|
Как улучшить велосипед?
Аннотация
Описан новый привод колеса велосипеда, который уменьшает примерно
на 30% затраты работы велосипедиста при его езде в сравнении с обычным
велосипедом. Этот привод может быть применен в устройствах для реабилитации
людей с проблемами суставов ног и рук.
The summary
The new drive of a wheel of a bicycle which reduces approximately
by 30 % of an expense of work of the bicyclist at his driving in
comparison with a usual bicycle is described. This drive can be
applied in devices for rehabilitation of people with problems of
joints of legs and hands.
Современная история велосипеда насчитывает более 200 лет , хотя
изображения нечто подобного велосипеду встречается на стенах развалин
Древнего Египта , Вавилона , Помпеи. По свидетельству российских
историков велосипед был изобретен неким Шамшуренковым в 1752 году.
Этот самородок подал в Сенат проект "самобеглой коляски",
получил для реализации проекта "кормовых денег по 10 копеек
на день" и действительно создал нечто похожее на велосипед.
Однако, историю велосипеда принято отсчитывать с 1791 года , когда
граф де Сиврак построил деревянную машину с двумя колесами , расположенными
последовательно, они соединялись брусом , на котором находилось
сидение. Желающий прокатиться садился верхом на брус и передвигался,
отталкиваясь ногами от земли (рис 1). С тех пор, до наших дней,
не прекратился процесс совершенствования велосипеда; перечень изобретений,
относящихся к велосипеду, насчитывает более 20 тысяч наименований.
В числе этих изобретений можно отметить наиболее важные: по одним
данным в 1836 году Г. Дальзелем, а по другим - в 1839 году К. Макмилланом
, были изобретены педали (с помощью педалей рычагами приводилось
заднее колесо. Таким образом ездок избавлялся от необходимости отталкиваться
от земли ногами); в 1868 году парижская фирма "Мейер и Ко"
выпустила велосипед с цепным приводом на заднее колесо; к этому
же времени относятся применение подшипников качения , появление
колес со тонкими спицами и резиновой обивкой обода колеса. Скорость,
с которой совершенствовался велосипед, характеризуется следующими
данными : к 1892 году во Франции было выдано 1000 патентов, относящихся
к велосипеду, в Англии - 2400, в США - 4000. Последним крупным изобретением
, по нашему мнению, явилось появление в середине 20 века цепной
системы передач с несколькими ведущими и ведомыми звездочками и
механизмом перекидки цепи с одной пары звездочек на другую; таким
образом появилась возможность менять передаточное число цепной передачи
и тем самым оптимизировать усилии велосипедиста в зависимости от
профиля дороги или по другим причинам.
На рубеже 20 века наблюдается первый всплеск моды на велосипед.
Так, если в 1869 году в Париже насчитывалось 1300 велосипедов, то
к началу нового столетия их стало в 500 раз больше. В США в 1895
году было выпущено 1,25 миллионов велосипедов. Второй пик популярности
пришелся на 60-ые годы 20 века. Этот бум был связан с идеей сохранения
окружающей среды и здорового образа жизни .Немалая роль в развитии
моды на велосипед принадлежит возросшим ценам на нефть. По некоторым
данным в настоящее время ежегодно в мире выпускается около 100 миллионов
велосипедов различного назначения.
Современный велосипед, например, дорожный, горный , не говоря уже
о гоночном, поражает совершенством конструкции каждой детали , применением
современных технологий и материалов; высокопрочные стали, алюминий,
титан не редкость в велосипеде. Создается впечатление, что инженерная
мысль в данном случае достигла предела , возможности совершенствования
велосипеда исчерпаны.
Да, это так, такое мнение очень распространено. Не случайно появилась
поговорка "изобрести велосипед". Ею пользуются, чтобы
характеризовать давно известное и реализованное предложение. Тем
не менее мы здесь намерены представить такое изменение в конструкции
велосипеда , которое существенно уменьшит затраты работы велосипедиста
на езду, то есть придаст новое важное свойство в уже известный и
всесторонне изученный велосипед.
В числе важных изобретений, относящихся к велосипеду, мы назвали
цепную систему передач. Это, пожалуй, единственное изобретение широко
применяемое в настоящее время для оптимизации усилий велосипедиста
при езде. Отметим одну особенность этой оптимизации. При изменении
передаточного числа в цепной передаче велосипеда меняется сила ,
которая необходима для движения, одновременно меняется и скорость
движения. При этом произведение силы на скорость остаются такими
же , как и до изменения передаточного числа, ибо произведение силы
на скорость есть мощность, а она должна бать принята величиной постоянной
для данного велосипедиста. Таким образом, например, при движении
в гору велосипедист меняет передаточное число в цепной передаче,
чтобы увеличить силу на ведущем колесе велосипеда, необходимую для
преодоления подъема, одновременно при этом уменьшается скорость
движения велосипеда таким образом, что произведение силы на скорость
остается величиной постоянной.
