Ветротранспортное средство
Транспортное средство, приводимое в движение ветром
Бельгийская гоночная сухопутная яхта 3-го класса .

Ветромобили получают энергию от парусов , воздушных змеев или роторов и едут на колесах, которые могут быть связаны с ветровым ротором, или полозьями. Независимо от того, приводятся ли они в движение парусом, воздушным змеем или ротором, эти транспортные средства имеют общую черту: по мере того, как транспортное средство увеличивает скорость, продвигающийся аэродинамический профиль встречает увеличивающийся вымпельный ветер под углом атаки , который все меньше и меньше. В то же время такие транспортные средства испытывают относительно низкое лобовое сопротивление по сравнению с традиционными парусными судами. В результате такие транспортные средства часто способны развивать скорость, превышающую скорость ветра.

Примеры с роторным приводом продемонстрировали скорость относительно земли, превышающую скорость ветра, как прямо против ветра , так и прямо по ветру, передавая мощность через трансмиссию между ротором и колесами. Рекорд скорости с ветровым приводом принадлежит транспортному средству с парусом, Greenbird , с зафиксированной максимальной скоростью 202,9 километра в час (126,1 миль в час).

Другие транспортные средства, работающие на энергии ветра, включают парусные суда, которые передвигаются по воде, а также воздушные шары и планеры , которые передвигаются по воздуху, но все они выходят за рамки данной статьи.

Парусный

Парусные транспортные средства перемещаются по суше или льду при скорости вымпельного ветра, превышающей истинную скорость ветра, в крутом бейдевинде на большинстве направлений парусности. Как сухопутные яхты, так и буеры имеют низкое лобовое сопротивление скорости и высокое боковое сопротивление боковому движению.

Теория

Вымпельный ветер на буере . По мере того, как буер отходит от ветра, вымпельный ветер немного усиливается, а его скорость достигает наибольшей величины в точке C на широком участке . [1]

Аэродинамические силы на парусах зависят от скорости и направления ветра, а также от скорости и направления судна ( V B ) . Направление, в котором движется судно относительно истинного ветра (направление и скорость ветра над поверхностью – V T ), называется точкой паруса . Скорость судна в данной точке паруса вносит вклад в вымпельный ветер ( VA ) – скорость и направление ветра, измеренные на движущемся судне. Вымпельный ветер на парусе создает общую аэродинамическую силу, которая может быть разложена на сопротивление – компонент силы в направлении вымпельного ветра – и подъемную силу – компонент силы, нормальный (90°) к вымпельному ветру. В зависимости от выравнивания паруса с вымпельным ветром, подъемная сила или сопротивление могут быть преобладающим движительным компонентом. Общая аэродинамическая сила также разлагается на прямую, движительную, движущую силу – сопротивляемую средой, через которую или по которой проходит судно (например, по воде, воздуху или по льду, песку) – и боковую силу, сопротивляемую колесами или ледяными полозьями транспортного средства. [2]

Поскольку ветромобили обычно плывут под углами вымпельного ветра, выровненными с передней кромкой паруса, парус действует как аэродинамический профиль , а подъемная сила является преобладающим компонентом движителя. [3] Низкое переднее сопротивление движению, высокие скорости по поверхности и высокое боковое сопротивление помогают создавать высокие скорости вымпельного ветра — с более близким выравниванием вымпельного ветра к пройденному курсу для большинства точек паруса — и позволяют ветромобилям достигать более высоких скоростей, чем обычные парусные суда. [4] [5]

Яхта на суше

Парусный спорт на суше превратился из новинки в вид спорта с 1950-х годов. 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. Парусный спорт на суше лучше всего подходит для ветреных равнинных местностей; гонки часто проходят на пляжах , аэродромах и высохших озерных ложах в пустынных регионах. [6]

Рекорды парусных транспортных средств были установлены на суше:

  • 1999: Iron Duck на скорости 187 километров в час (116 миль в час) [7]
  • 2009: Greenbird со скоростью 202,9 км/ч (126,1 миль/ч) [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]

