سيارة تعمل بالرياح
تستمد المركبات التي تعمل بالرياح قوتها من الأشرعة أو الطائرات الورقية أو الدوارات وركوب العجلات – التي قد تكون مرتبطة بدوار يعمل بالرياح أو بالعدائين. سواء كانت تعمل بالطاقة عن طريق الإبحار أو الطائرات الورقية أو الدوّارات ، فإن هذه المركبات تشترك في سمة مشتركة: كلما زادت السرعة في السيارة ، يصادف الجنيح المتصاعد الريح الواضحة المتزايدة بزاوية هجوم أصغر بشكل متزايد. وفي الوقت نفسه ، تخضع هذه المركبات لمقاومة أمامية منخفضة نسبيًا مقارنة بالمركبات التقليدية الشراعية. ونتيجة لذلك ، غالباً ما تكون هذه المركبات قادرة على تجاوز السرعة التي تفوق طاقة الرياح.
وقد أثبتت الأمثلة التي تعمل بمحرك كهربائي سرعات أرضية تفوق سرعة الرياح ، سواء مباشرة في الريح أو الرياح المباشرة مباشرة عن طريق نقل الطاقة من خلال قطار قيادة بين الدوار والعجلات. سجل السرعة التي تعمل بالرياح هو بواسطة سيارة مع الشراع على ، جرينبيرد ، مع سرعة قصوى مسجلة من 202.9 كيلومتر في الساعة (126.1 ميلا في الساعة).
وتشمل وسائل النقل الأخرى التي تعمل بالرياح سفن شراعية تنقل المياه ، وبالونات وسيارات شراعية في الجو ، وكلها خارج نطاق هذه المادة.
الشراع بالطاقة
تسافر المركبات التي تعمل بالطاقة الشراعية فوق الأرض أو الجليد بسرعة الرياح الظاهرية التي تكون أعلى من سرعة الرياح الحقيقية ، وهي قريبة من معظم نقاط الإبحار. تتمتع كل من اليخوت الأرضية والقوارب الجليدية بمقاومة منخفضة إلى الأمام للسرعة ومقاومة جانبية عالية للحركة الجانبية.
نظرية
تعتمد القوى الديناميكية الهوائية على الأشرعة على سرعة الرياح واتجاهها وسرعة واتجاه المركبة (VB). الاتجاه الذي تسير فيه الطائرة فيما يتعلق بالرياح الحقيقية (يسمى اتجاه الريح والسرعة فوق السطح – VT) نقطة الإبحار. تساهم سرعة المركبة عند نقطة معينة من الإبحار في الريح الواضحة (VA) – سرعة الرياح واتجاهها كما تم قياسها على المركبة المتحركة. تخلق الريح الواضحة على الشراع قوة إيروديناميكية كاملة ، يمكن حلها في السحب – مكون القوة في اتجاه الريح الظاهر – ورفع – عنصر القوة الطبيعي (90 °) إلى الريح الظاهرة. اعتمادا على محاذاة الشراع مع الريح الظاهرة ، قد يكون الرفع أو السحب هو المكون الدافع السائد. تحل القوة التامة للديناميكية الهوائية قوة دافعة إلى الأمام أو الدفعية – تقاوم بواسطة الوسط خلال أو فوقها تمر الطائرة (على سبيل المثال من خلال الماء والهواء أو فوق الجليد والرمل) – وقوة جانبية ، تقاومها العجلات أو عداء الجليد في السيارة.
لأن المركبات التي تعمل بالرياح عادة ما تبحر في زوايا الرياح الواضحة المحاذية للحافة الأمامية للشراع ، يعمل الشراع كجسر هوائي ورفع هو العنصر السائد في الدفع. تساعد المقاومة المنخفضة للحركة ، والسرعات العالية على السطح ، والمقاومة الجانبية العالية على خلق سرعات رياح عالية واضحة – مع محاذاة أقرب للرياح الواضحة للدورة التي تم قطعها لمعظم نقاط الإبحار – والسماح للسيارات التي تعمل بالرياح بتحقيق سرعات أعلى من الحرفة الشراعية التقليدية.
