Ветровое транспортное средство

Ветровые транспортные средства получают свою силу от парусов, воздушных змеев или роторов и катаются на колесах, что может быть связано с ветровым двигателем или бегунами. Независимо от того, питаются ли вы от паруса, кайта или ротора, эти транспортные средства имеют общую черту: по мере того, как транспортное средство увеличивается в скорости, наступающий аэродинамический профиль сталкивается с растущим кажущимся ветром под углом атаки, который становится все меньше. В то же время такие транспортные средства подвержены относительно низкому прямому сопротивлению по сравнению с традиционными парусными кораблями. В результате такие транспортные средства часто имеют скорость, превышающую скорость ветра.

Примеры, приводимые в действие ротором, продемонстрировали скорость земли, превышающую скорость ветра, как непосредственно на ветру, так и непосредственно по ветру, передавая мощность через привод между ротором и колесами. Ведомая скорость записи – на транспортном средстве с парусом на нем, Greenbird, с рекордной максимальной скоростью 202,9 километра в час (126,1 миль / ч).

Другие ветровые транспортные средства включают парусные суда, которые путешествуют по воде, а также воздушные шары и парусники, которые путешествуют в воздухе, все из которых выходят за рамки данной статьи.

Парус-питание
Парусные транспортные средства передвигаются по суше или льду при кажущейся скорости ветра, которая выше, чем истинная скорость ветра, прикрытая в большинстве точек паруса. Обе наземные яхты и ледовые катера имеют низкое прямое сопротивление скорости и боковое сопротивление боковому движению.

теория
Аэродинамические силы на парусах зависят от скорости и направления ветра, скорости и направления судна (VB). Направление движения корабля относительно истинного ветра (направление ветра и скорость над поверхностью – VT) называется точкой паруса. Скорость корабля в данной точке паруса способствует видимому ветру (VA) – скорости и направлению ветра, измеренным на движущемся судне. Видимый ветер на парусе создает общую аэродинамическую силу, которая может быть разделена на сопротивление – составляющая силы в направлении видимого ветра и подъема – нормальная составляющая силы (90 °) к кажущемуся ветру. В зависимости от выравнивания паруса с видимым ветром, подъем или перетаскивание могут быть преобладающим пропульсивным компонентом. Суммарная аэродинамическая сила также переходит в переднюю, пропульсивную, движущую силу, сопротивляемую средой, через которую проходит корабль (например, через воду, воздух или над льдом, песком), и поперечную силу, сопротивляемую колесами или ледорубы транспортного средства.

Поскольку ветровые транспортные средства обычно плавают при кажущихся углах ветра, совмещенных с передней кромкой паруса, парус действует как аэродинамический профиль, а подъем является преобладающим компонентом движения. Низкое прямое сопротивление движению, высокие скорости по поверхности и высокое боковое сопротивление помогают создавать высокие видимые скорости ветра – с более близким выравниванием видимого ветра до курса, пройденного для большинства точек паруса, – и позволяют ветровым транспортным средствам достичь более высоких скоростей чем обычные парусные суда.

Земляная яхта
Пейзаж парусного спорта развивался от новизны, начиная с 1950-х годов, прежде всего в спорте. Транспортные средства, используемые при парусном спорте, известны как сухопутные или песчаные яхты. Обычно они имеют три (иногда четыре) колеса и функционируют так же, как парусник, за исключением того, что они работают с сидячего или лежачего положения и управляются педалями или ручными рычагами. Плавание на суше лучше всего подходит для ветреных плоских участков; часто проводятся гонки на пляжах, аэродромах и сухих озерах в пустынных районах.

Greenbird, автомобиль с парусным двигателем, спонсируемый Ecotricity, в 2009 году нарушил мировой рекорд скорости ветра для ветрового транспортного средства с рекордной скоростью 202,9 километра в час (126,1 миль в час), опередив предыдущий рекорд со скоростью 116 миль в час (187 км / ч), установленный Шумахером из Соединенных Штатов, верхом на железной утке в марте 1999 года.