Ледовая лодка

Международный ледовый катер DN

Конструкции ледовых катеров обычно поддерживаются тремя лезвиями коньков, называемыми «полозьями», поддерживающими треугольную или крестообразную раму с рулевым полозом спереди. Полозья сделаны из железа или стали и заточены до тонкого края, чаще всего срезанного до угла в 90 градусов, который удерживается на льду, предотвращая соскальзывание вбок от боковой силы ветра, создаваемой парусами. После того, как боковая сила эффективно уравновешена краем полоза, оставшаяся сила «подъема паруса» всасывает лодку вперед со значительной силой. Эта сила увеличивается по мере увеличения скорости лодки, позволяя лодке идти намного быстрее ветра. Ограничениями скорости ледовых катеров являются сопротивление воздуха, трение, изгиб формы паруса, прочность конструкции и качество поверхности льда. Ледовые катера могут плыть под углом до 7 градусов к вымпельному ветру. [4] Ледовые катера могут развивать скорость, в десять раз превышающую скорость ветра в хороших условиях. Международные ледовые суда DN часто достигают скорости 48 узлов (89 км/ч; 55 миль/ч) во время гонок, а были зарегистрированы скорости до 59 узлов (109 км/ч; 68 миль/ч). [11]

С двигателем воздушного змея

Сноукайтеры передвигаются по снегу или льду.

Транспортные средства, приводимые в движение воздушными змеями, включают в себя багги, на которых можно ездить, и доски, на которых можно стоять, скользя по снегу и льду или катясь на колесах по земле.

Теория

Воздушный змей — это привязанный воздушный щиток , который создает как подъемную силу, так и сопротивление, в данном случае прикрепленный к транспортному средству с помощью троса, который направляет лицевую часть воздушного змея для достижения наилучшего угла атаки. [12] Подъемная сила , которая поддерживает воздушный змей в полете, создается, когда воздух обтекает поверхность воздушного змея, создавая низкое давление над крыльями и высокое давление под ними. [13] Взаимодействие с ветром также создает горизонтальное сопротивление вдоль направления ветра. Результирующий вектор силы от компонентов подъемной силы и силы сопротивления противодействует натяжению одной или нескольких линий или тросов , к которым прикреплен воздушный змей, тем самым приводя в движение транспортное средство. [14]

Багги для кайта

Кайт -багги — это легкое, специально построенное транспортное средство, приводимое в движение мощным кайтом . Он одноместный и имеет одно управляемое переднее колесо и два фиксированных задних колеса. Водитель сидит на сиденье, расположенном в середине транспортного средства, и ускоряется и замедляется, применяя рулевые маневры в координации с летными маневрами кайта. Кайт-багги могут развивать скорость до 110 километров в час (68 миль в час). [ необходима цитата ]

Доска для кайтсерфинга

Доски для кайтбординга разного типа используются на суше или на снегу. Кайт-лэндбординг подразумевает использование горной доски или лэндборда — скейтборда с большими пневматическими колесами и петлями для ног. [ требуется цитата ] Сноукайтинг — это зимний вид спорта на открытом воздухе, в котором люди используют силу кайта для скольжения на доске (или лыжах) по снегу или льду. [ требуется цитата ]

С роторным приводом

InVentus Ventomobile с роторным двигателем принимает участие в гонках Aeolus Race 2008
Малая выходная мощность ветряной турбины

Транспортные средства с роторным приводом — это транспортные средства с ветровым приводом, которые используют роторы — вместо парусов — которые могут иметь кожух вокруг них ( вентилятор с каналом ) или представлять собой неконтурный пропеллер , и которые могут регулировать ориентацию, чтобы смотреть на вымпельный ветер. Ротор может быть соединен через приводную цепь с колесами или с генератором, который обеспечивает электроэнергией электродвигатели, которые приводят в движение колеса. Другие концепции используют ветряную турбину с вертикальной осью и аэродинамическими профилями, которые вращаются вокруг вертикальной оси. [15] Версия 1904 года использовала переделанный ротор из серийно выпускаемой ветряной мельницы с его передачей, соединенной с ведущими колесами. [16]

Теория

Транспортное средство с лопастным ротором, механически соединенным с колесами, может быть спроектировано для движения со скоростью, превышающей скорость ветра, как прямо против ветра, так и прямо по ветру. С наветренной стороны ротор работает как ветровая турбина , приводящая в движение колеса. С подветренной стороны он работает как пропеллер , приводимый в движение колесами. В обоих случаях мощность получается за счет разницы в скорости между воздушной массой и землей, которая принимается ротором или колесами транспортного средства. [17]

