Ветряной автомобиль
Транспортные средства с ветроэнергетическим приводом получают энергию от парусов , воздушных змеев или роторов и передвигаются на колесах, которые могут быть связаны с ротором, приводящим в движение ветром, или бегунах. Независимо от того, приводятся ли они в движение парусом, воздушным змеем или винтом, эти аппараты имеют общую черту: по мере того, как транспортное средство увеличивает скорость, наступающий профиль сталкивается с усиливающимся вымпельным ветром под углом атаки , который становится все меньше. В то же время такие аппараты обладают относительно низким сопротивлением вперед по сравнению с традиционными парусными судами. В результате такие транспортные средства часто способны развивать скорость, превышающую скорость ветра.
Примеры с роторным двигателем продемонстрировали скорость относительно земли, превышающую скорость ветра, как прямо по ветру , так и прямо по ветру, за счет передачи мощности через трансмиссию между ротором и колесами. Рекорд скорости с помощью ветра принадлежит транспортному средству с парусом Greenbird с зарегистрированной максимальной скоростью 202,9 километров в час (126,1 миль в час).
К другим средствам передвижения, работающим на ветру, относятся парусные суда, передвигающиеся по воде, а также воздушные шары и планеры , передвигающиеся по воздуху, но все они выходят за рамки этой статьи.
Парусный
[ редактировать ]Транспортные средства с парусным двигателем движутся по суше или льду при скорости вымпельного ветра, превышающей истинную скорость ветра, и в большинстве точек плавания проходят крутым бейдевиндом. И сухопутные, и ледяные лодки имеют низкое сопротивление скорости вперед и высокое боковое сопротивление боковому движению.
Теория
[ редактировать ]
Аэродинамические силы на парусах зависят от скорости и направления ветра, а также скорости и направления судна ( V B ). Направление движения судна относительно истинного ветра (направление и скорость ветра над поверхностью – V T ) называется точкой парусности . Скорость судна в данной точке паруса влияет на ветер ( VA вымпельный ) — скорость и направление ветра, измеренные на движущемся судне. Вымпельный ветер на парусе создает общую аэродинамическую силу, которую можно разложить на сопротивление - составляющую силы в направлении вымпельного ветра - и подъемную силу - составляющую силы, нормальную (90°) к вымпельному ветру. В зависимости от ориентации паруса относительно вымпельного ветра, подъемная сила или сопротивление могут быть преобладающим движущим компонентом. Суммарная аэродинамическая сила также распадается на переднюю, толкающую, движущую силу, которой сопротивляется среда, через которую или над которой движется судно (например, через воду, воздух или лед, песок), и боковую силу, которой сопротивляются колеса или ледяные полозья автомобиля. [2]
Поскольку ветряные транспортные средства обычно движутся под углами вымпельного ветра, совпадающими с передней кромкой паруса, парус действует как аэродинамический профиль , а подъемная сила является преобладающим компонентом движения. [3] Низкое сопротивление движению вперед, высокие скорости по поверхности и высокое боковое сопротивление помогают создавать высокие скорости вымпельного ветра - с более близким выравниванием вымпельного ветра с пройденным курсом для большинства точек плавания - и позволяют ветряным транспортным средствам достигать более высоких скоростей. чем обычное парусное судно. [4] [5]
Сухопутная яхта
[ редактировать ]С 1950-х годов парусный спорт превратился из новинки в спорт. Транспортные средства, используемые в парусном спорте, известны как сухопутные или песчаные яхты . Обычно они имеют три (иногда четыре) колеса, которые управляются педалями или ручными рычагами из положения сидя или лежа. Сухопутный парусный спорт лучше всего подходит для ветреных равнинных территорий; Гонки часто проходят на пляжах , аэродромах и на дне высохших озер в пустынных регионах. [6]
На суше установлены следующие рекорды для парусных транспортных средств:
- 1999: Iron Duck , скорость 187 километров в час (116 миль в час) [7]
- 2009: Greenbird , скорость 202,9 километра в час (126,1 миль в час) [8]
- 2022: Хоронуку , скорость 222,4 километра в час (138,2 миль в час) [9]
- 2023: Хоронуку , скорость 225,6 километров в час (140,2 миль в час) [10]
Ледяной катер
[ редактировать ]
Конструкции ледоходов обычно поддерживаются тремя коньковыми лопастями, называемыми «полозьями», поддерживающими треугольную или крестообразную раму с рулевым полозьем впереди. Полозья изготавливаются из железа или стали и заточены до тонкой кромки, чаще всего обрезанной до кромки под углом 90 градусов, которая удерживается на льду, предотвращая соскальзывание вбок из-за боковой силы ветра, развиваемой парусами. Как только боковая сила эффективно противодействует кромке бегуна, оставшаяся сила «подъема паруса» толкает лодку вперед со значительной силой. Эта мощность увеличивается по мере увеличения скорости лодки, позволяя лодке двигаться намного быстрее ветра. Ограничениями скорости ледохода являются парусность, трение, изогнутость формы паруса, прочность конструкции и качество ледовой поверхности. Ледоходы могут плыть с отклонением до 7 градусов от вымпельного ветра. [4] Ледовые лодки в хороших условиях могут развивать скорость, в десять раз превышающую скорость ветра . Ледовые суда International DN часто развивают скорость 48 узлов (89 км/ч; 55 миль в час) во время гонок, а были зарегистрированы скорости до 59 узлов (109 км/ч; 68 миль в час). [11]
Воздушный змей
[ редактировать ]
К транспортным средствам с воздушным змеем относятся багги, на которых можно кататься, и доски, на которых можно стоять, скользя по снегу и льду или катясь на колесах по земле.