يخت الأرض
تطورت الإبحار من الأرض من جديد ، منذ 1950s ، في المقام الأول إلى الرياضة. تعرف المركبات المستخدمة في الإبحار باسم الأرض أو اليخوت الرملية. لديهم عادة ثلاث عجلات (في بعض الأحيان أربعة) وتعمل إلى حد كبير مثل المراكب الشراعية ، إلا أنه يتم تشغيلها من وضع الجلوس أو الكذب وتوجيهها بواسطة الدواسات أو رافعات اليد. الإبحار البري هو الأنسب للمناطق المسطحة العاصفة. وغالبا ما تجري سباقات على الشواطئ والمطارات وأسرّة البحيرات الجافة في المناطق الصحراوية.
حطمت “جرينبيرد” ، وهي سيارة تعمل بالطاقة الشراعية برعاية Ecotricity ، الرقم القياسي العالمي لسرعة الأرض في عام 2009 ، حيث سجلت سرعة قصوى بلغت 202.9 كيلومتر في الساعة (126.1 ميلاً في الساعة) ، حيث تجاوزت الرقم القياسي السابق الذي بلغ 116 ميل في الساعة (١٨٧ كم / ساعة) ، تم إعدادها بواسطة Schumacher من الولايات المتحدة ، على متن Iron Duck في مارس ١٩٩٩.
قارب الثلج
يتم دعم تصميمات الزوارق الآلية عمومًا بثلاثة شفرات تزلج تسمى “runners” تدعم إطارًا ثلاثيًا أو متقاطعًا مع عداء التوجيه في المقدمة. تم صنع العدائين من الحديد أو الفولاذ وشحذها إلى حافة رفيعة ، وغالباً ما يتم قصها إلى حافة بزاوية 90 درجة ، والتي تمسك بالجليد ، مما يمنع الانزلاق جانبياً من القوة الجانبية للريح التي طورتها الأشرعة. وبمجرد مواجهة القوة الوحشية بفاعلية من خلال حافة العداء ، فإن القوة الباقية من “رفع الشراع” تمنع الزورق بقوة كبيرة. تزداد هذه القوة مع زيادة سرعة القارب ، مما يسمح للقارب بالهبوط أسرع من الريح. إن القيود على سرعة الزورق هي الرياح ، والاحتكاك ، وشجرة شكل الشراع ، وقوة البناء ، وجودة السطح الجليدي. يمكن أن تبحر الزوارق الجليدية في درجة حرارة قريبة تصل إلى 7 درجات. يمكن لقوارب الجليد تحقيق سرعات تصل إلى عشرة أضعاف سرعة الرياح في ظروف جيدة. غالباً ما تحقق القوارب الجليدية الدولية DN سرعة 48 عقدة (89 كم / ساعة ؛ 55 ميل في الساعة) أثناء السباق ، وقد تم تسجيل سرعات تصل إلى 59 عقدة (109 كم / ساعة ؛ 68 ميل في الساعة).
طائرة ورقية تعمل بالطاقة
وتشمل المركبات التي تعمل بالطاقة الطائرة الورقية العربات التي يمكن للمرء ركوبها والألواح التي يمكن للمرء أن يقف عليها بينما تنزلق على الثلج والجليد أو لفات على عجلات فوق الأرض.
نظرية
الطائرة الورقية عبارة عن رقاقة هواء مصطفة تخلق كل من الرفع والسحب ، وفي هذه الحالة ترتكز على سيارة مزودة بحبل ، مما يرشد وجه الطائرة الورقية لتحقيق أفضل زاوية هجوم. يتم إنشاء المصعد الذي يحافظ على الطائرة الورقية أثناء الطيران عندما يتدفق الهواء حول سطح الطائرة الورقية ، وينتج ضغطًا منخفضًا أعلى وضغطًا مرتفعًا تحت الأجنحة. التفاعل مع الرياح يولد أيضا السحب الأفقي على طول اتجاه الريح. يتم معارضة متجه القوة الناتجة من مكونات قوة الرفع والقوة عن طريق شد واحد أو أكثر من الخطوط أو الحبال التي تربط بها الطائرة الورقية ، مما يؤدي إلى تشغيل السيارة.
طائرة ورقية عربات التي تجرها الدواب
عربة العربة الطائرة هي مركبة خفيفة ومصممة لغرض محدد تعمل بالطاقة بواسطة طائرة ورقية. إنها ذات مقعد واحد ولها عجلة أمامية قابلة للتوجيه وعجلتين خلفيتين ثابتتين. يجلس السائق في المقعد الموجود في منتصف السيارة ويتسارع ويبطئ من خلال تطبيق مناورات التوجيه بالتنسيق مع مناورات الطيران للطائرة الورقية. يمكن للعربات الطائرة الورقية أن تصل إلى 110 كيلومترات في الساعة (68 ميل في الساعة).
