Велосипед — 2
Мы уже обсуждали попаданческий велосипед, попробуем вернуться к теме, добавив немного конкретики.
Для начала вспомним школьные основы трибологии(науки о трении). Сила трения часто прямо пропорциональна силе давления тел. Коэффициент этой пропорции называют коэффициентом трения. Например, мы тянем деревянный брус весом 100 кг по деревянному полу. Средний коэффициент сухого трения скольжения дерева по дереву — 0,33. Значит, для поддержания скольжения нам понадобится прикладывать усилие в 33 кгс. Поскольку психологически значения в диапазоне 1-1000 проще воспринимаются человеком чем значения в диапазоне 0.001-1, все значения коэффициента трения дальше будут даваться в тысячных. Например упомянутый выше коэффициент 0,33 — это 330 тысячных.
Аналогично можно оценивать и общую эффективность транспортных средств — просто делим тягу, необходимую для поддержания движения на массу транспорта с грузом. Полученная величина прямо характеризует эффективность транспорта — если коэффициент вдвое меньше то и затраты энергии на тоннокилометр вдвое меньше(строго говоря еще важно отношение массы груза к массе конструкции).
Скажем, аэродинамическое качество равное 10-20 значит что для поддержания горизонтального полета двигатели самолета должны создавать тягу в одну десятую/двадцатую его веса(или, с выключенными двигателями, самолет должен терять метр высоты на десять метров пути). Таким образом затрата энергии на полет эквивалентна волочению самолета по поверхности с коэффициентом трения 50-100 тысячных.
70 килограммовый человек на скорости 5 км/ч затрачивает мощность 60 Ватт, на скорости 5 км/ч. Т.е. эффективность пешехода можно выразить коэффициентом трения порядка 62 тысячных(при ускорении/переносе груза еще больше, уже на 6 км/ч эффективность падает до 84).
Легковая машина весом в тонну при 6 литрах на 100 км — порядка 60.
Поезд — ~ 2.
Супертанкер — < 1.
Трение скольжения деревянного колеса на деревянной оси будет порядка 330 тысячных, по металлу даже больше — до 375(по-видимому, металлические втулки использовались скорее для улучшения износостойкости), но при добавлении смазки(деготь и сало) уменьшается вчетверо — до 72-75. Баббит в подшипниках скольжения уменьшил трение еще в 4-8 раз — до 20-10, а в шариковых подшипниках трение упало до нескольких тысячных. Но это именно трение на оси! Колесо действует аналогично рычагу — когда телега или велосипед проходит метр пути, то трущиеся поверхности оси перемещаются на намного меньшие расстояния — прямо пропорционально разнице диаметров колеса и оси. Т.е. метровое колесо и 3 см ось дадут примерно 10 тысячных даже при простейшем несмазанном деревянном колесе/оси.
Значат ли эти цифры что древняя телега была в десятки раз хуже телеги начала 20 века? Нет. Если мы посмотрим на коэффициент движения при движении современной машины или велосипеда по грунтовой дороге то увидим цифры порядка 30 тысячных — это явно намного больше трения в подшипнике. Откуда это дополнительное трение? Есть еще такая штука как трение качения. Колесо и поверхность чуть деформируются и колесу приходится постоянно выкатываться из небольшой ямки(плюс силы адгезии — колесо и поверхность немного прилипают друг к другу). Для грунтовой дороги это 20-80 тысячных, обычно берут примерно 30. Нетрудно заметить что трение качения на самой лучшей грунтовой дороге больше трения в оси самого грубого колеса.
Для сравнения, трение качения типичной гравийной дороги 19 века сравнимо с трением качения по хорошей грунтовке. Но гравийная дорога не раскисает после дождя, увеличивая потери в 3-4 раза. Для римских дорог данных нет — но, думаю, также сравнимо с лучшей грунтовкой. Асфальт и бетон — 10-15 тысячных, в два-три раза меньше, а трение качения по железной дороге 0.5-2 тысячных — в 15-60 раз меньше!
Мы уже можем прийти к первому интересному выводу — подшипники не так важны для попаданческого велосипеда(или для телеги)! Деревянное смазанное колесо с отношением к диаметру оси 30/1 создаст трение порядка 2.5 тысячных. Современный велосипед на типичной грунтовке даст 30 тысячных, велосипед попаданца 32.5 — разница порядка 10%! С баббитом и вовсе пара процентов разницы. Гораздо важнее весовое совершенство транспорта.
Строго говоря, трение качения зависит не только от поверхности, но и от колеса, так что надо еще показать что трение качения попаданческого колеса будет сравнимо с трением качения современного.
