|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese|
תחבורה אישית: קרקע, מים, אוויר
על יעילות האופניים. הובלה אישית
מדריך / הובלה אישית: יבשה, מים, אוויר היעילות של אופניים, הן מבחינה ביולוגית והן מבחינה מכנית, גבוהה מאוד. החוקרים חישבו שמבחינת כמות האנרגיה שאדם צריך להשקיע כדי לעבור מרחק נתון, אופניים הם הרכב המונע העצמי היעיל ביותר. מנקודת מבט מכנית, עד 99% מהאנרגיה מועברת מהדוושות לגלגלים, אם כי שימוש במנגנון העברת הילוכים יכול להפחית כמות זו ב-10-15%. מבחינת המטען שאופניים יכולים לשאת ביחס למשקלו הכולל, אופניים הם גם האמצעי היעיל ביותר להובלת מטען. חסכון באנרגיה אדם הרוכב על אופניים במהירות נמוכה עד בינונית (16-24 קמ"ש) משתמש באותה כמות כוח כמו הליכה, מה שהופך את האופניים לכלי התחבורה החסכוני ביותר באנרגיה הזמין לציבור. גרר אווירודינמי, שגדל בערך פרופורציונלי לריבוע המהירות, דורש הספק גבוה יותר ביחס למהירות בגלל העובדה שככל שמהירות האופניים עולה, ההספק הנדרש גדל ביחס מעוקב, שכן הספק שווה לזמני המהירות כוח: P = F * v (איור 1.). אופניים בהם הרוכב נמצא במצב שכיבה נקרא ליגרד (לחילופין מכונה שכיבה), ואם לאופניים יש יריעת אווירודינמית המשמשת להשגת גרר אווירודינמי נמוך מאוד, אזי זה נקרא סטרילינר. עלילה של כוח נדרש מול מהירות אופניים
על משטח קשיח ושטוח, אדם במשקל 70 ק"ג זקוק לכ-30 וואט של אנרגיה כדי לנוע במהירות של 5 קמ"ש. אותו אדם על אופניים, שנמצא על אותו משטח ומוציא את אותו הכוח, יכול לנוע במהירות ממוצעת של 15 קמ"ש, כך שצריכת האנרגיה בקק"ל/(ק"ג*ק"מ) תהיה פחותה בערך פי שלושה. בדרך כלל משתמשים במספרים הבאים: 1.62 קיל"ג/(ק"מ*ק"ג) לרכיבה על אופניים, 3.78 קילו-ג'יי/(ק"מ*ק"ג) להליכה/ריצה, 16.96 קילו-ג'יי/(ק"מ*ק"ג) לשחייה. רוכבי אופניים פנאי יכולים בדרך כלל להפיק 3 וואט/ק"ג במשך יותר משעה (למשל בסביבות 210 ואט לרוכב במשקל 70 ק"ג), חובבים מובילים יכולים להגיע ל-5 וואט/ק"ג וספורטאי עילית יכולים להגיע ל-6 וואט/ק"ג בפרקי זמן דומים. רוכבי מסלול ספרינט עילית מסוגלים להגיע לזמן קצר לרמות שיא הספק של כ-2000 וואט, או יותר מ-25 ואט/ק"ג; רוכבי כביש עילית יכולים לספק לזמן קצר את הספק שיא של 1600W עד 1700W עבור גל מיידי על פני קו הסיום בתום מירוץ כביש בן חמש שעות. גם כאשר נעים במהירויות מתונות, רוב האנרגיה מושקעת בהתגברות על גרר אווירודינמי, שגדל עם ריבוע המהירות. לפיכך, הכוח הנדרש כדי להתגבר על התנגדות האוויר גדל ביחס לקוביית המהירות. מהירויות רכיבה אופייניות מהירויות אופייניות לאופניים נעות בין 15 ל-30 