لوحة طائرة ورقية
تستخدم لوحات طائرة ورقية من وصف مختلف في الأراضي الجافة أو على الثلج. يتضمن استخدام الطائرة الورقية استخدام لوح جبلي أو لوح أرضي – لوح تزلج مع عجلات هوائية كبيرة وأحزمة قدم. Snow kiting هي رياضة شتوية في الهواء الطلق حيث يستخدم الناس الطاقة الورقية للانزلاق على لوح (أو زلاجات) على الثلج أو الثلج.
الدوار بالطاقة
إن المركبات التي تعمل بمحرك كهربائي هي مركبات تعمل بالرياح تستخدم الدوارات بدلاً من الأشرعة ، والتي قد يكون لها غطاء حولها (مروحة موصلة) أو تشكل مروحة غير موصلة ، والتي قد تعدّل التوجيه لمواجهة الرياح الظاهرية. قد يكون الدوار متصلاً عبر محرك نقل إلى عجلات أو إلى مولد يوفر الطاقة الكهربائية للمحركات الكهربائية التي تقود العجلات. تستخدم مفاهيم أخرى توربينات الرياح الرأسي المحور مع الجناحات التي تدور حول محور عمودي.
نظرية
Gaunaa ، وآخرون. وصف فيزياء المركبات التي تعمل بالدوار. تصف حالتين ، واحدة من وجهة نظر الأرض والأخرى من وجهة نظر تيار الهواء وتصل إلى نفس الاستنتاجات من كل من الأطر المرجعية. ويستنتجون أنه (بصرف النظر عن القوى التي تقاوم الحركة الأمامية):
لا يوجد حد أعلى نظريًا لمدى سرعة حركة الطائرات الدوارة التي يمكن أن تذهب مباشرة إلى الريح.
وبالمثل ، لا يوجد حد نظري أعلى لمدى السرعة التي يمكن أن تسير بها المركبة التي تدار بواسطة الريح مباشرة في اتجاه الريح.
هذه الاستنتاجات عقد على حد سواء للأراضي ومراكب المياه.
مطلوب للحركة التي تعمل بالرياح (أو الحرف المائي) هي:
تتحرك كتلتان فيما يتعلق ببعضهما البعض ، مثل الهواء (مثل الريح) والأرض (الأرض أو الماء).
القدرة على تغيير سرعة إما الكتلة مع propellor أو عجلة.
في حالة وجود سيارة تعمل بمحرك الدوار ، يوجد رابط محرك بين الدوار والعجلات. اعتمادا على الإطار المرجعي للشخص – سطح الأرض أو الحركة مع الكتلة الهوائية – فإن وصف مدى قدرة الطاقة الحركية المتاحة على اختلاف المركبة:
وكما يتبين من نقطة المشاهدة في الأرض (على سبيل المثال من قبل المشاهد) ، فإن الدوار (يعمل كأنه توربين رياح) يبطئ الهواء ويدفع العجلات نحو الأرض ، والتي تسرع بشكل غير محسوس.
وكما يتبين من نقطة المشاهدة في مجرى الهواء (على سبيل المثال بواسطة منطاد) ، فإن العجلات تعيق المركبة – تباطئ الأرض بشكل غير محسوس – وتحرك الدوّار (الذي يعمل مثل جهاز الدفع) ، الذي يسرع الهواء ويدفع المركبة.
يؤدي الاتصال بين العجلات والدوار الدوار إلى الدوران بشكل أسرع مع زيادة سرعة السيارة ، مما يسمح للشفرات الدوارة بالاستمرار في الحصول على الرفع الأمامي من الرياح (كما يظهر من الأرض) أو لدفع السيارة (كما يظهر من تيار الهواء).
في عام 2009 ، أنتج مارك دريلا – وهو أستاذ في معهد MIT للملاحة الجوية والملاحة الفضائية – المعادلات الأولى ، مما يدل على جدوى “Dead-Downwind Faster than The Wind (DDWFTTW)”. توصل مؤلفون آخرون إلى نفس النتيجة.
