Почему передаточное число не может быть примерно 100: 1? Это практически возможно?

Я планирую разработать велосипед самостоятельно для соревнований. Но главное требование к нему заключается в том, что он должен развивать максимальную скорость. Если я смогу отлить звездочки с передаточным числом, скажем, 10: 1 или что-то вроде 100: 1, будет ли какое-то практическое препятствие для этого?

Основным препятствием будет фактически начать движение с места. Такого рода вещи были проделаны довольно часто и называются мотогонками и включают в себя езду на очень высоко приспособленном (обычно с фиксированной передачей) велосипеде за скоростной машиной с каким-то обтекателем для уменьшения сопротивления ветра на велосипеде. Скорости более чем 100 миль в час были достигнуты.

Этот вид велосипеда совершенно не подходит для езды где угодно, но для особо длинных прямых в нужных условиях.

Посмотрите это видео, чтобы понять, что к этому относится.

Другие ответы, приведенные здесь, верны в том смысле, что существуют физические ограничения на размер одной цепочки; однако вы можете обойти это ограничение, построив систему зубчатых передач с «двойным редуктором», в которой вы последовательно соединяете, скажем, передаточное число 4: 1 с другим передаточным числом 4: 1, чтобы получить конечное отношение 16: 1. -1. Как отмечалось выше, Фред Ромпельберг установил рекорд скорости в 269 км / ч, используя двойной редуктор: 70/13, соединенный с 60/15 для конечного общего передаточного числа 21,5. Его колеса были 18 дюймов в диаметре, а его шины были толщиной около дюйма, поэтому каждое вращение его ног вокруг рукоятки двигало велосипед на 35 метров. 269 ​​км / ч - 75 метров в секунду, поэтому его скорость на максимальной скорости была чуть ниже 130 об / мин. Ниже вы увидите, что это окажется важным.

И теперь мы подошли к настоящему ограничивающему вопросу. В обычных условиях ваша максимальная скорость ограничена мощностью, которую вы можете производить, а не передаточным числом. Мощность, необходимая для езды на ровной ровной поверхности без головы или попутного ветра, состоит из двух компонентов: компонента, необходимого для преодоления аэродинамического сопротивления, и компонента, необходимого для преодоления качения и механического сопротивления. Сила аэродинамического сопротивления изменяется в зависимости от квадрата воздушной скорости, поэтому мощность, необходимая для преодоления силы аэродинамического сопротивления, примерно зависит от куба скорости. С другой стороны, сила качения и механическое сопротивление почти постоянны, поэтому мощность, необходимая для его преодоления, изменяется примерно линейно со скоростью. В попытке Ромпельберга на скорости и в других аналогичных «темповых» попытках он ехал за специально разработанным автомобилем, предназначенным для минимизации аэродинамического сопротивления. Тем не менее, скользящее сопротивление остается. Мощность, необходимая для преодоления сопротивления качению, составляет приблизительно Crr * общая масса (в кг) * скорость (в м / с) * гравитационная постоянная (9,8 м / с ^ 2), где Crr - это "коэффициент сопротивления качению" и может быть считается, в том числе подшипников и других потерь передачи. На твердой почве с современными шинами и современной системой цепного привода Crr часто находится в диапазоне 0,005. Таким образом, для перемещения общей массы 100 кг со скоростью 75 м / с потребуется около 370 Вт мощности на ровной твердой поверхности при отсутствии аэродинамического сопротивления. Если бы движущемуся транспортному средству не удалось устранить все аэродинамическое сопротивление, потребляемая мощность была бы выше. и может рассматриваться как включающий в себя потери в подшипниках и других передачах. На твердой почве с современными шинами и современной системой цепного привода Crr часто находится в диапазоне 0,005. Таким образом, для перемещения общей массы 100 кг со скоростью 75 м / с потребуется около 370 Вт мощности на ровной твердой поверхности при отсутствии аэродинамического сопротивления. Если бы движущемуся транспортному средству не удалось устранить все аэродинамическое сопротивление, потребляемая мощность была бы выше. и может рассматриваться как включающий в себя потери в подшипниках и других передачах. На твердой почве с современными шинами и современной системой цепного привода Crr часто находится в диапазоне 0,005. Таким образом, для перемещения общей массы 100 кг со скоростью 75 м / с потребуется около 370 Вт мощности на ровной твердой поверхности при отсутствии аэродинамического сопротивления. Если бы движущемуся транспортному средству не удалось устранить все аэродинамическое сопротивление, потребляемая мощность была бы выше.

