Лодка мечты
На протяжении всей истории существования человечества люди использовали лодки для передвижения по воде.
Вода – это такая стихия, которая, как кажется на первый взгляд, не позволяет «жестко ухватиться» и оттолкнуться, чтобы двигаться вперед. Вёсла, гребные колёса и гребные винты, водомёты – все это способ толкать лодку вперед. Однако во всех этих перечисленных устройствах значительная часть усилий (мощности) тратится впустую, т.е. на создание волн, вихрей и брызг. Несовершенство всех этих средств хорошо иллюстрируют следующие примеры:
Пример №1: Моторная лодка, развивающая мощность сотни лошадиных сил, не может обогнать дельфина у которого вырабатываемая мощность порядка нескольких лошадиных сил. Заметьте, сколько волн, брызг и пены остается позади моторной лодки, а дельфин вообще не оставляет следа, хотя движется с такой же скоростью.
Пример №2: Самые скоростные, легкие и совершенные вёсельные лодки развивают от силы 20 км/ч, в то время как среднестатистический велосипедист в спокойном режиме развивает скорость 20 км/ч, но если приложить усилия, то скорость 40 км/ч совсем не предел. Иными словами мускульная сила «жёстко связанная» с поверхностью земли позволяет более эффективно разгонять человека, чем та же самая мускульная сила, но связанная с водой посредствам вёсел.
Вопрос: А есть ли способ «ухватиться» за воду так, чтобы вся прилагаемая мощность тратилась на передвижение вперед, а не на пустое перемешивания воды вокруг?
Глядя на рыб, дельфинов и прочих водных обитателей как будто бы напрашивается ответ – да.
Способ движения дельфинов (тут можно сказать рыб и это будет по смыслу то же самое, но дельфины очень красивые животные и мне приятнее рассуждать о дельфинах) – это загадка. На первый взгляд кажется, что весь секрет в форме их тела и характере его расположения во время движения. Так это или нет, проверить трудно (говорят где-то производились эксперименты по созданию точной механической копии рыбы, но чем они закончились мне не известно).
Давайте рассмотрим некоторые особенности дельфинов и лодок, а точнее сопоставим возможности лодок с дельфинами:
- Во многих лодках используется приспособление под названием «киль». Киль – это такой «плавник» у лодки, который в продольном сечении имеет значительно меньшую площадь чем в поперечном, что позволяет лодке при движении вперед не перемещаться поперёк (влево вправо). Такое же устройство есть и у дельфинов (рыб), да и сама форма тела рыбы представляет из себя один большой киль.
- Дельфины (и рыбы) движутся по траектории, представляющей из себя куски окружностей. Причем очевидно, что для движения по такой траектории они используют плавник – киль (или форму своего тела, которая и есть один большой киль). Лодка тоже может при помощи руля (руль тот же киль, только способный поворачиваться) поворачивать и двигаться по кусочкам окружностей. Заметим, что для совершения поворота при помощи руля, лодка не создает ненужных брызг волн и завихрений (разве что самую малость, но пока отбросим рассмотрения их влияния – считаем, что лодка идеальная и киль у неё безупречен). Т. е. тут лодка и дельфин вполне сходны (обои могут двигаться по траектории из кусков окружностей без создания дополнительных брызг). Но как показывает практика, если придать лодке первоначальную скорость и потом поворачивать на ней то влево, то вправо (повторяя траекторию дельфина) лодка не будет ускорятся, а дельфин – будет.
- Наверное, многие читатели в детстве катались во дворе на детских «крутилках» (см. рис). Если раскрутить крутилку, а потом перемещаться к её центру, то крутилка начинает «здорово» ускоряться. Причем усилие, которое необходимо приложить для перемещения к центру может быть значительным, как и скорость, которую приобретает крутилка.
Физика нам говорит что сила, которую необходимо приложить, чтобы удержаться на крутилке, пропорциональна квадрату скорости и массе тела и обратно пропорциональна радиусу. Получается, что перемещаясь к центру «крутильщик» ускоряет крутилку, т.е. прикладывает усилие поперек его скорости, при этом его линейная скорость возрастает. Попросту говоря: давишь вбок – ускоряешься вперед.
Траектория по окружности +Давишь вбок=Ускорение вперед
Внимательный читатель уже может догадаться – к чему я веду, а именно:
Если лодка движется по траектории, равной дуге окружности и в это время центр тяжести лодки будет смещаться к центру этой окружности, то лодка будет ускоряться. Причем ускорение не будет связанно с созданием ненужных брызг волн и завихрений. Т.е. это будет такое же эффективное движение как у дельфинов.
Давайте посчитаем.
Пусть у нас есть достаточно легкая лодка, на которой в поперечном направлении может перемещаться массивный груз. Пусть лодке предали первоначальную скорость и траекторию движения по окружности (повернули) и в это время стали перемещать груз к центру окружности поворота. Обозначим:
- m – масса лодки и груза.
- V1 –начальная скорость лодки.
- R – радиус поворота лодки.
- ∆d – смещение центра массы лодки к центру окружности поворота.
- ∆t – время, за которое центр масс смещается к центру окружности поворота.
Какова величина силы тяги?
Итак:
m* V1*R = M1 – начальный момент импульса.
m* V2*(R - ∆d) = M2 –момент импульса после смещения к центру.
По закону сохранения момента импульса M1= M2, т.е. m* V1*R= m* V2*(R - ∆d) откуда: V2 = V1*R/(R - ∆d).
Изменение импульса ∆p =m*(V2- V1).
По второму закону Ньютона
Т.е.
или
Где
Таким образом:
Вспомним, что механическую мощность можно записать как произведение силы на скорость (в данном случае это применимо).
