XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Роль эллиптической (овальной) звезды в системе механического привода велосипеда
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Велосипед неоднократно признавали самым важным из всех изобретений человечества. Кажущаяся простота его конструкции – результат долгого и сложного развития, которое продолжается и сегодня. Первым транспортом в жизни человека становится велосипед. Вспоминаю, как впервые села на велосипед, как неуверенно себя чувствовала за рулем, не успевала контролировать, куда едут колеса моего велосипеда. Возможно – это одно из ярких воспоминаний детства – первые ощущения вкуса свободы. Собственный велосипед, на котором можно уехать куда угодно и так быстро – по крайней мере, мне так казалось.
Велосипеды в наши дни являются не только развлечением, но и «помощником» для многих профессий: курьеров, почтальонов, рабочих, а так же тех, кто не пользуется общественным транспортом, борется за экологию и занимается спортом. Сегодня катание на велосипеде находится на пике популярности. Велосипедным туризмом увлечены люди во всем мире, чего только стоят многодневные велогонки Тур де Франс. Ученые разных стран давно доказали оздоровительную роль велосипеда: по энергозатратам он в 4 раза эффективнее ходьбы.
Цель работы – проверить целесообразность применения овальной звезды в системе механического привода велосипеда.
Задачи исследования:
1. С помощью анализа литературных источников раскрыть, какие силы действую на велосипед, за счет чего велосипед держится, какие мышцы работают. 2. Доказать преимущество использования овальной звезды в системе механического привода велосипеда в отличие от стандартной круглой.
Гипотеза: овальная звезда способствует дальнейшему усовершенствованию привода велосипеда.
Методы: 1. Поиск информации в литературных источниках. 2. Эксперимент. 3. Фотографирование. 4. Анализ и описание наблюдений.
Основная часть. Понятие и история изобретения велосипеда
Само слово «велосипед» (англ.- «bicycle») - с 1860-х годов произошло от французского «velocipede», от латинского «velox»- быстрый и «pes» – нога, когда стали называть новый вид двухколёсника с механическим приводом. Очень сложно отследить саму историю возникновения велосипеда, в любые времена каждая страна «тянет одеяло» на свою сторону. Поэтому выражение «изобрести велосипед» имеет иронический подтекст, который означает попытку придумать новое решение, когда существует давно проверенное и надежное. Однако велосипед изобрели действительно несколько раз и этому есть исторические подтверждения, в этом процессе участвовали многие. Cейчас очень много источников с самыми разными версиями, реальными, и не очень. Есть две основные версии в истории, о том кто первым изобрел велосипед в мире. Одна версия утверждает, что первый велосипед был изобретен в России крепостным кузнецом Артомоновым, который проехал на своем велосипеде от Тагила до Москвы, но вскоре его изобретение забыли, назвав двухколесной тележкой. По второй версии в вопросе «кто изобрел первый велосипед» изобретателем считается немецкий профессор Карл фон Дрез в 1817-м. Его изобретение представляло собой деревянный самокат, оборудованный седлом и рулем. Ездок сидел почти вертикально и передвигал машину, отталкиваясь от земли то одной ногой, то другой, попеременно, словно шел или бежал. Изобретатель обнаружил, что на хорошей дороге, прикладывая минимум усилий, он может развить скорость до 8-10 км/ч, что в два раза быстрее ходьбы. Дрез настаивал на том, что его машина не просто облегчает жизнь пешеходу, но и убыстряет его. Это замечательное изобретение впервые стало наземным транспортом, было названо в честь него «дрезина» и даже запатентовано им. Этот деревянный конь весил 25 кг.
Простое механическое чудо «велосипед» результат долгих и трудных поисков, изобретательности и незаурядной истории. Но чтобы не ждало нас впереди, будущее велосипеда обещает быть не менее ярким, чем его прошлое.
Принцип работы велосипеда
Для того чтобы разобраться в принципе работы велосипеда необходимо понимать как устроена вся конструкция. У велосипеда есть рама — это основа, на неё всё крепится, спереди рамы находится рулевая колонка, через которую с помощью вилки объединяются руль и переднее колесо, которые могут вращаться относительно рамы, сзади рамы крепится заднее колесо, сверху находится седло, а внизу каретка с педалями.