Наше предложение, которое мы намерены здесь описать, не связано
с передаточными числами в цепной передаче, а относится к оптимизации
работы ноги велосипедиста, действующей на педаль. Несовершенство
работы ноги велосипедиста мы видим во вращательном движении педалей,
в то время как направление силы ноги велосипедиста следует в первом
приближении принять постоянной по направлению, т.е. действующей
на педаль вертикально вниз. При таком вращательном движении периодически
появляться положения педали, когда линия действия силы проходит
через центр вращения педалей. Эти положения называются "мертвыми",
потому что момент силы в этих положениях равен нулю.
Моментом силы в механике называют произведение силы на плечо действия
силы, т.е. на кратчайшее расстояние от центра вращения до линии
действия силы. Именно момент силы совершает работу при вращательном
движении. Если момент силы равен нулю, то и работа силы равна нулю,
хотя сама сила вовсе не равна нулю. Итак, в "мертвых"
положениях и в близких к ним сила ноги велосипедиста не совершает
полезной работы; в этом мы видим принципиальный недостаток передачи
движения в велосипеде. Он является следствием вращения педалей.
Поэтому суть нашего предложения сводится к тому, чтобы заменить
вращательное движение педалей на их качательные движения , таким
образом чтобы педали никогда не занимали "мертвых" положений
или близких к ним.
Первое возражение, которое мы слышим от наших оппонентов, состоит
в том, что якобы вращательное движение педалей является привычным
и, даже, наиболее естественным. Можно согласиться, что , действительно
, вращение педалей является привычным, но мы не можем согласиться
с тем, что оно является естественным. Нигде в природе не наблюдается
вращение конечностей животных. Здесь следует обращать внимание не
на движение педалей или на движение педальных рычагов, эти детали
являются частью устройства, которое придумал человек. Естественное
движение ноги велосипедиста - это качательное движение: при ходьбе
бедро и голень совершают качательные движения; на той половине оборота
педали , на которой нога движет педаль, только ступня движется вместе
с педалью по окружности. Поэтому мы утверждаем, что естественными
являются именно качательные движения ноги, особенно это видно во
время движения человека вверх по лестнице. Таким образом, замена
вращения педалей на их качание с точки зрения физиологии не вносит
ничего нового. Что же до того, что вращение педалей привычно, то
можно сказать, сегодня привычно вращать педали, а завтра станет
привычным их качать, если окажется, что это и удобно и экономит
силы при езде.
Другое возражение наших оппонентов заключается в следующем . Действительно,
говорят они, в "мертвых" положениях не происходит передача
движения на колесо, а в положениях , близких к "мертвым"
эта передача движения не эффективна. Но опытный велосипедист, понимая
или чувствуя это, в "мертвых" положениях педалей и в положениях
близких к ним не прикладывает усилий на педаль и таким образом не
тратит бесполезно силы.
На это утверждение мы возражаем следующим образом. Во-первых, такая
экономия сил имеет место только у опытных велосипедистов; большинство
велосипедистов не являются столь опытными и потому этот прием экономии
сил им не доступен.
Во-вторых, и это является более существенным, такая экономия сил
эквивалентна уменьшению скорости движения, так как уменьшение угла
вращения педали, на котором усилие передается на колесо, равноценно
уменьшению передаваемой на ведущее колесо работы, а коль скоро уменьшили
количество работы, то это означает уменьшение скорости , ибо между
скоростью движения велосипеда и совершенной велосипедистом работой
имеется строгое соответствие. Таким образом, экономя силы, велосипедист
теряет скорость. Если же падение скорости нежелательно, то велосипедист
и в "мертвых" и в близких к нему положениях будет со всей
силой давить на педали, но эффект от этого будет близок нулю.
Третье возражение наших оппонентов заключается в том, что наше допущение,
что сила ноги велосипедиста всегда направлена вертикально вниз,
неверно. Они говорят, что поворотом ступни можно избежать "мертвых"
положений. Действительно, это так, но доступен этот прием только
опытным велосипедистам. Но и опытный велосипедист применяя этот
прием не может быть уверенным, что делает это оптимальным образом.
Теперь следует определить ту часть работы велосипедиста, которую
он безвозвратно теряет при езде на современном велосипеде, иначе
говоря, следует определить, какую выгоду получит велосипедист от
замены вращения педалей на их качание.