Теория
[ редактировать ]Воздушный змей представляет собой привязанное аэродинамическое крыло , которое создает как подъемную силу, так и сопротивление, в данном случае прикрепленное к транспортному средству тросом, который направляет лицевую часть кайта для достижения наилучшего угла атаки. [12] , Подъемная сила поддерживающая кайт в полете, создается, когда воздух обтекает поверхность кайта, создавая низкое давление над крыльями и высокое давление под крыльями. [13] Взаимодействие с ветром также создает горизонтальное сопротивление по направлению ветра. Результирующему вектору силы от компонентов подъемной силы и силы сопротивления противодействует натяжение одной или нескольких строп или тросов , к которым прикреплен змей, тем самым приводя в движение транспортное средство. [14]
Кайт багги
[ редактировать ]Кайт -багги — это легкое, специально построенное транспортное средство, приводимое в движение воздушным змеем . Он одноместный и имеет одно управляемое переднее колесо и два фиксированных задних колеса. Водитель сидит на сиденье, расположенном посередине транспортного средства, и ускоряется и замедляется, применяя маневры рулевого управления в координации с маневрами воздушного змея. Кайт-багги могут развивать скорость до 110 километров в час (68 миль в час). [ нужна ссылка ]
Кайтборд
[ редактировать ]Кайтборды различного назначения используются на суше или на снегу. Для кайтбординга используется горная доска или лендборд — скейтборд с большими пневматическими колесами и ремнями для ног. [ нужна ссылка ] Сноукайтинг — это зимний вид спорта на открытом воздухе, в котором люди используют силу воздушного змея, чтобы скользить на доске (или лыжах) по снегу или льду. [ нужна ссылка ]
с роторным приводом
[ редактировать ]
Транспортные средства с роторным двигателем — это транспортные средства с ветроэнергетическим двигателем, в которых вместо парусов используются роторы , которые могут иметь кожух вокруг себя ( канальный вентилятор ) или представлять собой пропеллер без воздуховода и которые могут регулировать ориентацию в соответствии с вымпельным ветром. Ротор может быть соединен через трансмиссию с колесами или с генератором, который подает электроэнергию на электродвигатели, приводящие в движение колеса. В других концепциях используется ветряная турбина с вертикальной осью и аэродинамическими профилями, вращающимися вокруг вертикальной оси. [15] В версии 1904 года использовался модернизированный ротор серийной ветряной мельницы , зубчатая передача которого была соединена с ведущими колесами. [16]
Теория
[ редактировать ]Транспортное средство с лопастным ротором, механически соединенным с колесами, может быть спроектировано так, чтобы двигаться со скоростью, превышающей скорость ветра, как прямо против ветра, так и прямо по ветру. С наветренной стороны ротор работает как ветряная турбина, приводящая в движение колеса. С подветренной стороны он работает как пропеллер , приводимый в движение колесами. В обоих случаях мощность возникает за счет разницы скоростей воздушной массы и земли, получаемой ротором или колесами транспортного средства. [17]
Относительно автомобиля и воздух, и земля движутся назад. Однако при движении против ветра воздух приближается к транспортному средству быстрее, чем к земле, а при движении по ветру быстрее, чем скорость ветра, воздух приближается к транспортному средству медленнее, чем к земле. Транспортное средство в каждом случае получает мощность от более быстрого из двух сред и передает ее более медленному из двух: против ветра, получая мощность от ветра и передавая ее колесам, и по ветру, получая мощность от колес и передавая ее колесам. ротора — в каждом случае пропорционально скорости среды относительно транспортного средства. [17]
В итоге: [17]
- С наветренной стороны ротор собирает энергию из набегающего воздуха и приводит в движение колеса, как ветряная турбина.