Существуют две основные системы торможения: первая это торможение с помощью педалей обратным вращением, в этом случае механизм тормоза располагается внутри втулки заднего колеса и второй вариант тормозные ручки находятся на руле и при их нажатии, через трос, клещевые тормоза, зафиксированные на раме, зажимают обод колеса и останавливают велосипед.
Привод велосипеда с помощью цепной передачи приводит в движение ведущую звездочку, которая через цепь соединена с задней звездочкой, зафиксированной на заднем колесе. Благодарю шатуну, который выполняет роль рычага и тому что ведущая звезда больше ведомой при кручении педалей происходит движение велосипеда.
Для комфортного движения важно соотношение ведущей и ведомой звездочки, чем больше ведущая звездочка, тем выше скорость велосипеда, но нужно прилагать большие усилия, с задней звездочкой наоборот, чем она больше, тем легче ехать, но скорость меньше. Поэтому в результате эволюции системы трансмиссии практически все современные велосипеды имеют несколько звездочек сзади и несколько спереди, для того что бы переключая их, можно было выбрать оптимальное соотношение прилагаемых усилий и скорости движения, в любых условиях.
Крутя педали на своем велосипеде, мы не задумывается какие силы нас удерживают в первоначальном положении, почему мы не падаем. Ведь велосипед сам по себе очень не устойчив. На самом деле два фактора заставляют нас удерживаться на нем. Первая – это вращающаяся сила, которая называется гироскопической. Гироскоп-волчок, который установлен таким образом, что центр тяжести остается в одном и том же месте, вне зависимости как гироскоп вращается. Когда колесо гироскопа начинает крутиться, оно сохраняет свое положение в пространстве, пока на него не воздействую внешние силы. Тоже самое происходит с колесом велосипеда, когда оно начинает ход. Колеса сохраняют равновесие пока не сталкиваются с силами, способными изменить их направление. Вторая сила, помогающая удерживаться нам на велосипеде – подсознательное подруливание в сторону падения, другими словами - инерция. Если происходит падение, мы поворачиваем переднее колесо в направлении падения. Сила инерции выравнивает наше положение. Чтобы не упасть, мы поворачиваем руль то вправо, то влево не думая об этом, таким образом, что сила инерции постоянно удерживает нас в равновесии. Организм человека сам подбирает набор определенных действий, навык формируется в результате стандартных упражнений – крути педали, подруливай в сторону падения, держи руль крепче и т.д.
1.2 Теория эффективности применения овальных звезд
На самом деле, о звездах эллиптической формы написано много информации. Окунувшись в эту тему я очень удивилась насколько разные точки зрения у велосипедистов по поводу эффективности применения овальных звезд. Складывается ощущение, что никто не смог объяснить людям, что же происходит при смене формы звезды в системе трансмиссии. По общему мнению овальная звезда помогает проскочить мертвую зону при кручении педалей, но потом мы смотрим велогонку Тур де Франс и видим овальные звезды лишь у пары тройки спортсменов. В этот момент становится ясно, что это не оптимальный вариант.
Жан Луи Тало, является представителем компании Osymetric и лидером мнения в европейских и американских СМИ в продвижении эллептических звезд на рынок. Именно на их овальных звездах выиграли Тур де Франс Виггинс и Фрум. Тало утверждал: «Эллептические звезды дают возможность приложить больше мощности там, где ноги давят сильнее, меньше - где ноги давят слабее. Я хочу открыть глаза людям на это, но я уже устал. С нашей звездой мощность увеличивается на 10 %, снимаешь – снижаешь мощность на 10%. Все очень просто. У Виггинса и Фрума стояли наши звезды – значит выигрыш от них действительно есть.»
Звучит очень-очень хорошо, однако в декабре 2012 г. после победы на Тур де Франс и олимпийских играх, Виггинс снял овальную звезду и поставил обычную круглую и все равно выиграл чемпионат. Тогда вновь эксперты обратились к Тало, что же он скажет по этому поводу и он ответил: «У Виггинса до чемпионата была травма ноги, это ударило его морально, нужно было что-то предпринимать и он подумал, что круглая звезда ему поможет. Это была его моральная проблема. Кроме того, на него давили спонсоры, которые требовали установить штатные звезды «Shimano». Экспертов такой ответ не удовлетворил и они обратились к главному по науке Sky. Они нашли этого человека и он дал им интервью про овальную звезду и вот, что он сказал: «Эти звезды не сильно отличаются друг от друга. Многие наши велосипедисты попробовали овальную звезду вместо круглой, но лишь некоторые из спортсменов оставили ее себе. Измеритель мощности на тестах показывали рост мощности для овалов, но это может не означать реальный рост мощности, передаваемый на цепь». Его выводы звучали не очень научно.