קמ"ש. על אופני מירוץ מהירים, הרוכב הממוצע יכול לרכוב במהירות של 50 קמ"ש על משטח ישר לפרקי זמן קצרים. המהירות הגבוהה ביותר שנרשמה רשמית לרכב המונע בכוח שריר תוך כדי תנועה על משטח ישר במזג אוויר רגוע וללא סיוע חיצוני (כלומר, אף מכונית או אופנוע לא נעו לפני הרכב) הייתה 133,284 קמ"ש. שיא זה נקבע על ידי סם וויטינגהאם ב-2009 בוורנה. בשנת 1989, במהלך המירוץ ברחבי אמריקה, חצתה קבוצה של כלי רכב מונעי שרירים את ארצות הברית תוך 6 ימים בלבד. המהירות הגבוהה ביותר שנרשמה רשמית ברכיבה על אופניים כשהרוכב במצב זקוף רגיל, כל השאר, הייתה 82,52 קמ"ש במרחק של יותר מ-200 מטר. שיא זה נקבע בשנת 1986 על ידי ג'ים גלובר על אופניים של Multon AM7 בסימפוזיון המדעי הבינלאומי השלישי על כלי רכב מונעי שרירים בוונקובר. משקל מול כוח נערכה תחרות גדולה, שמטרתה הייתה להפחית את משקלם של אופני מירוץ באמצעות שימוש בחומרים ורכיבים מודרניים. בנוסף, גלגלים מודרניים כוללים מיסבים בעלי חיכוך נמוך ותכונות אחרות להפחתת הגרר, אך בבדיקות שנערכו לרכיבים הללו הייתה השפעה מועטה על ביצועי האופניים ברכיבה על כביש שטוח. לדוגמה, להפחתת משקל אופניים ב-0,45 ק"ג תהיה אותה השפעה במבחן זמן של 40 ק"מ על כביש שטוח כמו הסרת כל חלק בולט בעל שטח פנים אווירודינמי בגודל של עיפרון. כמו כן, איגוד האופניים הבינלאומי קובע מגבלה על המשקל המינימלי של אופניים שיורשו להשתתף במרוצים, על מנת למנוע יצירת אופניים דקים עד כדי חוסר בטיחות לשימוש. מסיבה זו, בעת פיתוח דגמי האופניים העדכניים, כל המאמצים היו מכוונים להפחתת גרר אווירודינמי על ידי שימוש בצינורות בעלי צורה אווירודינמית, חישורים שטוחים על הגלגלים ושימוש בכידון כזה שמיקום הגו של הרוכב וידיו יהיה אווירודינמי מינימלי. לִגרוֹר. שינויים אלה יכולים להשפיע באופן משמעותי על הביצועים, ולצמצם את הזמן שלוקח לסיים את הקורס. פחות משקל מביא לחיסכון גדול בזמן רכיבה במעלה הרים בשטח הררי. אנרגיה קינטית של גלגל מסתובב הבה נסתכל על האנרגיה הקינטית ו"מסות מסתובבות" של אופניים כדי לבחון את השפעת האנרגיה הסיבובית בהשוואה למסה שאינה מסתובבת. האנרגיה הקינטית של עצם בתנועה תרגום נקבעת על ידי הנוסחה E=0.5mv2 כאשר E הוא אנרגיה בג'אול, m הוא מסה בקילוגרמים, v הוא מהירות, m/sec. עבור מסות מסתובבות (לדוגמה, עבור גלגל), האנרגיה הקינטית של הסיבוב מוגדרת כ E=0.5Iω2 כאשר I הוא מומנט האינרציה, ω היא המהירות הזוויתית ברדיאנים לשנייה. עבור גלגל שכל המסה שלו ממוקמת בקצה החיצוני (אנו משתמשים בקירוב זה עבור גלגל אופניים), רגע האינרציה יהיה I=0.5mr2 כאשר r הוא