Если предположить, что сила Р , с которой велосипедист действует
на педальный рычаг, постоянна и всегда направлена строго вертикально
вниз и угловая скорость вращения педального рычага также постоянна
, то зависимость вращающего момента М = P . S от угла ? поворота
педального рычага или времени t для обычного велосипеда изобразится
на графике (рис.2) синусоидой 1 , которая принимает нулевое значение
в " мертвых " положениях педального рычага (S - плечо
силы Р; "мертвыми" в данном рассмотрении будут вертикальные
положения педального рычага). Синусоиды циклически повторяются в
соответствии с движением ног велосипедиста. Можно вычислить среднее
за цикл значение вращающего момента М?; его значение на рис 2 изобразится
прямой 2, параллельной оси абсцисс, причем ордината этой прямой
равна 0,64 Мmax, где Мmax - максимальное значение момента М.
Если бы сила Р ноги велосипедиста была бы всегда перпендикулярна
педальному рычагу, то зависимость М= f(?,t) изобразилась бы на рис.
2 прямой 3, ордината которой постоянна и равна Мmax. Прямая 3 показывает
то постоянное и максимальное значение вращающего момента , которое
можно получить при наиболее выгодном направлении силы Р относительно
педального рычага. Прямую 3 можно рассматривать как некое идеальное
представление вращающего момента в смысле возможности сил Р в создании
вращающего момента.
Тогда кривая 1 показывает действительное положение с созданием
вращающего момента в обычном велосипеде, а прямая 2 показывает насколько
идеальное положение (прямая 3) отличается от действительного. При
условии справедливости сделанных допущений можно утверждать , что
преобразование движения ноги пассажира во вращение педального рычага,
применяемое в современном велосипеде, обладает органическим недостатком,
при котором теряется бесполезно 36% работы силы Р.
Если положить в соответствии с вышеизложенным, что вращение педального
рычага заменено его качанием, причем амплитуда качания педального
рычага будет происходить в обе стороны от положения, соответствующего
Мmax., то есть от горизонтального положения педального рычага ,
например, на угол 60?, то расчетный средний момент силы Р принимает
значение 0,83 Мmax.(прямая 4 на рис.2) Таким образом , выигрыш в
работе велосипедиста в этом случае составляет 30% (отношение 0,83
к 0,64) по сравнению с обычным велосипедом.
Конечно , представленная здесь картина преобразования движения
ноги пассажира велосипеда во вращение его колеса несколько идеализирована
. Эта идеализация касается главным образом допущения о направлении
силы Р. В действительности эта силы не всегда имеет вертикальное
направление и не всегда эта сила постоянна по величине. Поэтому
в действительности выигрыш в работе силы Р возможно будет меньше
указанной величины в 30%, но даже если этот выигрыш составит 20%...25%,
то и тогда это существенно, поскольку указанный выигрыш обозначает
экономию в работе сил велосипедиста.
Однако, для реализации требуемого закона движения только применения
качания вместо вращения недостаточно. Уменьшение угла поворота педального
рычага на угол 2 ? = 180?, что имеет место в обычном велосипеде
при передаче сил, до угла качания, например, на угол
2 ? = 120? имеет место уменьшения в 1,5 раза (отношение 180 к 120)
пути, который проходит педальный рычаг, а это значит, при одинаковых
скоростях движения ноги в обоих сравниваемых случаях, путь, который
пройдет велосипед при качании педалей на угол 120? будет в 1,5 раза
меньше, чем в обычном велосипеде. Значит, и скорость движения у
велосипеда с качающимися педалями будет ниже также в 1,5 раза. Чтобы
скорости сравниваемых велосипедов были бы одинаковыми, следует в
предлагаемом велосипеде в 1,5 раза увеличить скорость ноги, а это
значит соответствующее увеличение частоты качания педального рычага
также в 1,5 раза. Это увеличение частоты качания сводит на нет все
преимущества предлагаемого привода, так как увеличение частоты качания
требует соответствующего увеличения затрат работы.
Правильное решение состоит в установке между качающейся педалью
и ведущей звездочкой цепной передачи ускоряющей передачи с передаточным
числом, равным 1,5. Тогда при одинаковых скоростях движения ноги
велосипедиста в обоих случаях скорости велосипедов также будут одинаковыми.
С учетом ускоряющей передачи требуемый закон движения изобразится
на рис. 2 кривой 5.
И это еще не все. Теперь - о длине педальных рычагов в этом примере.