Относительно транспортного средства и воздух, и земля движутся в обратном направлении. Однако, двигаясь против ветра, воздух приближается к транспортному средству быстрее, чем земля, тогда как двигаясь по ветру быстрее, чем скорость ветра, воздух приближается к транспортному средству медленнее, чем земля. Транспортное средство получает мощность от более быстрой из двух сред в каждом случае и передает ее более медленной из двух: против ветра, получая мощность от ветра и передавая ее колесам, и по ветру, получая мощность от колес и передавая ее ротору — в каждом случае пропорционально скорости среды относительно транспортного средства. [17]

Вкратце: [17]

  • Против ветра ротор собирает энергию из набегающего воздуха и приводит в движение колеса, как это делает ветряная турбина.
  • По ветру, 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]

То, насколько быстро данная скорость ветра может двигать транспортное средство в любом направлении, ограничивается только эффективностью лопастей турбины , потерями в трансмиссии и аэродинамическим сопротивлением транспортного средства , помимо сопротивления турбины. [17]

Те же принципы применимы к водному транспортному средству, использующему ветровую турбину для приведения в действие гребного винта в воде против ветра [19] или использующему водяную турбину для приведения в действие гребного винта в воздушном потоке по ветру [20] .

Транспортные средства с фиксированным курсом

Соревнования по роторным транспортным средствам: Ventomobile и wind TURBINE готовятся к дрэг-гонке

Было проведено несколько соревнований для роторных транспортных средств. Среди них выделяется Racing Aeolus  [nl] , мероприятие, проводимое ежегодно в Нидерландах . Участвующие университеты создают заявки, чтобы определить лучшее и самое быстрое ветровое транспортное средство. [21] Правила таковы, что транспортные средства ездят на колесах с одним водителем, приводимым в движение ротором, соединенным с колесами. Разрешается временное хранение энергии, если оно пусто в начале гонки. Зарядка устройства хранения засчитывается как время гонки. Гонки проходят против ветра. Транспортные средства оцениваются по их самому быстрому пробегу, инновациям и результатам серии гонок с дрэгом . [22] В 2008 году участниками были: Штутгартский университет , Фленсбургский университет прикладных наук , Центр энергетических исследований Нидерландов , Датский технический университет , Кильский университет прикладных наук и Кильский университет имени Христиана Альбрехта . [23] Двумя наиболее успешными моделями стали «Ventomobile» и Spirit of Amsterdam (1 и 2) .

Вентомобиль

Ventomobile был ветряным легким трехколесным транспортным средством, разработанным студентами Штутгартского университета . Он имел карбоновую опору ротора, которая была направлена ​​на ветер, и лопасти ротора с переменным шагом, которые подстраивались под скорость ветра. Передача мощности между ротором и ведущими колесами осуществлялась через две велосипедные коробки передач и велосипедную цепь. [24] Он выиграл первый приз на гонках Racing Aeolus, проходивших в Ден-Хелдере , Нидерланды , в августе 2008 года. [23]

Дух Амстердама

Ветродвигатели 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 выиграла первый приз на гонках Racing Aeolus, проходивших в Дании. [25] Spirit of Amsterdam 2 был вторым автомобилем, построенным Hogeschool van, Амстердам. Он использовал ветряную турбину для захвата скорости ветра и использовал механическую энергию для движения автомобиля против ветра. Это транспортное средство было способно двигаться со скоростью 6,6 метра в секунду (15 миль в час) при ветре 10 метров в секунду (22 мили в час). Бортовой компьютер автоматически переключал передачи для достижения оптимальной производительности. [26]

Прямолинейные транспортные средства

Ветромобиль Blackbird был разработан для движения по ветру со скоростью, превышающей скорость ветра.

Некоторые ветромобили 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 Уэбстера, Южная Дакота, продемонстрировал транспортное средство с винтовым приводом, которое могло двигаться против ветра. [27]

В 1969 году Эндрю Бауэр — инженер аэродинамической трубы компании Douglas Aircraft — построил и продемонстрировал винтовой летательный аппарат, который мог двигаться прямо по ветру быстрее скорости ветра, что было записано на видео. [28] Он опубликовал концепцию в том же году. [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 — создал игрушечную модель на основе этой конструкции, которая помещалась на беговой дорожке, и отправил видеозапись на видеоконкурс Mythbusters. [31]

В 2010 году Кавалларо построил и пилотировал ветровой летательный аппарат Blackbird [32] в сотрудничестве с авиационным факультетом Университета штата Сан-Хосе в проекте, спонсируемом Google , чтобы продемонстрировать возможность движения по ветру со скоростью, превышающей скорость ветра. [33] Он достиг двух подтвержденных результатов, двигаясь как по ветру, так и против ветра со скоростью, превышающей скорость преобладающего ветра.