Таким образом, вся мощность которую развивают для перемещения груза, пойдет в мощность тяги лодки!
Этот простой расчет показывает, что за воду в буквальном смысле можно «ухватиться» и отталкиваться, не создавая ненужного перемешивания воды вокруг (брызг, волн, завихрений).
- Наблюдение: кто держал в руках только что пойманную живую рыбу, может вспомнить, как сильно нужно её удерживать, чтобы она не выскочила из рук. Почему так происходит? Быть может это за счет того, что быстро махая хвостом, рыба как бы отталкивается от воздуха? Едва ли, так как плотность воздуха и размер хвоста не позволят этого сделать. Мне представляется, что природа этого «трепыхания» ровно такая же, как у стиральной машинки, которая работает в режиме отжима. Т.е. рыбка очень быстро меняет свой центр тяжести. А это косвенно означает, что скорее всего для движения в воде рыба использует тот же принцип, что описан выше (это лишь моё предположение).
Использовать изложенный принцип, чтобы перемещать лодку и не тратить силы впустую – очень заманчиво. Почему до сих пор в широком применении нет подобных конструкций мне не известно (возможно какие-нибудь супер секретные торпеды или еще что-нибудь такое есть, но я про это ничего не знаю) для меня важно, что конструкция не выглядит очень сложной в изготовлении, и её вполне можно изготовить в кустарных условиях.
План конструкции лодки мечты
Для воплощения «в металле» изложенного принципа нам понадобится:
- Лодка – требования к лодке не высоки, главное чтобы она держалась на воде и чтобы на ней можно было разместить и перемещать груз поперек её движения.
- Киль, способный удерживать лодку от поперечных перемещений при движении груза.
- Руль, позволяющий лодке поворачивать.
- Груз, способный перемещаться по лодке влево вправо.
В качестве груза можно использовать «водителя» лодки (назову его «лодкопедист»). Для этого надо закрепить сидение на колёсиках так, чтобы оно каталось по палубе влево – вправо, как показано на рисунке и снабдить его устройством для перемещения, например, в виде блоков и тросов с педалями. Также нужно не забыть про руль и способ им управлять. Пожалуй этого должно хватить, чтобы проверить изложенный принцип.
Представим себе как это должно работать:
- Небольшой разгон на вёслах.
- Далее резкий поворот налево и динамичное смещение «лодкопедиста» к левому борту, в следствии чего лодка приобретает ускорение.
- Далее резкий поворот направо и динамичное смещение «лодкопедиста» к правому борту, в следствии чего, лодка приобретает еще большую скорость.
- И так далее. По мере увеличения скорости лодки, радиус поворота можно делать все меньше (помним про квадратичную зависимость силы от скорости).
Детальные характеристики лодки, такие как: размер, вес, длина продольного смещения сидения, форма корпуса и т.д. – это предмет исследования конкретной конструкции. Однако оценочные расчеты (пока их здесь не привожу) показывают, что при мощности и весе среднестатистического велосипедиста, возможно подобрать такие характеристики лодки, чтобы она развивала такую же тягу «отталкиваясь от воды» как при отталкивании велосипеда от асфальта.
Если от воды можно также эффективно отталкиваться как от асфальта, то на пути создания устройства, которое за счет мускульной силы движется так же быстро по воде, как велосипед движется по асфальту стоит только сила сопротивления воды.
Как известно, сила сопротивления воды пропорциональна квадрату скорости, плотности воды и площади поперечного сечения движимого в воде тела. Для уменьшения силы сопротивления воды люди уже больше полувека строят суда на подводных крыльях (см. продукцию завода Море https://moreship.ru/main/). В сети гуляет видео, где весельная лодка на подводных крыльях движется поднимаясь надо водой. Сила сопротивления воды при движении на подводных крыльях резко уменьшается и сопоставима с силой трения велосипеда.
Если от воды можно отталкиваться так же эффективно как от асфальта, а сила трения такая же, то ничего не мешает разогнать такую лодку так же быстро как велосипед. Более того, если лодке и «лодкопедисту» предать форму с меньшей площадью поперечного сечения, то можно снизить силу сопротивление ветра, что позволит разогнаться даже быстрее чем велосипед. Для справки: велосипеды с горизонтальной посадкой называются рекомбентами и едут они быстрее, чем обычные велосипеды как раз из-за меньшего сопротивления воздуха.
Подытожим полученные выводы – лодка на подводных крыльях, способная перемещаться «на педальной тяге» со скоростью до 40км/ч! Звучит фантастично. А выглядело бы это вообще умопомрачительно, представьте: моторная лодка с рёвом, пеной волнами мчит по водной глади, а рядом «лодкопедист», давя на педали, немного приподнявшись над водой, обгоняет всю эту махину и помахивает вслед ручкой.
Класс!
Друзья, дочитавшие до конца статью, пишите ваши комментарии, делитесь ссылкой и даже можете переводить средства на домик для трех поросят строительство опытного образца. Как только наберем сумму, достаточную для оплаты хотя бы 3-ёх дней работы одного очень толкового мастера (моего знакомого, берет очень не дорого, но руки у него золотые), то тут же будем выкладывать подробный фото видео отчет о ходе постройки и испытания данного устройства.
Кстати, изложенный принцип применим не только к воде, любая поверхность способная поддерживать траекторию по окружности: лед, колеса и даже воздух может быть использована для применения данного принципа.
Можно опробовать этот принцип на колесиках – создать подобие скейта и разгоняться по асфальту, делая повороты. Фото видео отчет о создание такой конструкции (если с неё начнем) тоже выложим.