- С подветренной стороны, когда транспортное средство движется быстрее скорости ветра, земля является самой быстродвижущейся средой относительно транспортного средства, поэтому колеса собирают мощность и передают ее ротору, который приводит в движение транспортное средство. [18]
Насколько быстро заданная скорость ветра может двигать транспортное средство в любом направлении, ограничивается только эффективностью лопастей турбины , потерями в трансмиссии транспортного средства и аэродинамическим сопротивлением , не считая сопротивления турбины. [17]
Те же принципы применимы к водному транспортному средству, использующему ветряную турбину для приведения в движение гребного винта на воде с наветренной стороны. [19] или использование водяной турбины для приведения в движение гребного винта в воздушном потоке с подветренной стороны. [20]
Транспортные средства с фиксированным курсом
[ редактировать ]
Было проведено несколько соревнований среди роторных транспортных средств. Среди них следует выделить Racing Aeolus , мероприятие, которое ежегодно проводится в Нидерландах . Участвующие университеты подают заявки на определение лучшего и самого быстрого ветряного транспортного средства. [21] Правила заключаются в том, что транспортные средства передвигаются на колесах с одним водителем, приводимым в движение ротором, соединенным с колесами. Разрешено временное хранение энергии, если оно пусто в начале гонки. Зарядка накопителя считается временем гонки. Гонки происходят против ветра. Транспортные средства оцениваются по их быстрому пробегу, инновациям и результатам серии дрэг-рейсинга . [22] В 2008 году абитуриенты были из: Штутгартского университета , Фленсбургского университета прикладных наук , Центра энергетических исследований Нидерландов , Технического университета Дании , Университета прикладных наук Киля и университета Кристиана Альбрехта . Кильского [23] Двумя лучшими исполнителями стали Ventomobile и Spirit of Amsterdam (1 и 2) .
Ветромобиль
[ редактировать ]Вентомобиль представлял собой легкий трехколесный автомобиль с приводом от ветра, разработанный студентами Штутгартского университета . Он имел опору несущего винта из углеродного волокна , направленную против ветра, и лопасти несущего винта с переменным углом наклона, которые подстраивались под скорость ветра. Передача мощности между ротором и ведущими колесами осуществлялась через два велосипедных редуктора и велосипедную цепь. [24] Он выиграл первый приз на гонках Racing Aeolus, проходивших в Ден-Хелдере , Нидерланды , в августе 2008 года. [23]
Дух Амстердама
[ редактировать ]Ветряные наземные транспортные средства Spirit of Amsterdam и Spirit of Amsterdam 2 были построены Hogeschool van Amsterdam (Университет прикладных наук Амстердама) . В 2009 и 2010 годах команда Spirit of Amsterdam завоевала первый приз на гонках Racing Aeolus, проходивших в Дании. [25] Spirit of Amsterdam 2 был вторым автомобилем, построенным фургоном Hogeschool в Амстердаме. Он использовал ветряную турбину для улавливания скорости ветра и механическую энергию для движения транспортного средства против ветра. Этот автомобиль был способен двигаться со скоростью 6,6 метра в секунду (15 миль в час) при скорости ветра 10 метров в секунду (22 мили в час). Бортовой компьютер автоматически переключал передачи для достижения оптимальной производительности. [26]
Прямолинейные транспортные средства
[ редактировать ]
Некоторые ветряные транспортные средства созданы исключительно для демонстрации ограниченного принципа, например, способности двигаться против ветра или по ветру быстрее, чем преобладающая скорость ветра .
В 1904 году Джордж Филлипс из Вебстера, Южная Дакота, продемонстрировал пропеллерный автомобиль, который мог двигаться против ветра. [27]
В 1969 году Эндрю Бауэр, инженер аэродинамической трубы компании Douglas Aircraft, построил и продемонстрировал винтовой аппарат, который мог двигаться прямо по ветру со скоростью, превышающей скорость ветра, что было записано на видео. [28] В том же году он опубликовал концепцию. [29]
В 2006 году Джек Гудман опубликовал видео похожей самодельной конструкции, описав ее как «прямо по ветру, быстрее ветра» (DDFTTW). [30] В 2008 году Рик Кавалларо — аэрокосмический инженер и компьютерный технолог — сделал на основе этой конструкции игрушечную модель, которая помещалась на беговой дорожке, и представил ее видео на видеоконкурс «Разрушители мифов». [31]
В 2010 году Кавалларо построил и пилотировал ветряк Blackbird . [32] в сотрудничестве с авиационным факультетом государственного университета Сан-Хосе в проекте, спонсируемом Google , чтобы продемонстрировать возможность движения прямо по ветру быстрее, чем ветер. [33] Он достиг двух подтвержденных результатов, двигаясь как прямо по ветру, так и прямо против ветра со скоростью, превышающей скорость преобладающего ветра.