הרדיוס במטרים. מהירות הזווית קשורה למהירות קדימה ולרדיוס של הצמיג. אם אין החלקה, אזי המהירות הזוויתית תיקבע על ידי הנוסחה: ω=v/T כאשר מסות מסתובבות נעות לאורך הדרך, האנרגיה הקינטית הכוללת שווה לסכום האנרגיה הקינטית של תנועה טרנסציונלית וסיבובית: E=0.5mv2 + 0.5Iω2 החלפת I ו-ω בביטוי הקודם, נקבל E=0.5mv2 +0.5mr2 *v2/r2 המונח r2 מבטל, וכתוצאה מכך נקבל את הביטוי E=0.5mv2 +0.5mv2 = mv2 במילים אחרות, האנרגיה הקינטית של המסות המסתובבות של הגלגלים גדולה פי שניים מהאנרגיה של המסות הנייחות של האופניים. יש אמת מסוימת לאמירה הישנה: "קילוגרם פחות במשקל גלגל שווה ל-2 פאונד פחות במשקל המסגרת." הכל תלוי, כמובן, באיזו מידה החישוק הדק הוא קירוב של גלגל אופניים. במציאות, לא ניתן לרכז את כל המסה בחישוק הגלגל. לשם השוואה, הקיצון השני יהיה גלגל שהמסה שלו מפוזרת באופן שווה על פני כל הדיסק. במקרה זה I = 0.5mr2, ולכן סך האנרגיה הקינטית המתקבלת הופכת להיות שווה ל-E = 0.5mv2 +0.25mv2 = 0.75mv2. הפחתת משקל גלגל בק"ג אחד שווה ערך להפחתת משקל שלדת אופניים ב-1,5 ק"ג. רוב גלגלי האופניים האמיתיים יהיו איפשהו בין שני הקצוות הללו. מסקנה מעניינת נוספת מהמשוואה הזו היא שעבור גלגלי אופניים שאינם מחליקים בתנועה, האנרגיה הקינטית אינה תלויה ברדיוס שלהם. במילים אחרות, היתרון של גלגלי 650 מ"מ הוא משקלם הנמוך, ולא בגלל הקוטר הקטן יותר, כפי שנטען לא פעם. האנרגיה הקינטית לשאר המסות המסתובבות באופניים קטנה מאוד בהשוואה לאנרגיה הקינטית של הגלגלים. לדוגמה, אם אתה מדווש בכ-1/5 ממהירות הגלגלים, אזי האנרגיה הקינטית שלהם תהיה כ-1/25 (ליחידת משקל) מהאנרגיה של הגלגלים. מכיוון שמרכז המסה שלהם נע ברדיוס קטן יותר, האנרגיה שלהם מצטמצמת עוד יותר. המר לקילוקלוריות בהנחה שניתן להתייחס לגלגל המסתובב כסכום המסות של החישוק והצמיג בתוספת עוד 2/3 ממסת החישורים, כולם במרכז החישוק/צמיגים. עבור רוכב 82 ק"ג על אופניים במשקל 8 ק"ג (משקל כולל 90 ק"ג) במהירות 40 קמ"ש, האנרגיה הקינטית תהיה 5625 ג'אול לרוכב האופניים בתוספת 94 ג'אול לגלגלים המסתובבים (1,5 ק"ג הוא המשקל הכולל של החישוקים, הצמיגים והחישורים) . המרת ג'אול לקילוקלוריות (כדי לעשות זאת צריך להכפיל ג'ול ב-0,0002389) נקבל 1,4 קק"ל (אלה קלוריות מזון). 1,4 קק"ל אלו הם האנרגיה הדרושה כדי להאיץ את האופניים מעמידה, או שמתפזרת כחום בעת בלימה כדי להפסיק לחלוטין. 