ВЕЛОСИПЕД - МАШИНА, В КОТОРОЙ ЧЕЛОВЕК - ДВИГАТЕЛЬ

Лето - время, когда велосипед становится одним из средств развлечения. И не только для неспешного катания вокруг дома. Сегодня на велосипедах совершают кругосветные путешествия, взбираются на горы, ходят по рекам и озерам, преодолевают препятствия. И для каждого применения нужна особая конструкция, поэтому с появлением новых областей применения велосипед непрерывно модернизируется. Получилось так, что велосипед стал своеобразным "раем" для изобретателей. Вопреки известной насмешливой фразе ("изобретать велосипед"), которой это занятие приравнивается к бессмысленной деятельности, в совершенствовании колесного безмоторного средства принимают участие тысячи энтузиастов.

Имя первого изобретателя велосипеда история не сохранила. Есть сведения, что еще в 1645 г. во Франции была выдана королевская лицензия на четырехколесную тележку с седлом. "Наездник", отталкиваясь ногами от земли, должен был развить приличную скорость. Но эта конструкция не нашла применения - лошади оставались главным транспортным средством. Четырехколесная тележка, построенная бароном Карлом Фридрихом Драйсом, в 1813 г. была даже продемонстрирована русскому царю Александру I (вместе с наступавшей армией он в то время находился в Германии). Но и тогда предпочтение было отдано (не по вине русского царя) лошадям. Драйсу не удалось наладить производство.

В те далекие времена патентные бюро были завалены заявками на всевозможные конструкции самокатов. Интересно, что главной идеей этих изобретений являлось использование вместо лошади мускульной силы человека, причем не того, который правил самокатом. Так, в 1761 г. англичанин Овенден предложил деревянный экипаж, приводимый в движение находившимся в задней части лакеем, который давил на педали. Сохранились сведения и об отечественном "кулибине", крепостном Е.М. Артамонове, предложившим свой вариант самоката в 1801 г.

Самокат с момента завоевания им популярности не перестает совершенствоваться. Были придуманы педали, цепная передача, тормоз. Постепенно самокат превратился в велосипед, к которому мы привыкли и который не перестают изобретать до сих пор. Как и не перестают искать ему применение.

Как и почти всякая новинка, прежде всего велосипед нашел место в армии. Первое упоминание о боевом применении велосипеда относится к 1870 г., когда во время франко-прусской войны из осажденного Парижа прорвался посыльный на велосипеде. А в 1885 г. в Великобритании была создана воинская часть, личный состав которой на высоких велосипедах с большими передними колесами был способен перемещаться довольно быстро и даже мог противостоять кавалерии. В англо-бурской войне 1899-1902 гг. британская армия успешно применяла велосипеды уже в массовом порядке. Вскоре велосипедные части были созданы во Франции, Германии, Италии, Бельгии, Швейцарии, Китае, Японии и России. Князь Б.Д. Потемкин в 1887 г. написал книгу "Велосипед и его применение в военном деле".

Российские самокатные роты (так они тогда назывались) первоначально снабжались французскими велосипедами "Пежо". Но летом 1915 г. было принято решение о развертывании отечественного производства. Главное требование военных - российский велосипед должен по своим характеристикам превосходить "Пежо". Конструктору велосипеда это удалось. Низкая рама позволяла стрелять стоя, не сходя с машины. Масса велосипеда составляла 16 кг, и его в сложенном положении можно было переносить на спине.

Всего же до революции на разных заводах выпустили более 4000 "Дуксов". Во многих армиях мира велосипеды стоят на вооружении и поныне.

Вообще-то велосипедов на сегодня понапридумано достаточно много. Можно озадачиться проблемой перевозки грузов. А можно побороться за скорость, о чем мы и расскажем в этой статье.

Для аппаратов, использующих мускульную силу человека, сопротивление воздуха является основным тормозящим фактором. Так, при скорости велосипеда 30 км/ч лобовое сопротивление составляет 80 % полной тормозящей силы.

До начала прошлого столетия полусогнутая поза велосипедиста получила широкое распространение как средство борьбы с сопротивлением воздуха. В 1912 г. француз Этьен Бюно-Варийа получил патент на обтекаемый корпус, закрывающий гонщика и велосипед от встречного потока воздуха. В 1933 г. на велосипеде "Велодин" обтекаемой конструкции француз Марсель Бертэ в одночасовой гонке преодолел 49,98 км. 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", на котором гонщик располагался почти лежа на спине. Профессиональный гонщик Франсуа Фор в 1933-1938 гг. установил на "Велокаре" несколько рекордов скорости. Моше и Фор надеялись, что Международный союз велосипедистов, признает эти рекорды. Однако этого не произошло.

В 1938 г. Союз велосипедистов запретил использование при соревнованиях обтекателей и велосипедов с лежачей позой гонщика. Запрет этот действует до сих пор. Хорошо, что ветеринарный хирург, шотландец из Белфаста Джон Бойд Данлоп придумал пневматические шины для велосипеда в 1887 г., когда Союз еще не существовал. Надо отдать должное, со временем Союз смягчил свои ограничения. С 1976 г. в международных соревнованиях стали применяться облегающие комбинезоны и т.п.