  • По ветру — В 2010 году Blackbird установил первый в мире сертифицированный рекорд по движению по ветру быстрее ветра, используя только энергию ветра . [28] Аппарат достиг скорости по ветру, примерно в 2,8 раза превышающей скорость ветра. [34] [35] [36] В 2011 году обтекаемый Blackbird достиг скорости, почти в 3 раза превышающей скорость ветра. [33]
  • Upwind — В 2012 году Blackbird установил первый в мире сертифицированный рекорд по движению против ветра быстрее ветра, используя только энергию ветра. Аппарат достиг скорости против ветра, примерно в 2,1 раза превышающей скорость ветра. [34]

С тех пор Blackbird анализировался несколько раз, в научных работах [37] и на Международной физической олимпиаде 2013 года [38] , а в 2021 году была воссоздана рабочая модель игрушки с помощью инструкций по 3D-печати [39].

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Кимбалл, Джон (2009). Физика парусного спорта . CRC Press. стр. 296. ISBN 978-1466502666.
  2. ^ Клэнси, Л. Дж. (1975), Аэродинамика , Лондон: Pitman Publishing Limited, стр. 638, ISBN 0-273-01120-0
  3. ^ Джобсон, Гэри (1990). Тактика чемпионата: как любой может плыть быстрее, умнее и выигрывать гонки . Нью-Йорк: St. Martin's Press. С. 323. ISBN 0-312-04278-7.
  4. ^ ab Bethwaite, Frank (2007). Высокопроизводительный парусный спорт . Adlard Coles Nautical. ISBN 978-0-7136-6704-2.
  5. ^ Гарретт, Росс (1996). Симметрия парусного спорта: физика парусного спорта для яхтсменов. Sheridan House, Inc. стр. 268. ISBN 9781574090000.
  6. ^ "Начинаются чемпионаты по гонкам на песчаных яхтах". BBC New, Великобритания. 16 сентября 2007 г. Получено 28 января 2017 г. Более 100 пилотов из восьми стран будут гоняться по пескам со скоростью до 60 миль в час.
  7. ^ "Рекордный ветровой автомобиль дает представление о будущем". EngioneerLive.com . 21 февраля 2013 г. Получено 28.01.2017 .
  8. ^ "Автомобиль на ветровом топливе побил рекорд". BBC New, Великобритания. 27 марта 2009 г. Получено 28 января 2017 г.
  9. ^ Вердон, Майкл (12.12.2022). «Эта команда Кубка Америки только что побила мировой рекорд скорости на наземной яхте». Отчет Робба . Получено 03.04.2023 .
  10. ^ Джонстон, Дункан (13 апреля 2023 г.). «Команда Новой Зеландии снова побила мировой рекорд скорости на суше». Stuff . stuff.co.nz . Получено 23 апреля 2023 г.
  11. ^ Дилл, Боб (март 2003 г.), «Проект парусной яхты для максимальной скорости» (PDF) , 16-й Чесапикский симпозиум парусных яхт, Аннаполис: SNAME
  12. ^ Иден, Максвелл (2002). Великолепная книга о воздушных змеях: исследования в области дизайна, строительства, наслаждения и полета . Нью-Йорк: Sterling Publishing Company, Inc. стр. 18. ISBN 9781402700941.
  13. ^ "Руководство для начинающих по аэронавтике". NASA . Получено 2012-10-03 .
  14. ^ Воглом, Гилберт Тоттен (1896). Паракиты: Трактат о создании и запуске бесхвостых воздушных змеев для научных целей и для отдыха . Патнэм. OCLC  2273288. OL  6980132M.
  15. ^ Кассем, Юсеф; Чамур, Хусейн (март 2015 г.), «Автомобиль с ветровой турбиной использует 3 одиночные большие лопасти С-образного сечения» (PDF) , Труды , Дубай: Международная конференция по авиационной и производственной технике
  16. ↑ Popular Mechanics. Том 6. Hearst Magazines. Октябрь 1904 г. стр. 1009.
  17. ^ abcd Гаунаа, Мак; Эйе, 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 )
  18. ^ "Научный YouTube-блогер выиграл пари на 10 000 долларов у физика ради ветромобиля". News18 . 2021-07-02 . Получено 2021-07-02 .