Сила Р ноги в обоих сравниваемых велосипедах должны быть одинаковыми
, также должны быть одинаковыми работы этих сил. Тогда, работа силы
Р в обычном велосипеде за один цикл работы ноги :
А = Р?l, где l - длина педального рычага.
Работа силы Р в предлагаемом приводе: А1 = Р??L, где L - длина
педального рычага в предлагаемом приводе. В нашем примере ? = 2/3
( при ? = 60?). Приравняв выражения для работ, получим L =1,5 l,
то есть педальный рычаг в предлагаемом приводе должен быть в полтора
раза длиннее, чем в обычном велосипеде.
Теперь мы должны обратиться к конструкции предлагаемого велосипеда.
Сразу отметим , что все изменения, которые вносятся нами в обычный
велосипед касаются только привода.
На рис 3 представлена часть велосипеда с предложенным приводом,
прилегающая к педальной втулке. На рис. 3 обозначены:
1 - часть рамы велосипеда;
4 - ведущая звездочка цепной передачи;
5 - педальная втулка рамы велосипеда;
7 - Преобразователь движения , корпус которого закреплен на раме
(крепления на рис.3 не показаны);
17 и18 - педальные рычаги.
Следует обратить внимание, во - первых, на то, что центр качания
педальных рычагов находится в точке О1, которая принадлежит валу
преобразователя. Во - вторых , ведущая звездочка 4 цепной передачи
находится на валу , который расположен в педальной втулке (точка
О2). Таким образом, оси валов О1 и О2 связаны между собой зубчатой
передачей. Отметим, что в обычном велосипеде точки О1 и О2 совмещены,
то есть педальные рычаги и ведущая звездочка цепной передачи находятся
на одном валу. Тот факт, что в предложенном приводе они разделены
и связаны зубчатой передачей , является отличительным признаком
предложенного привода.
На рис. 4 показано сечение 2 -2 рис.3 по преобразователю движения.
На этом рисунке обозначены:
6 - вал;
7 - зубчатое колесо , которое находится в зацеплении с колесом на
педальной втулке 5;
8 - корпус;
9 и 10 внутренние обоймы обгонных муфт;
11 и 12 втулки , на которых закреплены правый и левый педальные
рычаги ( позиции 17 и 18);
13 - винт;
14 - ведомые обоймы обгонных муфт;
15 - конические колеса;
16 - коническое колесо , находящееся в зацеплении с колесами 15.
Привод работает следующим образом. Педали 17 и 18 движутся периодически
под действием ног велосипедиста. Пусть в данный момент времени сила
ноги велосипедиста действует на педаль 18. Эта педаль приводит во
вращение втулку 12 и далее деталь 14 обгонной муфты, муфта заклинивает
и передает вращение на деталь 10 и далее на вал 6, от вала 6 на
зубчатое колесо 7 и далее на звездочку 4 (рис.3). От звездочки 4
приводится цепь и далее приводится во вращение заднее колесо велосипеда.
Одновременно от правого конического колеса 15 приводится во вращении
колесо 16 и далее левое колесо 15, но оно вращается в противоположную
сторону и потому левая обгонная муфта, образованная деталями 14,
9, не заклинивает, а вращение через деталь 11 передается на педаль
17 , таким образом педали движутся в противоположные направления:
педаль 18 движется вниз, а педаль 17 - вверх. Когда сила действует
на педаль 17 движение происходит аналогично, но только левая педаль
17 движется вниз , а правая - вверх.
Обратимся теперь к особенностям этой конструкции.
Нетрудно видеть, основная добавка веса от применения предлагаемого
привода определяется весом узла преобразователя движения. Как свидетельствует
наш опыт, преобразователь движения весит около одного килограмма,
т.е. добавка веса обычного велосипеда от применения предложенного
привода составляет не более 7%.
Предлагаемый привод может быть установлен таким образом , что корпус
его узлов изготовлены совместно с рамой велосипеда, но значительнее
интереснее монтировать предложенный привод на существующей раме
обычного велосипеда, т.е. без каких либо изменений в ее конструкции
велосипеда. Такая возможность имеется. Тогда предложенный привод
можно продавать отдельно и устанавливать на обычном велосипеде по
желанию его хозяина. Это увеличивает рыночный потенциал предложенного
привода.
В рассмотренном выше примере амплитуда качания педальных рычагов
принята 120?, по 60? в обе стороны от некоторого среднего положения.
В этом примере этот угол качания рассматривался как максимальный.