1,4 קילוקלוריות אלו מספיקות לחימום של 1 ק"ג מים ב-1,4 מעלות צלזיוס. מאחר ויכולת החום של האלומיניום היא 21% מיכולת החום של המים, כמות האנרגיה הזו מספיקה לחימום גלגלי 800 גרם העשויים מסגסוגת אלומיניום ב-8 מעלות צלזיוס בזמן עצירה מהירה. החישוקים לא מתחממים במיוחד בעצירה בכביש מישור. כדי לחשב את צריכת האנרגיה של רוכב אופניים, ההנחה היא שהיעילות היא 24%, וכתוצאה מכך נדרשים 5,8 קק"ל כדי להאיץ את האופניים והרוכב למהירות של 40 קמ"ש, אשר לוקחת כ-0,5% מהאנרגיה הנדרשת לרכיבה בשעה. מהירות של 40 קמ"ש למשך שעה. הוצאה אנרגטית זו תתרחש במשך 15 שניות, בקצב של כ-0,4 קק"ל לשנייה, בעוד שנסיעה יציבה ב-40 קמ"ש דורשת 0,3 קק"ל לשנייה. היתרונות של גלגלים קלים היתרון של אופניים קלים, ובפרט גלגלים קלים, ביחס לאנרגיה קינטית הוא שאנרגיה קינטית מתחילה להשפיע רק כאשר מהירות האופניים משתנה, ולכן ישנם שני מקרים בהם גלגלים קלים מספקים יתרון: בריצת ספרינט ובעת משא ומתן. פניות הדוקות בקריטריון. בספרינט על פני מרחק של 250 מ', נע במהירות של 36 עד 47 קמ"ש, עם אופניים וספורטאי במשקל 90 ק"ג, ועוד 1,75 ק"ג משקל גלגל (חישוקים, צמיגים, חישורים), האנרגיה הקינטית עולה. ב-6360 ג'אול (6,4 קק"ל). אם תקטין את המשקל הכולל של החישוקים, הצמיגים והחישורים ב-500 גרם, האנרגיה הקינטית הזו תקטן ב-35 J (1 קק"ל = 1,163 וואט-שעה). השפעת החיסכון הזה במשקל על המהירות או המרחק שעברה די קשה לחישוב, מצריכה ידע על הכוח שנוצר על ידי הספורטאי ואורך מרחק הספרינט. חישובים מראים שהפחתת משקל הגלגלים ב-500 גרם תעניק לאצן רווח בזמן של 0,16 שניות, ורווח בנסיעה של 188 ס"מ. אם הגלגלים ייעשו אווירודינמיים, הרווח יהיה 0,05 קמ"ש בשעה מהירות של 40 קמ"ש, התועלת מהפחתת המשקל תהיה זניחה בהשוואה לתועלת שתתקבל מהצורה האווירודינמית של הגלגלים. לשם השוואה, גלגלי האופניים האווירודינמיים הטובים ביותר נותנים רווח של כ-0,6 קמ"ש ב-40 קמ"ש, כך שבספרינט כדאי להשתמש בסט גלגלים אווירודינמיים במשקל של 500 גר' ומטה. בקריטריון (מרוץ מעגל קבוצתי), הנהג מאיץ לעתים קרובות בחדות לאחר כל פינה. אם רוכב אופניים חייב לבלום לפני כל פנייה (במקום להאט כדי להאט), אז האנרגיה הקינטית שמתווספת במהלך כל האצה אובדת כחום במהלך הבלימה. במרוץ קריטריון בשטח מישור במהירות של 40 קמ"ש, עם אורך הקפה של 1 ק"מ ולכל הקפה 4 סיבובים, אובדן המהירות בכל פנייה הוא 10 קמ"ש. משך המרוץ שעה, משקל הרוכב 80 ק"ג, האופניים 6.5 ק"ג, החישוקים, הדיסקים והחישורים שוקלים 1.75 ק"ג, במרוץ זה תצטרכו להתגבר על 160 פניות. זה ידרוש תוספת של 387 קק"ל ל-1100 קק"ל הנדרשים לנהיגה במהירות קבועה באותו מרחק. הפחתת משקל הגלגל ב-500 גרם תפחית את צריכת האנרגיה הכוללת של הגוף ב-4,4 קק"ל. אם הוספת משקל נוסף