- По ветру . В 2010 году Blackbird установил первый в мире сертифицированный рекорд, двигаясь прямо по ветру со скоростью, превышающей скорость ветра, используя только энергию ветра . [28] Транспортное средство достигло скорости по ветру, примерно в 2,8 раза превышающей скорость ветра. [34] [35] [36] В 2011 году обтекаемый «Блэкберд» достиг почти в 3 раза скорости ветра. [33]
- против ветра — в 2012 году Blackbird установил первый в мире сертифицированный рекорд, двигаясь прямо против ветра быстрее ветра, используя только энергию ветра. Транспортное средство достигло скорости против ветра, примерно в 2,1 раза превышающей скорость ветра. [34]
С тех пор Blackbird анализировался несколько раз в исследовательских работах. [37] и на Международной олимпиаде по физике 2013 г. [38] а рабочая модель игрушки была реконструирована с помощью инструкций по 3D-печати в 2021 году. [39]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кимбалл, Джон (2009). Физика парусного спорта . ЦРК Пресс. п. 296. ИСБН 978-1466502666 .
- ^ Клэнси, LJ (1975), Аэродинамика , Лондон: Pitman Publishing Limited, стр. 638, ISBN 0-273-01120-0
- ^ Джобсон, Гэри (1990). Тактика чемпионата: как любой может плыть быстрее, умнее и выигрывать гонки . Нью-Йорк: Пресса Святого Мартина. стр. 323 . ISBN 0-312-04278-7 .
- ^ Jump up to: а б Бетвейт, Фрэнк (2007). Высокопроизводительный парусный спорт . Адлард Коулз Наутикал. ISBN 978-0-7136-6704-2 .
- ^ Гарретт, Росс (1996). Симметрия парусного спорта: физика парусного спорта для яхтсменов . Шеридан Хаус, Инк. с. 268. ИСБН 9781574090000 .
- ^ «Начинается чемпионат по песчаным яхтам» . BBC Нью, Великобритания. 16 сентября 2007 года . Проверено 28 января 2017 г.
Более 100 пилотов из восьми стран будут мчаться по пескам на скорости до 60 миль в час.
- ^ «Рекордный ветряной автомобиль дает возможность заглянуть в будущее» . EngioneerLive.com . 21 февраля 2013 года . Проверено 28 января 2017 г.
- ^ «Ветромобиль бьет рекорд» . BBC Нью, Великобритания. 27 марта 2009 года . Проверено 28 января 2017 г.
- ^ Вердон, Майкл (12 декабря 2022 г.). «Команда Кубка Америки только что побила мировой рекорд скорости на сухопутной яхте» . Отчет Робба . Проверено 03 апреля 2023 г.
- ^ Джонстон, Дункан (13 апреля 2023 г.). «Команда Новой Зеландии снова побила мировой рекорд скорости на суше» . Вещи . Stuff.co.nz . Проверено 23 апреля 2023 г.
- ^ Дилл, Боб (март 2003 г.), «Проектирование парусных яхт для максимальной скорости» (PDF) , 16-й Чесапикский симпозиум по парусным яхтам , Аннаполис: SNAME
- ^ Иден, Максвелл (2002). Великолепная книга о воздушных змеях: исследования в области дизайна, строительства, развлечений и полетов . Нью-Йорк: Sterling Publishing Company, Inc., с. 18. ISBN 9781402700941 .
- ^ «Руководство по воздухоплаванию для начинающих» . НАСА . Проверено 3 октября 2012 г.
- ^ Воглом, Гилберт Тоттен (1896). Паракиты: Трактат об изготовлении и запуске бесхвостых воздушных змеев для научных целей и для отдыха . Патнэм. ОСЛК 2273288 . ОЛ 6980132М .
- ^ Кассем, Юсеф; Чамур, Хусейн (март 2015 г.), «В автомобиле с ветряной турбиной используются 3 одиночные большие лопасти кесарева сечения» (PDF) , Материалы , Дубай: Международная конференция по авиационной и производственной инженерии
- ^ Популярная механика . Том. 6. Журналы Hearst. Октябрь 1904 г. с. 1009.