Из описания конструкции следует, что езда на велосипеде с предложенным
приводом возможна и при значительно меньшей амплитуде качания педальных
рычагов. Естественно, что при этом уменьшится скорость движения,
однако это не существенно для определенной категории пользователей
велосипедом с предложенным приводом. Под этой категорией пользователей
имеется в виду больные после ортопедической операции на коленном
или бедренном суставах, люди с ослабленным здоровьем и дефектами
в подвижности суставов ног. Обычный велосипед, в котором угловое
перемещение в коленном суставе составляет более 90?, неприменим
для указанной категории пользователей.
Таким образом , можно указать следующие специфические области применения
велосипеда с предложенным приводом.
Реабилитация. После ранения или после операции на колене
или бедренном суставе можно использовать этот прибор для восстановления
нагрузочной способности и подвижности поврежденного сустава. Средства,
имеющиеся в распоряжении медицины, сегодня для этих целей, весьма
ограниченны и касаются либо мануальной терапии или использования
механического подвижного прибора (Continuous Passive Motion - CPM).
Это пассивный прибор, характеризующийся тем, что перемещает сустав
в то время, как больной лежит на койке и не прилагает никаких мышечных
усилий. Среди очень небольшого количества физиотерапевтических устройств
имеются лишь такие, которые принадлежат крупным лечебным заведениям.
Среди них устройство, которое дает возможность активного участия
коленного сустава с контролируемым углом изгиба колена, однако он
очень дорогой и не используется во всех реабилитационных кабинетах.
Использование велосипеда с возвратно-поступательным движением педали
дает возможность активного нагружения колена после повреждения или
операции с регулируемой интенсивностью и амплитудой, которые могут
меняться по мере выздоровления пациента. По существу, нет сегодня
устройства, которое бы обеспечивало такую функцию без того, чтобы
при этом была задействована вся весовая нагрузка. Единственное устройство,
приближающееся к этому устройству функционально и по стоимости,
это шагающий (Stepper), в котором действует одновременно и полная
весовая нагрузка пациента, что очень часто не соответствует возможностям
на стадии послеоперационной реабилитации или после ранения.
Средство передвижения. Велосипед представляет собой идеальное
недорогое средство передвижения. Оно энергетически эффективно, всегда
готово к действию, очень мобильное, не приводит к загрязнению окружающей
среды и обеспечивающее полезную физическую нагрузку и оздоровление
пользователя. Для пожилой возрастной группы или послеоперационных
больных и раненых, когда существенно утрачена подвижность коленного
сустава, использование обычного велосипеда становится невозможным.
Новый прибор, согласно его описанию, позволит этой группе больных
или раненых вернуться к использованию велосипеда как средства передвижения
внутри города или поселения, а также как спортивное и туристическое
средство, в котором сегодня заинтересованы многие группы населения.
Спортивные залы. Использование такого популярного тренажера
как велосипед в спортивных залах сегодня невозможно для групп населения,
имеющих проблемы с коленным суставом. В частности, изгиб колена
на велосипеде зависит от высоты сидения, расположения сидения и
размеров педали и может доходить до 130?. Это обстоятельство, присущее
обычным велосипедам, не позволяет использовать их в спортивных залах
тем, у кого есть ограничения по сгибанию коленного или бедренного
сустава. Использование нового тренажера поможет этим людям в использовании
велосипеда с целью улучшения их физической формы.
Эргометрия и исследование состояния здоровья. Пожилые люди
и спортсмены всех возрастов должны часто проходить исследования
под нагрузкой для получения комплексной картины состояния здоровья
в случае развития сердечного заболевания, диагностирования заболевания
сердечно-сосудистой системы или реабилитации после кардиологического
события. Пожилые люди часто вместе с сердечно-сосудистыми болезнями
имеют нарушения подвижности коленного и бедренного суставов. Как
отмечалось выше, нарушение сгибательной способности коленного или
бедренного сустава делает невозможным для них прохождение проверки
на велоэргометре и получение стандартных характеристик их физического
состояния. В то время как велоэргометрические показатели широко
применяются в медицинской практике. Применение велосипеда с возвратно-поступательным
движением педалей позволит проводить проверки физического состояния,
как спортсменов, так и больных , проходящих реабилитацию, для которых
такая проверка является необходимой.
Таким образом, в заключение можно отметить две области применения
предложенного привода.
1. Предложенный привод используется для экономии работы, затрачиваемой
велосипедистом при езде. При этом затраты работы могут быть снижены
на 30% от затрат на обычном велосипеде.
2. Предложенный привод педалей дает возможность использование велосипедов
для той части населения, которая имеет повреждение коленного или
бедренного сустава различного происхождения, как ранения и операции.
А.Е. КРОПП, профессор, д.т.н.
Мой адрес: st. Yedidya Admon, 3. Beer Sheva, 84337, ISRAEL
4 июня 2005 г.
|