Совершенствование всех средств передвижения, использующих мускульную силу человека, на самом деле идет темпами, небывалыми со времен победоносного распространения велосипеда в XIX в. В 1973 г. Честер Р. Кайл и Джэк Г. Лэмби независимо друг от друга построили и опробовали два первых в США обтекаемых велосипеда. Кайл и Лэмби, опубликовавшие результаты исследований 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. И тогда Кайл и Лэмби решили организовать соревнования велосипедов без ограничений на их конструкцию. В них приняли участие 14 не похожих друг на друга моделей. Победу одержал обтекаемый тандем, построенный Филиппом Нортоном. Он сумел развить скорость 72,21 км/ч.

Поскольку Международный союз велосипедистов запрещает применение обтекателей, участники соревнований организовали в 1976 г. альтернативную Международную ассоциацию по развитию средств передвижения, использующих мускульную силу человека. В 1980 г. на 200-метровом участке скоростной дороги после разгона на дистанции в одну милю велосипед модели "Вектор тандем" конструкции инженера Аллана А. Войгта развил скорость 101,26 км/ч.

Аэродинамическое сопротивление обусловлено разницей давлений и трением о воздух. Поверхности конструктивных элементов велосипеда цилиндрической, сферической и других форм плохи в смысле аэродинамики, поскольку на них происходит срыв 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 из-за разности давлений значительно уменьшается, и более существенным становится сопротивление за счет трения.

Чтобы добиться наилучших скоростных качеств машины, нужно выбрать такую ее форму, при которой потери энергии на преодоление обоих видов сопротивления сводятся к минимуму. Затраты энергии на преодоление сопротивления воздуха у предмета каплевидной формы при движении будут в десять раз меньше, чем, например, у цилиндра.

Сила лобового сопротивления пропорциональна квадрату скорости, а мощность, затрачиваемая на движение с данной скоростью, - произведению силы на скорость. Следовательно, необходимая для движения в воздушной среде мощность растет пропорционально скорости в третьей степени. Поэтому даже небольшое увеличение скорости движения требует значительного увеличения усилий. Если при скорости 32 км/ч велосипедист удвоит усилия, он увеличит ее лишь до 40 км/ч. Уменьшение коэффициента сопротивления влияет на скорость меньше. 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 неизменным. Если бы его не существовало, то увеличение мощности и уменьшение эффективной фронтальной площади вдвое обеспечивали бы одно и то же увеличение скорости - до 40 км/ч.

Итак, для достижения высоких скоростей требуются исключительно хорошие аэродинамические свойства. Велосипед модели "Вектор - тандем", в котором каждый гонщик развивает мощность чуть больше 1 л.с., достиг скорости 101,26 км/ч. Чтобы разогнаться до такой скорости на обычном велосипеде необходима мощность более 6 л.с., что лежит за пределами физических возможностей человека.

Конструкторы и гонщики добиваются снижения аэродинамического сопротивления тремя способами. Во-первых, конструкциям придают обтекаемую форму и делают их поверхности более гладкими (чтобы свести к минимуму трение о воздух). Во-вторых, добиваются уменьшения фронтальной площади пары гонщик - велосипед. В третьих, проводят заезды в условиях высокогорья.
В Мехико, расположенном на высоте 2240 м, где плотность воздуха составляет 80 % от плотности на уровне моря, рекордные скорости на 3…5 % больше, чем внизу.

Если энергию, которую велосипедист тратит на преодоление сопротивления воздуха при езде по ровной дороге со скоростью 30 км/ч, поделить на составляющие, то окажется, что 70 % ее расходуется на преодоление сопротивления, оказываемого велосипедисту, а 30 % - на преодоление сопротивления его машине. Из этого можно заключить, что, желая улучшить конструкцию велосипеда, следует прежде подумать об улучшении аэродинамики гонщика.

Согласно расчетам, гонщик, едущий в полусогнутой позе на обычном гоночном велосипеде, может развить скорость около 55 км/ч при затрате мощности 1 л.с. Но даже на "идеальном" велосипеде (у которого отсутствует аэродинамическое сопротивление и трение качения) тот же гонщик, прилагая такие же усилия, мог бы увеличить свою скорость всего на 6 км/ч. На обычных велосипедах для экономии энергии можно установить небольшой обтекатель, снижающий лобовое сопротивление до 20 % и способствующий повышению скорости на 4 км/ч при развиваемой велосипедистом мощности 1 л.с.

Другой эффективный способ повышения скорости - создание велосипеда с велосипедистом, размещенным лежа. Такой велосипед обладает и другими достоинствами: велосипедист находится ближе к земле, и его падение не так опасно.
Самым дорогим безмоторным средством передвижения по суше является велосипед с полностью обтекаемым корпусом. Модель "Вектор - сингл", одноместный вариант велосипеда "Вектор - тандем", - наилучший пример полностью обтекаемой закрытой машины с педальным приводом. Согласно расчетам, этот велосипед теоретически способен развить скорость 99,3 км/ч при мощности 1 л.с.

При езде по холмистой местности полностью обтекаемый велосипед сохраняет преимущества перед своим обычным собратом. При затрате мощности 0,4 л.с. обычный велосипед забирается на 2,5-процентный подъем со скоростью 26 км/ч, а "Вектор" может двигаться со скоростью 33 км/ч. При движении под уклон разница еще более заметна. На протяженном уклоне 2,5 % обычный велосипед может достичь скорости 47 км/ч, а "Вектор" - 87 км/ч.

(Продолжение следует)