  19. ^ Блэкфорд, Б. Л. (1978), «Физика лодки, которая движется по принципу «тяни-меня-толкай-себя»» (PDF) , Американский журнал физики 46(10), октябрь 1978 г.
  20. ^ Дрела, Марк. "Анализ по ветру быстрее ветра (DFTTW)" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 ноября 2010 г. . Получено 15 июня 2010 г. .
  21. ^ "Автомобиль на ветру едет против ветра". CAN Newsletter Online . CAN in Automation (CiA). Декабрь 2016. Получено 28.01.2017 .
  22. ^ Мюэс, Суэлл (октябрь 2014 г.). «Правила гонок Aeolus 2015» (PDF) . www.windenergyevents.com . События в области ветроэнергетики . Получено 29.01.2017 .
  23. ^ ab Hanlon, Mike (7 сентября 2008 г.). "Первая замечательная гонка для ветромобилей". newatlas.com . New Atlas . Получено 27.01.2016 .
  24. ↑ Университет Штутгарта (28 августа 2008 г.). «Ветромобиль 'Ventomobile' занял первое место в гонке». ScienceDaily.com . Получено 30 августа 2008 г.
  25. ^ Гаунаа, Мак; Миккельсен, Роберт; Скшипински, Витольд. "Wind Turbine Race Report 2010" (PDF) . Получено 08.06.2011 .
  26. ^ Факультет (2017). "ТЕХНИЧЕСКИЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ". Амстердамский университет прикладных наук . Высшая школа Амстердама . Получено 28.01.2017 . Spirit of Amsterdam 2 был вторым транспортным средством, построенным Высшей школой Амстердама. Он использовал ветряную турбину (первоначально разработанную «DonQi Urban Windmill») для захвата скорости ветра и использовал механическую энергию для движения транспортного средства против ветра.
  27. ↑ Popular Mechanics Год 1904 Том 6 Выпуск 10 Страница 1009
  28. ^ ab Кавалларо, Рик (27 августа 2010 г.). «Долгое, странное путешествие по ветру быстрее ветра». Wired . Получено 14 сентября 2010 г.
  29. ^ Бауэр, Эндрю (1969). «Быстрее ветра» (PDF) . Марина-дель-Рей, Калифорния: Первый AIAA. Симпозиум по парусному спорту., Фотография Бауэра с его тележкой. Архивировано 15.03.2016 на Wayback Machine
  30. ^ DDFTTW , получено 2021-07-08[ мертвая ссылка на YouTube ]
  31. ^ Мифический вызов Downwind Faster than the Wind (DWFTTW), заархивировано из оригинала 21.12.2021 , извлечено 08.07.2021
  32. ^ Барри, Кит (3 июня 2013 г.). «Продается: рекордная тележка для движения по ветру. Малый пробег, новый пропеллер». WIRED . Получено 22.03.2018 .
  33. ^ ab Адам Фишер (28 февраля 2011 г.). «Попытка одного человека обогнать ветер». Wired.
  34. ^ ab "Попытки установить рекорд по прямой по ветру". NALSA. 2 августа 2010 г. Получено 6 августа 2010 г.
  35. ↑ Корт, Адам (5 апреля 2010 г.). «Бегущий быстрее ветра». sailmagazine.com . Получено 6 апреля 2010 г. .
  36. ↑ Барри, Кит (2 июня 2010 г.). «Автомобиль на ветру движется по ветру быстрее ветра». wired.com . Получено 1 июля 2010 г.
  37. ^ "Анализ транспортного средства с винтом по направлению ветра" (PDF) . Международный журнал научных и исследовательских публикаций, том 3, выпуск 4. 1 апреля 2013 г.
  38. ^ «Решения олимпиады по физике США 2013 года» (PDF) .
  39. ^ Профессор физики поспорил со мной на 10 000 долларов, что я не прав, заархивировано из оригинала 21.12.2021 , извлечено 08.07.2021
  • Видеоролик Эндрю Бауэра о ветродвигателе (1969)
  • Гонка наперегонки с ветром, победаDTUrbineracer против Inventus, Штутгарт
  • Противоречивые характеристики наземных и морских яхт
  • Грузовое судно с парусным двигателем «демонстрирует потенциал ветра». BBC News. Опубликовано 13 марта 2024 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ветроэнергетическое_средство&oldid=1239396090"