Вообще существует всего две монументальные работы об овальных звездах. Их авторы – Malfeit, Storme и Derdeyn. Они написали работу в 2010 году и развили данную тему уже в 2012 году на 62 страницах. В своей статье они взяли около 10 велосипедистов в вакууме и начали изучать все силы, прикладываемые к педалям и мышцам. Изучили мышцы, которые работают при кручении педалей по кругу. Из предыдущей работы они взяли все параметры велосипедиста в вакууме включая массы различных частей ноги, их длины, рост, вес, геометрию велосипеда и т.д. И дальше стали изучать систему, как своеобразный двигатель, в котором изменяются параметры звезды и от этого изменяются числовые параметры выдаваемой мощности на круг. Сделали они очень много расчетов, тестировали звезды с различной формой. Крупные выводы, которые дала их работа:
Овальные звезды могут давать значительный прирост мощности.
2. Чем больше тренирован человек, тем меньше процент прироста мощности.
3. Прирост мощности увеличивается с ростом частоты вращения педалей.
4. Эффективное смещение угла при установке овальной звезды от 105 до 120 градусов.
5.Чем больше звезда принимает форму овала, тем больше прирост мощности. Звезды с овализацией от 20-40% дают очень заметные результаты, видимы результаты и с 10-ти %. По их выводам можно заметить, что значимый прирост мощности в 15 ватт, это не тот результат который заставит прыгать, к примеру, профессионального велогонщика от счастья, если он выдает 400 ватт, эти 15 ватт он может и не заметить в своих тестах. С частотой кручения педалей тоже самое. Существует общая мысль, что овальные звезды улучшают езду стоя, убирая мертвую зону в самом низу. Авторы статей доказали, что это не так, потому, что кручению педалей действительно мешает не только разная сила отдельных мышц, но и вес ног, который давит вниз и который необходимо поднять обратно (Прил. II, рис.I). Но с ростом скорости кручения добавляется другое - инерция. И чем быстрее кручишь педали, тем инерция выше. Чем больше оборотов в минуту делает велосипедист, тем инерция становится более значимой, чем гравитация. Эллептическая звезда в данном случае становится более эффективным, чем круг. Однако при большой овализации цепь на звезде держится менее стабильно. Про стабильность цепи на овале звезде эксперты Sky говорили следующее: высока вероятность падения цепи – поэтому были установлены успокоители цепи. Конечно же чаще цепь слетает с круглых звезд, но с овальными – это реальная проблема, без успокоителей никак не обойтись. В России на данную тему, больше остальных, выделяется исследование В. Ф. Татаркина, мастера спорта СССР «ИЗМЕНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТРАТ ПРИ ПЕДАЛИРОВАНИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ФОРМЫ ЗУБЧАТОК» Не вдаваясь в подробности, заключение его работы: «…Таким образом, при одной и той же мощности работы и одинаковой внешней структуре движений, но при разной скорости движений ногами педалирование с использованием некруглых зубчаток энергетически более экономично. Проведенный им эксперимент позволяет сделать вывод о целесообразности использования на велосипеде некруглых ведущих зубчаток во время тренировочных занятий и соревнований, характеризующихся одним и тем же режимом работы, т.е.педалированием в темпе 90 оборотов в 1 мин...»
Экспериментальная часть
Установка овальной звезды, тестирование велосипеда с новой системой привода.
Суть эксперимента: проверка целесообразности применения звезд различной формы практическим способом. В моей работе на велосипеде были совмещены круглая и овальная звезда (Прил.III, рис.I,2). В процессе работы я буду кататься с круглой и овальной звездочкой, таким образом, выясню между ними разницу при езде на велосипеде.
