб нагріти колісні диски вагою 800 грам, зроблені з алюмінієвого сплаву, на 8° C при швидкій зупинці. Ободи нагріваються не дуже при зупинці на рівній дорозі. Щоб розрахувати витрату енергії велосипедистом, коефіцієнт корисної дії приймають за 24%, вийде 5,8 ккал, необхідних для розгону велосипеда та гонщика до швидкості 40 км/год, що займає близько 0,5% енергії, необхідної для їзди зі швидкістю 40 км/ год протягом години. Ця витрата енергії відбуватиметься за 15 секунд, зі швидкістю приблизно 0,4 ккал на секунду, тоді як при стійкій їзді зі швидкістю 40 км/год потрібно 0,3 кілокалорій на секунду. Переваги легких коліс Перевага легких велосипедів, і особливо легких коліс щодо кінетичної енергії полягає в тому, що кінетична енергія починає проявляти свій вплив лише тоді, коли швидкість руху велосипеда змінюється, тому є два випадки, коли легкі колеса дають перевагу: у спринті та при подоланні крутих поворотів у критерії. У спринті на дистанцію 250 м при русі зі швидкістю від 36 до 47 км/год, при вазі велосипеда та спортсмена 90 кг плюс ще 1,75 кг ваги коліс (ободи, шини, спиці) кінетична енергія збільшується на 6360 джоулів (спалюються 6,4 500 ккал). Якщо знизити загальну вагу ободів, шин та спиць на 35 г, то ця кінетична енергія зменшиться на 1 Дж (1,163 ккал = 500 Ватт-година). Вплив цієї економії ваги на швидкість або пройдену відстань досить складно обчислити, необхідно знати потужність, яку розвиває спортсмен і довжина спринтерської дистанції. Розрахунки показують, що зниження маси коліс на 0,16 грам дасть виграш для спринтера в часі 188 секунд, і виграш на пройденій відстані 0,05 см. Якщо зробити колеса аеродинамічні, то виграш становитиме 40 км/год при швидкості 0,6 км/год. , користь від зниження ваги буде зневажлива мала порівняно з користю, отриманої від аеродинамічної форми коліс. Для порівняння, найкращі велосипедні колеса аеродинамічної форми дають виграш близько 40 км/год при швидкості 500 км/год, тому в спринті варто застосувати комплект коліс аеродинамічної форми вагою XNUMX г і менше. У критерії (групова кільцева гонка) гонщик часто починає різко розганятися після проходження кожного повороту. Якщо велосипедист повинен гальмувати перед проходженням кожного повороту (а не котитися по інерції, щоб скинути швидкість), то кінетична енергія, яка додається при кожному розгоні, втрачається у вигляді тепла при гальмуванні. При гонці критерій по рівнинній місцевості зі швидкістю 40 км/год, з довжиною одного кола 1 км і кожен круг має 4 повороти, втрата швидкості кожному повороті становить 10 км/ч. Тривалість гонки становить одну годину, вага гонщика – 80 кг, велосипеда – 6.5 кг, обода, диски та спиці важать 1.75 кг, у цій гонці доведеться подолати 160 поворотів. На це знадобиться додаткові 387 ккал до 1100 кілокалорій, необхідних для їзди з постійною швидкістю на тій же дистанції. Зниження ваги коліс на 500 г зменшить загальне споживання енергії тіла на 4,4 ккал. Якщо додавання додаткових 500 г ваги колеса призвело до зниження аеродинамічного опору на 0,3% (це дає збільшення швидкості на 0,03 км/год при їзді зі швидкістю 40 км/год), то витрата калорій на компенсацію додаткової ваги буде компенсована зниженням аеродинамічного опору. Ще одне місце, де легкі колеса можуть мати велику перевагу, це їзда до гірки. Можна навіть почути такий вираз, як "ці колеса додали 0,5-1 км/год швидкості" і т. д. З формули для розрахунку потужності слід, що 450 грам заощадженої маси дадуть збільшення 0,1 км/год до швидкості при їзді у гірку з підйомом 4°, і навіть зекономлені 1,8 кг ваги дадуть збільшення швидкості лише 0,4 км/год для легкого спортсмена. Отже, через що виникає значний позитивний ефект при зниженні ваги коліс? Одні припускають, що немає економії немає, а діє "ефект плацебо". Також було припущено, що зміна швидкості при кожному натисканні на педалі при їзді в гору пояснює отриману перевагу. Однак енергія при змінах швидкості зберігається - під час фази натискання педалей велосипед трохи прискорюється, при цьому кінетична енергія накопичується, а в "мертвих зонах" під час проходження педалями верхньої точки ходу велосипед сповільнюється, тому кінетична енергія відновлюється. Таким