المركبات الثابتة بالطبع
عقدت العديد من المسابقات للمركبات التي تعمل بالدوار. من أبرزها سباق إيولوس ، وهو حدث يقام سنويا في هولندا. تبني الجامعات المشاركة مداخل لتحديد أفضل وأسرع سيارة تعمل بالرياح. القواعد هي أن المركبات على عجلات ، مع سائق واحد ، مدفوعة من قبل الدوار ، إلى جانب العجلات. يسمح بالتخزين المؤقت للطاقة ، إذا كان فارغًا في بداية السباق. يتم احتساب شحن جهاز التخزين على أنه وقت السباق. سباق يقام نحو الريح. يتم الحكم على المركبات من خلال تشغيلها الأسرع ، والابتكار ، ونتائج سلسلة من سباقات السحب. في عام 2008 ، كان المشاركون من: جامعة شتوتغارت ، جامعة فلنسبورغ للعلوم التطبيقية ، مركز أبحاث الطاقة بهولندا ، الجامعة التقنية في الدنمارك ، جامعة العلوم التطبيقية في كيل وجامعة كريستيان ألبريتش في كيل. وكان اثنان من كبار الفنانين هما “Ventomobile” و Spirit of Amsterdam (1 و 2).
Ventomobile
كانت سيارة فينتوموبيل ذات ثلاث عجلات خفيفة الوزن تعمل بالرياح ومصممة من قبل طلاب جامعة شتوتغارت. كان لديه دعم من ألياف الكربون الدوارة التي تم توجيهها إلى الريح وريش الدوار ذات الضبط المتغير التي تتكيف مع سرعة الرياح. كان ناقل الحركة بين الدوار والعجلات الدافعة عبر صندوقي تروس للدراجات وسلسلة دراجات. فازت بالجائزة الأولى في سباق Aeolus الذي عقد في دن هيلدر ، هولندا ، في أغسطس 2008.
روح أمستردام
تم بناء المركبات البرية التي تعمل بالطاقة الريحية سبيريت امستردام وروح أمستردام 2 من قبل فان هوجسكول (جامعة العلوم التطبيقية في أمستردام). في عام 2009 و 2010 فاز فريق Spirit of Amsterdam بالجائزة الأولى في سباق Aeolus الذي أقيم في الدنمارك. كان “روح أمستردام 2” السيارة الثانية التي بناها “هوجسكول فان” في أمستردام. واستخدمت التوربينات الريحية لالتقاط سرعة الرياح واستخدمت القوة الميكانيكية لدفع السيارة ضد الرياح. كانت هذه المركبة قادرة على قيادة 6.6 متر في الثانية (15 ميل في الساعة) مع 10 أمتار في الثانية (22 ميل في الساعة). قام جهاز كمبيوتر داخلي بتحويل التروس تلقائيًا لتحقيق الأداء الأمثل.
المركبات المستقيمة
يتم بناء بعض السيارات التي تعمل بالرياح فقط لإثبات مبدأ محدود ، على سبيل المثال القدرة على الذهاب عكس اتجاه الريح أو الريح بشكل أسرع من سرعة الرياح السائدة.
في عام 1969 ، قام مارك باور – مهندس نفق الرياح لشركة دوغلاس للطائرات – ببناء وإظهار سيارة لتخطي الريح بشكل أسرع من سرعة الرياح التي تم تسجيلها في شريط فيديو. نشر هذا المفهوم في نفس العام.
في عام 2010 ، قام ريك كافالارو ، وهو مهندس في مجال الطيران والفضاء التكنولوجي ، ببناء واختبار سيارة تعمل بالطاقة الريحية ، Blackbird ، بالتعاون مع قسم الطيران في جامعة سان خوسيه في مشروع برعاية جوجل ، لإثبات جدوى الذهاب مباشرة اتجاه الريح أسرع من الريح. حقق نقطتين تحققان من الصحة ، وهما يحدثان اتجاه الريح مباشرة عكس اتجاه الريح أسرع من سرعة الرياح السائدة.
في اتجاه الريح – في عام 2010 ، وضع بلاك برد أول سجل معتمد في العالم للسير في اتجاه الريح بشكل أسرع من الريح ، باستخدام طاقة الرياح فقط. حققت السيارة سرعة رياح متساوية تبلغ حوالي 2.8 ضعف سرعة الرياح. في عام 2011 ، وصلت Blackbird المبسطة إلى ما يقرب من 3 أضعاف سرعة الرياح.
الارتجاع – في عام 2012 ، وضع بلاك بيرد أول سجل معتمد في العالم للارتقاء بشكل مباشر في اتجاه الريح أسرع من الرياح ، باستخدام طاقة الرياح فقط. حققت السيارة سرعة رياح عكسية قاتمة حوالي 2.1 مرة من سرعة الرياح.