Ледовый катер
Конструкции на лодках обычно поддерживаются тремя коньками, называемыми «бегунами», поддерживающими треугольную или крестообразную раму с передним рулевым управлением. Направляющие выполнены из железа или стали и заострены до тонкого края, чаще всего разрезаются на угловой угол 90 градусов, который держится на льду, предотвращая проскальзывание в боковом направлении от ветра, создаваемого парусами. Как только боковая сила эффективно противодействует краю бегуна, оставшаяся сила «парусного подъема» вакуумирует лодку вперед со значительной мощностью. Эта мощность увеличивается по мере увеличения скорости лодки, позволяя лодке идти намного быстрее, чем ветер. Ограничения на скорость ледяной лодки – это ветры, трение, развал формы паруса, прочность конструкции и качество поверхности льда. Ледяные лодки могут плыть на 7 градусов от видимого ветра. Лодочные суда могут достигать скорости, равной десятикратной скорости ветра в хороших условиях. Во время гонок международные лодочные шлюпки DN часто достигают скорости 48 узлов (89 км / ч, 55 миль в час), а скорость достигает 59 узлов (109 км / ч, 68 миль в час).

Кайт-питание
Автомобили с кайтом включают в себя багги, в которые можно входить, и доски, на которых можно стоять, когда они скользят по снегу и льду или катятся на колесах по суше.

теория
Кайт – это привязанная воздушная пленка, которая создает как подъем, так и сопротивление, в этом случае привязанное к транспортному средству с тросом, которое направляет лицо кайта для достижения наилучшего угла атаки. Подъем, который поддерживает воздушный змей в полете, создается, когда воздух течет вокруг поверхности змея, создавая низкое давление выше и высокое давление ниже крыльев. Взаимодействие с ветром также создает горизонтальное сопротивление вдоль направления ветра. Результирующий вектор силы от компонентов подъема и сопротивления тяги противостоит натяжению одной или нескольких линий или тросов, к которым прикреплен кайт, тем самым приводя в действие транспортное средство.

Кайт-багги
Кайт-багги – легкий, специально созданный автомобиль, оснащенный энергетическим змеем. Он односторонний и имеет одно управляемое переднее колесо и два фиксированных задних колеса. Водитель сидит на сиденье, расположенном посредине автомобиля, и ускоряется и замедляется, применяя маневры рулевого управления в координации с летающими маневрами кайта. Кайт-багги могут достигать 110 километров в час (68 миль в час).

Кайт-борт
Кайт-доски различного назначения используются на суше или на снегу. Kate landboarding предполагает использование горного борта или сухопутного борта – скейтборда с большими пневматическими колесами и ремнями для ног. Снежный кайт – это открытый зимний вид спорта, в котором люди используют энергию кайта, чтобы скользить по доске (или лыжам) по снегу или льду.

Ротор с питанием
Моторы с приводом от ротора – это ветровые транспортные средства, в которых используются роторы, а не паруса, которые могут иметь кожух вокруг них (воздуховод вентилятора) или представляют собой неработающий гребной винт, и которые могут регулировать ориентацию, чтобы противостоять видимому ветру. Ротор может быть подключен через привод к колесам или к генератору, который обеспечивает электроэнергию электродвигателям, которые приводят колеса. В других концепциях используется вертикальная ветровая турбина с аэродинамическими профилями, которые вращаются вокруг вертикальной оси.

теория
Gaunaa, et al. описывают физику автомобилей с ротором. Они описывают два случая: один с точки зрения земли, а другой с точки зрения воздушного потока и выводят те же выводы из обеих систем отсчета. Они заключают, что (помимо сил, которые сопротивляются движению вперед):

Нет теоретического верхнего предела того, как быстро роторный корабль может идти прямо по ветру.
Точно так же нет теоретического верхнего предела того, как быстро роторное судно может идти прямо по ветру.

Эти выводы касаются как сухопутных, так и водных судов.

Требуется для движения по ветру (или водного судна):

Две массы движутся относительно друг друга, например, воздух (как ветер) и земля (земля или вода).
Возможность изменять скорость любой массы с помощью пропеллера или колеса.

В случае автомобиля с ротором имеется приводная связь между ротором и колесами. В зависимости от своей системы отсчета – земной поверхности или движения с воздушной массой – описание того, насколько кинетическая энергия, доступная для автомобиля, отличается:

Как видно из точки зрения Земли (например, зрителем), ротор (действующий как ветровая турбина) замедляет воздух и вращает колеса против земли, что он незаметно ускоряется.
Как видно из предпочтительной точки воздушного потока (например, воздухоплавателем), колеса препятствуют замедлению транспортного средства, незаметно затормаживая землю, и приводят в действие ротор (действующий как пропеллер), который ускоряет воздух и продвигает транспортное средство.