чином, збільшення маси, що обертається, може дещо знизити коливання змін швидкості велосипеда, але воно не збільшує потребу в додатковій енергії. Легші велосипеди легше долають підйоми, але вплив "маси, що обертається" є проблемою лише під час швидкого прискорення, але і навіть тоді воно мало. пояснення Можливі технічні пояснення широко заявлених переваг легких компонентів загалом, і легких коліс зокрема, ось у чому: 1. Легка вага виграє в тих гонках, де є значні підйоми, тому що більш важкі велосипеди не можуть компенсувати втрату енергії на спуску або при їзді рівниною: гонщик на легшому велосипеді просто котиться за інерцією. Крім того, якщо два однакових велосипедиста на важкому та легкому велосипедах одночасно досягають нижньої точки після підйому до фінішу, то вся перевага переходить легкому велосипеду. Це не той випадок при змаганнях у горбистій місцевості на час (або одиночна їзда), де перевага більш важких, але аеродинамічніших коліс легко компнсує відстань, втрачену на підйомах. 2. Велосипеди з легкою вагою виграють у спринті, тому що їм легше надати прискорення. Але зверніть увагу, що більш важкі аеродинамічні колеса дають значні переваги при збільшенні швидкості, а на значній частині гонки спринтер трохи прискорюється, але витрачає в основному всі зусилля на подолання аеродинамічного опору. У багатьох ситуаціях у спринті перемозі можуть сприяти важчі, але аеродинамічні колеса. 3. Легка вага дає перевагу в критерії у зв'язку із постійним прискоренням після проходження кожного повороту. Важкі, але аеродинамічні колеса дають невелику перевагу, оскільки гонщики перебувають у групі більшу частину часу. Економія енергії від легких коліс мінімальна, але вона може бути суттєвішою, оскільки м'язи ніг повинні робити додаткове зусилля щоразу при натисканні на педалі. Є два "нетехнічні" пояснення ефекту легкої ваги. По-перше, це ефект плацебо. Так як велосипедист відчуває, що він знаходяться на кращому (легкому) велосипеді, то він крутить педалі сильніше і, отже, їде швидше. Друге, не технічне пояснення полягає в тріумфі надії над досвідом велосипедиста – через меншу вагу велосипеда його швидкість збільшується несуттєво, але велосипедист думає, що він їде швидше. Іноді це пов'язано з відсутністю реальних даних, наприклад, коли велосипедисту потрібно дві години, щоб піднятися на пагорб на своєму старому велосипеді, а на новому велосипеді він зробив це за 01:50. Не враховуються такі фактори як відповідність велосипедиста велосипеду протягом цих двох підйомів, чи була погода спекотна чи вітряна, в який бік віяв вітер, яке було самопочуття у гонщика тощо. Іншим поясненням, звичайно, можуть бути маркетингові переваги, пов'язані з просуванням ідеї зниження ваги. Зрештою, аргумент про "зростаюче споживання м'язової енергії" є єдиним, який може підтримати заявлені переваги легких коліс у тих ситуаціях, де потрібен швидкий розгін. Цей аргумент мав би стверджувати, що якщо велосипедист перебуває вже на межі зусиль на кожному ривку або при кожному натисканні педалей, то невелика кількість додаткової потужності, необхідна для компенсації зайвої ваги, буде значним фізіологічним навантаженням. Не ясно, чи вірно це твердження але це єдине пояснення заявлених переваг від зниження ваги коліс (порівняно зі зниженням ваги решти велосипеда). Для цих прискорень, не має різниці, чи стали легші колеса на півкілограма або на кілограм стала легша вага велосипеда та спортсмена. Чудодійність легких коліс (порівняно зі зменшенням ваги у будь-якій іншій частині велосипеда) важко побачити.
▪ Туристичний катер-амфібія Амфа
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Батьки курять – діти хворіють ▪ Читання у дитинстві сприяє покращенню когнітивних здібностей ▪ Доведено існування безсмертних квантових частинок ▪ 40-ватний портативний акумулятор Huawei ємністю 12000 мАг
▪ розділ сайту Регулятори тембру, гучності. Добірка статей ▪ стаття Облинений факт. Крилатий вислів ▪ стаття Укус якої тварини викликає хворобливу ерекцію, яка триває кілька годин? Детальна відповідь ▪ стаття Гомбо. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Закон для шукачів скарбів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page