- ^ Jump up to: а б с д Гаунаа, Мак; Ой, Стиг; Миккельсен, Роберт (2009), «Теория и проектирование транспортных средств с приводом от потока, использующих роторы для преобразования энергии» (PDF) , Труды EWEC 2009 , Марсель
{{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ «Научный ютубер выиграл у физика пари на 10 000 долларов за ветряной автомобиль» . Новости18 . 2021-07-02 . Проверено 2 июля 2021 г.
- ^ Блэкфорд, Б.Л. (1978), «Физика лодки, которая тянет меня и толкает» (PDF) , Американский журнал физики 46 (10), октябрь 1978 г.
- ^ Дрела, Марк. «Анализ движения по ветру быстрее, чем ветер (DFTTW)» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 ноября 2010 года . Проверено 15 июня 2010 г.
- ^ «Ветряная машина едет против ветра» . Интернет-информационный бюллетень CAN . CAN в автоматизации (CiA). Декабрь 2016 года . Проверено 28 января 2017 г.
- ^ Мюэс, Суэлл (октябрь 2014 г.). «Правила гонок Эол 2015» (PDF) . www.windenergyevents.com . Ветроэнергетические мероприятия . Проверено 29 января 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Хэнлон, Майк (7 сентября 2008 г.). «Замечательная первая гонка ветромобилей» . newatlas.com . Новый Атлас . Проверено 27 января 2016 г.
- ^ Штутгартский университет (28 августа 2008 г.). «Ветряной «Вентомобиль» занял первое место в гонке» . ScienceDaily.com . Проверено 30 августа 2008 г.
- ^ Гаунаа, Мак; Миккельсен, Роберт; Скшипинский, Витольд. «Отчет о гонках ветряных турбин за 2010 год» (PDF) . Проверено 8 июня 2011 г.
- ^ Факультет (2017). «ТЕХНИЧЕСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОСТЬ» . Амстердамский университет прикладных наук . Высшая школа в Амстердаме . Проверено 28 января 2017 г.
Spirit of Amsterdam 2 был вторым автомобилем, построенным Hogeschool van Amsterdam. В нем использовалась ветряная турбина (первоначально разработанная DonQi Urban Windmill) для улавливания скорости ветра и механическая энергия для движения транспортного средства против ветра.
- ^ Популярная механика, 1904 год, том 6, выпуск 10, страница 1009.
- ^ Jump up to: а б Кавалларо, Рик (27 августа 2010 г.). «Долгое, странное путешествие по ветру быстрее ветра» . Проводной . Проверено 14 сентября 2010 г.
- ^ Бауэр, Эндрю (1969). «Быстрее ветра» (PDF) . Марина дель Рей, Калифорния: Первый AIAA. Симпозиум по парусному спорту. , Фотография Бауэра с тележкой. Архивировано 15 марта 2016 г. в Wayback Machine.
- ^ DDFTTW , получено 8 июля 2021 г. [ мертвая ссылка на YouTube ]
- ^ Downwind Faster Than The Wind (DWFTTW) Myth Challenge , заархивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. , получено 8 июля 2021 г.
- ^ Барри, Кейт (3 июня 2013 г.). «Продается: рекордная тележка с подветренной стороны. Малый пробег, новый гребной винт» . ПРОВОДНОЙ . Проверено 22 марта 2018 г.
- ^ Jump up to: а б Адам Фишер (28 февраля 2011 г.). «Попытка одного человека обогнать ветер» . Проводной.
- ^ Jump up to: а б «Попытки установления рекорда по ветру» . НАЛСА. 2 августа 2010 г. Проверено 6 августа 2010 г.
- ^ Корт, Адам (5 апреля 2010 г.). «Бег быстрее ветра» . сайт парусного журнала . Проверено 6 апреля 2010 г.
- ^ Барри, Кейт (2 июня 2010 г.). «Ветряной автомобиль движется по ветру быстрее ветра» . проводной.com . Проверено 1 июля 2010 г.
- ^ «Анализ винтового транспортного средства с подветренной стороны» (PDF) . Международный журнал научных и исследовательских публикаций, том 3, выпуск 4 . 1 апреля 2013 г.
- ^ «Решения для олимпиады по физике в США 2013» (PDF) .
- ^ Профессор физики поспорил со мной на 10 000 долларов, что я неправ , заархивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. , получено 8 июля 2021 г.