Соединение между колесами и ротором приводит к тому, что ротор вращается быстрее с увеличением скорости транспортного средства, тем самым позволяя лезвиям ротора продолжать получать передний подъем от ветра (как видно из земли) или продвигать транспортное средство (как видно из воздушный поток).

В 2009 году Марк Дрела – профессор аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института – выпустил первые уравнения, демонстрирующие осуществимость «Dead-Downwind Faster Than The Wind (DDWFTTW)». Другие авторы пришли к такому же выводу.

Машины с фиксированным курсом
Было проведено несколько соревнований для автомобилей с ротором. Примечательным среди них является Racing Aeolus, мероприятие, проводимое ежегодно в Нидерландах. Участвующие университеты строят записи, чтобы определить лучший и быстрый ветер. Правила состоят в том, что автомобили ездят на колесах, причем один водитель, приводимый в движение ротором, соединен с колесами. Временное хранение энергии разрешено, если оно пуст в начале гонки. Зарядка устройства хранения учитывается как время гонки. Гонки проходят к ветру. Транспортные средства оцениваются по их наивысшей перспективе, нововведениям и результатам серии перетаскиваний. В 2008 году абитуриенты были из: Университета Штутгарта, Университета прикладных наук им. Фленсбурга, Центра исследований энергетики Нидерландов, Технического университета Дании, Университета прикладных наук Киля и Кристианского Альберхского университета Киля. Два лучших исполнителя были «Ventomobile» и Spirit of Amsterdam (1 и 2).

Ventomobile
Ventomobile был легким трехколесным двигателем с ветром, разработанным студентами Университета Штутгарта. Он имел опору ротора с углеродным волокном, которая была направлена ​​в ветровые и перекладинные лопасти ротора, которые регулируют скорость ветра. Передача мощности между ротором и ведущими колесами проходила через два велосипедных редуктора и велосипедную цепь. Он выиграл первый приз в гоночном Aeolus, который состоялся в Ден Хелдер, Нидерланды, в августе 2008 года.

Дух Амстердама
Воздушные транспортные средства с ветром Духа Амстердама и Духа Амстердама 2 были построены Hogeschool van Amsterdam (Университет прикладных наук в Амстердаме). В 2009 и 2010 годах команда Spirit of Amsterdam выиграла первый приз в гоночном Aeolus, который состоялся в Дании. Дух Амстердама 2 был вторым автомобилем, построенным фургоном Hogeschool, Амстердам. Он использовал ветряную турбину для захвата скорости ветра и использовал механическую мощность для продвижения автомобиля против ветра. Этот автомобиль способен вести 6,6 м в секунду (15 миль / ч) со скоростью 10 метров в секунду (22 мили в час). Бортовой компьютер автоматически переключает передачи для достижения оптимальной производительности.

Прямые транспортные средства
Некоторые ветровые транспортные средства построены исключительно для демонстрации ограниченного принципа, например, способность идти по ветру или по ветру быстрее, чем преобладающая ветряная скорость.

В 1969 году Марк Бауэр (Mark Bauer) – инженер аэродинамической трубы для компании Douglas Aircraft Company и продемонстрировал транспортное средство, чтобы ехать прямо по ветру быстрее, чем скорость ветра, которая была записана в видео. Он опубликовал концепцию в том же году.

В 2010 году Рик Кавалларо, инженер аэрокосмической техники и компьютерный технолог, построил и опробовал автомобиль с ветровым двигателем Blackbird в сотрудничестве с авиационным отделом Университета штата Сан-Хосе в рамках проекта, спонсируемого Google, чтобы продемонстрировать возможность прямого перехода по ветру быстрее ветра. Он достиг двух подтвержденных вех, и они двинулись как прямо по ветру, так и на ветру быстрее, чем скорость преобладающего ветра.

Downwind. В 2010 году Blackbird установила первую в мире сертифицированную запись для перехода непосредственно по ветру быстрее ветра, используя только энергию ветра. Автомобиль достиг мертвой скорости ветра в 2,8 раза быстрее скорости ветра. В 2011 году обтекаемая черная птица достигла в 3 раза скорости ветра.
Upwind-In 2012, Blackbird установили первый в мире сертифицированный рекорд для того, чтобы идти прямо по ветру быстрее ветра, используя только энергию ветра. Автомобиль достиг мертвой скорости ветра, примерно в 2,1 раза превышающей скорость ветра.