Теперь мы переходим к производству человеком необходимой энергии. Сила - это произведение силы и скорости, и мы можем либо производить определенное количество энергии, сочетая высокое усилие на педали и низкую скорость ног, либо высокую скорость ног и низкое усилие педали. Как и следовало ожидать, сила педали и скорость ноги обратно пропорциональны: чем выше сила педали, тем ниже скорость нашей ноги и чем выше скорость нашей ноги, тем ниже сила педали, которую мы можем создать, поэтому существует компромисс между двумя , В целом, было замечено, что для большинства людей мощность максимизируется в точке, где скорость ноги и сила педали составляют примерно половину их максимума (то есть, если мы знаем максимальную скорость ноги гонщика и максимальное усилие ноги, мощность максимизируется в окрестности половины максимумов). Для многих обученных велосипедистов максимальная частота вращения педалей находится в диапазоне от 200 до 250 об / мин, и мы можем вообще наблюдать, что они производят максимальную мощность в районе 120 об / мин. И это согласуется с нашим наблюдением о том, что рекорд скорости Rompelberg был установлен чуть ниже 130 об / мин.

Таким образом, хотя вы можете построить велосипед с передаточным числом 100 к 1 (с помощью двойной или тройной системы редуцирования), вы, вероятно, не сможете производить необходимую мощность в «точечном месте» в каденции для достижения цели в скорости. ,

Есть пара очевидных проблем:

• Вы никогда не сможете крутить педали 100: 1 с колесами нормального размера, даже с полностью исправным велосипедом
• Самые маленькие винтики - это одиннадцать зубцов, поэтому вам потребуется цепочка длиной 1100 зубцов, что примерно в двадцать раз больше, чем цепочка длиной 55 зубцов, поэтому у вас будут проблемы с зазором.
• получить 1100 зубьев, чтобы они были достаточно жесткими, чтобы не качаться под нагрузкой
• начать движение с места
• Вы, вероятно, не сможете сдвигаться вперед.

Но кроме того, что, нет.

Основная проблема заключается в том, что передаточные числа трансмиссии умножаются или делятся крутящим моментом. Трансмиссия 100: 1 означает, что создаваемый вами крутящий момент делится на 100. Если результирующий крутящий момент меньше, чем требуется для движения велосипеда, вы не сможете поворачивать педали.

Если вы находитесь на ровной ровной дороге с хорошо накачанными шинами и без встречного ветра, то крутящий момент, необходимый для начала движения, близок к нулю, и поэтому снижение крутящего момента на 100 может не помешать начать движение. Однако, как только вы начинаете двигаться, сопротивление увеличивается из-за сопротивления воздуха и сопротивления качению. Как только этот импеданс накапливает ваш крутящий момент / 100, вы не можете двигаться быстрее.

Высокие передачи позволяют нашим мышцам работать медленно, подобно медленному жиму лежа. Вы, вероятно, знаете из поднятия тяжестей, что ваша максимальная сила развивается во время медленного подъема. Если вы можете быстро отжать 200 фунтовую штангу от груди, это означает, что вы можете выдержать немного больший вес. Использование высокой передачи похоже на медленный подъем; вы развиваете большую силу. Высокие передачи также позволяют нам уменьшить расточительное движение ног, повышая нашу эффективность. Однако передача не должна быть настолько высокой, чтобы выходной крутящий момент был меньше, чем сила, необходимая для поддержания желаемой скорости (сила, противоположная и равная общему сопротивлению).

Увеличение передаточного числа позволяет развить больший крутящий момент на педали, но в то же время выходной крутящий момент уменьшается. Выходной крутящий момент не должен уменьшаться до такой степени, что вы не сможете поддерживать скорость. Таким образом, происходит компромисс, который означает, что есть некоторая оптимальная точка. Этот момент, конечно, зависит от вас: геометрия вашего тела, сила и вес, а также от условий: уклон, ветер, поверхность, велосипед (шины и т. Д.). Кроме того, предполагаемая дистанция езды! Возможно, вы сможете пробежать милю на высокой скорости, которая не подходит вам для 100-мильной поездки.

По опыту вы, вероятно, знаете, что механизм, который кажется идеальным на ровной поверхности, может быть преодолен, как только вы столкнетесь с уклоном: вы делаете дополнительное усилие, но мотоцикл тормозит. Это связано с тем, что выходной крутящий момент слишком мал для подъема велосипеда в гору. Переключение на пониженную передачу позволяет вам поддерживать скорость, которая была бы невозможна на высокой передаче.