Ход эксперимента: На моем велосипеде я удалила пластиковую защиту с ведущей звезды, используя дистанционные шайбы и винты, прикрутили к ней овальную звезду, таким образом на велосипеде получилось одновременно 2 звезды и круглая и овальная (Прил. IV). Перекидывая цепь с круглой на овальную я могу легко их сравнить. Во время эксперимента я каталась на разных скоростях с разными вариантами ускорения и по различным поверхностям (асфальт, пересеченная местность). В тестовом заезде выяснилось следующее: с круглой звездой, при вертикальном положении шатуна, когда педаль находится вверху, нога располагается так, что проявить большую силу неудобно, когда же мы перекидываем цепь на овальную звездочку этот же самый момент проходит быстрее, так как сторона звезды более маленькая. (Прил. V). Когда верхняя точка проходит и мы приближаемся к горизонтальному положению шатуна представляется возможность развить максимальную силу за счет разгибательных мышц голени и бедра, которые позволяют развить значительное усилие, в этот момент разница между круглой и овальной звездой не ощущаются. Эти ощущения больше проявляются при нагрузках, когда я ехала в гору или по лесным тропинкам с большой скоростью, другими словами условия работы мышц при кручении педалей и эффективность силы мышц, прикладываемой к педали, при смене звезды получается не одинаковая. В итоге езда на велосипеде с овальной звездой мне понравилась больше.
Итог эксперимента: в результате проведенного эксперимента я поняла, что при одной и той же мощности работы и одинаковых движениях, при кручении педалей, использование эллиптической (овальной) формы звезды более продуктивно. Проведенный эксперимент показал, что применение овальных звездочек целесообразно во время активного катания, высокой скорости кручения, заезде на подъем (в горку). Овальная звезда позволяет выжимать из велосипеда максимальные возможности из-за отсутствия мертвых точек и плавной нагрузки и помогает забираться практически на любую гору.
Перспектива продолжения работы видится в изучении возможностей индивидуализации в производстве велосипеда под конкретного потребителя, учитывая его антропометрические и физические данные.
3.Заключение
В результате проведенного эксперимента я получила новые ощущения от езды. Моя гипотеза доказана– овальная звезда способствует усовершенствованию привода велосипеда, её применение в системе трансмиссии является своего рода определенным толчком в продолжении «изобретения велосипеда».
Овальные звезды уступили круглым, за счет введения многоскоростных систем, используя которые простой велосипедист может легко подобрать необходимые ему соотношения скорости и усилий. Овальные звезды остаются предметом дальнейшего изучения и уделом профессионалов и фанатов развития велосипедного спорта.
Возможно, что при определенных технических решениях овальные шестерни в будущем найдут свое применение на горных, шоссейных или специализированных велосипедах в подходящем для овала режиме.
Различные эксперименты в разных странах мира подтверждают эффективность овальной звезды над классической круглой, что будет способствовать дальнейшему развитию энергоэффективности трансмиссии велосипеда.
Список литературы:
1.Девид Херлики, перевод с английского «История Велосипеда». /Новое литературное обозрение, 2009 г.- 504 с. (Серия «Культура повседневности»).
2.Альбом «Изобретение изменившее мир». Библиотека Банка Москвы.-158с.
3.Хэдленд Тони & Ханс Эрхард Лессинг – Велосипед: Иллюстрированная история. Издательство КаЛибри. – с.12-14.
4. Nordic Cycle: Bicycle Adventures in the north. /Путешествие на велосипеде на Севере. - 196 с. Издательcтво Gelstalten.
5. Устройство и ремонт велосипеда Д.Семенов 1956 г. М.– с. 22-29.
6. Велосипедный спорт Д.А. Полищук г.Киев «Олимпийская литература» 1997 г.-с.344.
7. Велосипедный спорт. /Ежегодник - М:ФиС, 1976,-с.27-28.
Приложение I
Устройство велосипеда.
Рис.1
Приложение II
Схема передаточного механизма велосипеда при круглых и овальных звездах.
Рис1
Схема основных зон приложения усилий при педалировании.
Рис.2
Приложение III
Рис.1 Овальная и классическая круглая звезда.
Рис.2 Сравнение форм, путем накладывания двух звезд друг на друга.
Приложение IV
Экспериментальная часть. Установка эллиптической (овальной) звезды.
Установили велосипед в устойчивом вертикальном положении. Откручиваем педаль. Откручиваем и убираем пластиковую защиту звездочки.
Берем овальную звезду и устанавливаем на неё проставки, для того чтобы между основной и экспериментальной звездой образовался зазор для свободного хода цепи.
Начинаем собирать привод велосипеда, устанавливаем на место защиты экспериментальную звездочку (овальную) и прикручиваем педаль на место. Велосипед собран, можно приступать к практической части эксперимента.
Приложение V
Езда на разных скоростях и с разными вариантами ускорения.
Спасибо за внимание!