של 500 גרם לגלגלים הביאה להפחתה של 0,3% בגרר האווירודינמי (כלומר עלייה של 0,03 קמ"ש במהירות בנסיעה ב-40 קמ"ש), אז הקלוריות שהוצאו כדי לפצות על המשקל הנוסף יתקזזו על ידי הפחתת ההתנגדות האווירודינמית. מקום נוסף בו גלגלים קלים יכולים להוות יתרון גדול הוא ברכיבה בעלייה. אתה אפילו יכול לשמוע ביטוי כמו "הגלגלים האלה הוסיפו 0,5-1 קמ"ש מהירות" וכו'. מהנוסחה לחישוב הספק עולה ש-450 גרם של משקל חסוך יתנו עלייה של 0,1 קמ"ש למהירות כאשר נסיעה בעלייה עם עלייה של 4°, ואפילו 1,8 ק"ג שנחסכו במשקל יעניקו עלייה במהירות של 0,4 קמ"ש בלבד לספורטאי קל. אז מה גורם ליתרונות המשמעותיים של הפחתת משקל הגלגל? יש הטוענים שאין חיסכון, אלא "אפקט פלצבו". הוצע גם שהשינוי במהירות עם כל מהלך דוושה בנסיעה בעלייה הסביר את היתרון שהושג. עם זאת, אנרגיה נשמרת בזמן שינויי מהירות - בשלב הדיווש האופניים מאיצים מעט, בעוד אנרגיה קינטית מצטברת, וב"אזורים המתים" בזמן שהדוושות עוברות את הנקודה העליונה של המהלך, האופניים מאטים, כך שהקינטיקה האנרגיה משוחזרת. לפיכך, הגדלת המסה המסתובבת עשויה להפחית במידת מה את השונות בשינויי מהירות האופניים, אך היא אינה מגבירה את הצורך באנרגיה נוספת. לאופניים קלים יותר קל יותר לטפס, אבל ההשפעה של "מסה מסתובבת" היא בעיה רק בזמן האצה מהירה, וגם אז היא קטנה. הסברים הסברים טכניים אפשריים ליתרונות הנטענים הנפוצים של רכיבים קלים בכלל, וגלגלים קלים בפרט, הם כדלקמן: 1. משקל קל מנצח במירוצים שבהם יש עליות משמעותיות, מכיוון שאופניים כבדים יותר לא יכולים לפצות על אובדן האנרגיה בירידה או ברכיבה על שטוח: הרוכב על אופניים קלים יותר פשוט מתרחק. בנוסף, אם שני רוכבי אופניים זהים על אופניים כבדים וקלים מגיעים בו זמנית לנקודה התחתונה לאחר הטיפוס לקו הסיום, אז כל היתרון מגיע לאופניים הקלים. זה לא המקרה במבחן זמן גבעות (או רכיבת סולו), שם היתרון של גלגלים כבדים אך אווירודינמיים יותר מפצה בקלות על המרחק שאבד בעליות. 2. אופניים קלים יותר מנצחים בספרינטים כי קל יותר להאיץ אותם. אבל שימו לב שגלגלים אווירודינמיים כבדים יותר מספקים יתרונות משמעותיים בהגברת המהירות, ובחלק גדול מהמירוץ האצן מאיץ מעט, אבל בעיקר מוציא את כל המאמץ על התגברות על גרר אווירודינמי. במצבי ספרינט רבים, גלגלים כבדים יותר אך אווירודינמיים יותר יכולים לעזור לך לנצח. 3. משקל קל נותן יתרון בקריטריון עקב האצה מתמדת לאחר כל פינה. הגלגלים הכבדים אך האווירודינמיים יותר מספקים יתרון קל מכיוון שהרוכבים נמצאים בקבוצה רוב הזמן. החיסכון באנרגיה מגלגלים קלים הוא מינימלי, אך הוא