Посмотрим на данные французских армейских испытаний 1837-1841 годов. Цифры в таблице — фунты тяги на короткую тонну веса. В короткой тонне 2000 фунтов, так что просто делите пополам и вы получите коэффициент трения в тысячных.
Видно что цифры для грунтовой дороги колеблются от 22 до 38 тысячных. В худшем случае деревянное колесо добавляет 10-20%.
В общем попаданцу можно смело рассчитывать на 33-35 тысячных. Для пешехода, как мы помним, мы получили 62-84. Да здравствует велосипед? К сожалению, велосипедист расходует энергию не только на перевозку себя и груза, но и на движение велосипеда. Уже 20 килограммовый велосипед с 70 кг седоком эквивалентен невесомому, но с потерями на трение в 45 тысячных, а 30-40 кг опустят показатели до 50-55. В общем второй вывод можно сделать уже сейчас — в отсутствие идеально твердых и сухих грунтовок(а лучше бетонных дорог, проложенных … магическими слизнями) велосипед явно не произведет переворота в транспорте.
Припомним историю велосипеда. В 18 веке отмечается множество попыток создания транспорта на человеческой тяге. Но все они похожи друг на друга как родные братья: четырехколесная повозка с двумя седоками, лишь один из них(слуга) прикладывает усилия, механизм чудовищно переусложнен. В 1817 барон Карл фон Дрез создает дрезину — двухколесный самокат весом порядка 20 килограммов с сиденьем. Трудно понять что потребовало от него больше смелости — решение создать неустойчивую конструкцию на двух колесах или решение заставить джентльмена прикладывать физические усилия. В течении пары лет было построено порядка тысячи дрезин, но затем интерес к ним угас. Один из рекордов дрезины — пробег 4 джентльменов от Брингтона до Лондона(95 км) за 12 часов(средняя скорость 8 км/ч). Затем в течении 45 лет никакого прогресса, если не вспоминать о малодостоверной модели МакМиллана, якобы созданной в 1839. Наконец, одному французу(честь изобретения оспаривают сразу трое) приходит в голову прикрепить к переднему колесу дрезины пару педалей — идея завоевывает сторонников и через 5 лет начинается велосипедный бум. Сейчас то любой «знаток» объяснит что лишь туманный технический прогресс позволил приделать педали 45 лет спустя, только вот всех современников поражала простота изобретения.
Первые несколько лет деревянные велосипеды вполне успешно конкурировали со склонными к образованию трещин железными. На иллюстрации ниже вы можете увидеть одну из первых деревянных моделей, участвовавшую в 500 км пробеге Лион-Париж. Весили они порядка 30-40 килограммов — в полтора-два раза тяжелее дрезины, что, по-видимому, объясняется большим диаметром колес.
Примитивное подрессоривание и отсутствие надувных шин делало езду не слишком комфортной — велосипеды часто называли костотрясами. Использование спиц работающих на растяжение сразу облегчило велосипед до 20 килограммов и позволило увеличить диаметр колеса. Большое колесо позволяло развивать высокую скорость и неплохо пружинило, что делало езду куда комфортнее. Так родился велосипед пенни-фартинг, он же велосипед-паук. Дальнейшая история нам мало интересна по причине сильного усложнения технологии.
В общем, если вы хотите представить себе характеристики попаданческого велосипеда, прокатитесь по лесной тропинке на современном … с 30-50 кг мешком цемента. Это лучше чем ходить пешком, особенно если надо тащить солидный груз, но разница не так велика как хотелось бы. У типичного потребителя доиндустриальных времен — небогатого крестьянина нет ни денег ни умений для изготовления велосипеда. Конечно те времена изобиловали бродячими торговцами — им бы велосипед определенно приглянулся… Если бы у нас только был пример использования деревянных двухколесных транспортных средств … и он у нас есть! Знакомьтесь — chukudu, деревянный грузовой самокат из Конго(и не только).
Современные чукуду используют автомобильные подшипники, но их предки использовали обычные деревянные оси, смазанные пальмовым маслом. И несмотря на отсутствие покраски/лакировки они служат примерно 2-3 года. Такая поделка стоит порядка 50-100 долларов(в основном — труд мастера), так что даже минимальное усложнение конструкции переведет его в одну ценовую категорию с китайским велосипедом — имхо, именно поэтому чукуду использует примитивные цельные колеса и не использует педали. В отсутствие высокотехнологических конкурентов мы бы обязательно увидели не только простейшие самокаты-тележки но и полноценные деревянные велосипеды.
Самые интересные источники:
Bicycle: The History, by David V. Herlihy
A Treatise on Roads and Pavements by Ira Osborn Baker
Draft of farm wagons
Обсуждение на FAI
Клиометрика. Животная сила (часть 2)
Коэффициенты трения [1], [2]
Источник: Попаданцев.Нет