יכול להיות משמעותי יותר מכיוון ששרירי הרגליים צריכים לעשות מאמץ נוסף בכל פעם שאתה לוחץ על הדוושות. ישנם שני הסברים "לא טכניים" לאפקט המשקל הקל. ראשית, יש את אפקט הפלצבו. מכיוון שרוכב האופניים מרגיש שהוא על אופניים (קלים) טובים יותר, הוא דווש חזק יותר ולכן הולך מהר יותר. ההסבר השני, הלא טכני, הוא ניצחון התקווה על החוויה של רוכב האופניים - בגלל משקלם הקל של האופניים, מהירותם עולה באופן לא משמעותי, אך רוכב האופניים חושב שהוא נוסע מהר יותר. לפעמים זה נובע מחוסר בנתונים אמיתיים, למשל כאשר לרוכב אופניים לקח שעתיים לטפס על גבעה על האופניים הישנים שלו אבל עשה זאת ב-01:50 על האופניים החדשים שלו. לא נלקחים בחשבון גורמים כמו התאמתו של רוכב האופניים לאופניים במהלך שתי העליות הללו, האם מזג האוויר היה חם או סוער, לאיזה כיוון נשבה הרוח, איך הרגיש הרוכב וכו'. הסבר נוסף, כמובן, יכול להיות היתרונות השיווקיים הקשורים לקידום הירידה במשקל. בסופו של דבר, הטיעון "הגדלת צריכת האנרגיה בשריר" הוא היחיד שיכול לתמוך ביתרונות הנטענים של גלגלים קלים במצבים בהם יש צורך בהאצה מהירה. טיעון זה יטען שאם רוכב אופניים כבר נמצא בגבול המאמץ בכל מהלך או מהלך דוושה, אז הכמות הקטנה של הכוח הנוסף הדרוש כדי לפצות על המשקל הנוסף תייצג עומס פיזיולוגי משמעותי. לא ברור אם קביעה זו נכונה, אך זהו ההסבר היחיד ליתרונות הנטענים של הפחתת משקל הגלגלים (לעומת הפחתת משקל שאר האופניים). לתאוצות אלו אין הבדל אם הגלגלים הופכים לקלים יותר בחצי ק"ג או ממשקל האופניים והספורטאי הופך לקל יותר בק"ג. את הפלא של גלגלים קלים (לעומת הפחתת המשקל בכל חלק אחר של האופניים) קשה לראות.
עור מלאכותי לחיקוי מגע
15.04.2024 פסולת חתולים של Petgugu Global
15.04.2024 האטרקטיביות של גברים אכפתיים
14.04.2024
▪ אקדח פלזמה - נשק חדש של נאט"ו ▪ האיזוטופ הקל ביותר של מגנזיום ▪ מצלמת פעולה Toshiba Camileo X-Sports
▪ קטע אתר מחוונים, חיישנים, גלאים. בחירת מאמרים ▪ מאמר סטיגמה למטה (לתוך התותח). ביטוי עממי ▪ מאמר מי מספק CO2 לאטמוספירה? תשובה מפורטת ▪ מאמר דרך השלג על קוצים. הובלה אישית ▪ מאמר חידוד של הספר האלקטרוני Texet TB-840HD. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל ▪ מאמר טרנזיסטורים זרים. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל
בית | הספרייה | מאמרים | <font><font>מפת אתר</font></font> | ביקורות על האתר
www.diagram.com.ua |
אנו ממליצים על מאמרים מעניינים סעיף 
ראה מאמרים אחרים סעיף 
חדשות אחרונות של מדע וטכנולוגיה, אלקטרוניקה חדשה:
כל השפות של דף זה