Посмотрев на картинку любой человек скажет что это лишь имитация «заводного» автомобиля и шутка.
Но были ли настоящие заводные пружинные транспортные средства?
Да! И более того это была практически всегда история на уровне некой конкуренции с обычным транспортом того времени.
15 век
Впервые упоминание «самодвижущейся» повозки можно найти в описании машины Леонардо да Винчи.
Леонардо естественно спроектировал это самоходную тележку вовсе не как прототип современного автомобиля, но тем не менее она была способна перемещать как человека, так и грузы.
Приводимая в движение с помощью двух плоских пружин(напоминающих конструкцию арбалетов того времени) самодвижущаяся деревянная повозка размером 1 x 1 х 1 метр могла проехать расстояние около 40 метров достигая скорости в 5 км / час. Немного конечно, но делала она это без какой-либо посторонней помощи, что на то время смотрелось смело(с учетом инквизиции).
При этом в процессе ей можно было управлять через рулевой механизм расположенный в задней части.
Но что возили на этой «машине»? Конечно, это устройство не было предназначено для перевозки людей, а служило лишь как средство для перемещения декораций во время королевских праздников.
Сами же короли… были не прочь приобрести и более масштабную модель «заводной кареты» в дальнейшем.
Так еще в 18 веке нюрнбергским часовщиком И. Хаучем была построена механическая повозка, источником движения которой была большая часовая пружина. Согласно описанию того времени одного завода такой пружины хватало на 45 минут езды(без уточнения скорости и расстояния пробега).
Эта повозка была куплена королём Швеции Карлом, который пользовался ею для поездок по королевскому парку. Что было с учетом простоты использования и компактности «прото-автомобиля» куда удобнее «живого» транспорта.
Хотя без сомнения тяжесть «зарядки» такой кареты ложилась полностью на «живые источники энергии». Что в целом было даже в какой-то мере оправданно для самого «движителя» ведь лошади могли отдыхать в то время как за них работал механизм пружины для перемещения королевской особы.
Менее масштабные варианты пружинного транспорта изготавливали уже инвалиды того времени знакомые с часовым делом для своих индивидуальных нужд.
Один из примеров выше - повозка Стефана Фарфлера. Эта машина позволяла часовщику самостоятельно добираться до церкви и обратно без посторонней помощи(что судя по всему было совсем небольшое расстояние на то время).
Много это было или мало с точки зрения транспорта того времени? Для большинства скорее всего мало, но как транспорт решающий практическую задачу меньшинства это был путь решения проблемы. Разумеется даже самые лучшие технологии того времени не давали шанса на серьезный пробег, а качество основного материала-накопителя(пружин) оставляло желать лучшего.
Поэтому несмотря на удобство массового использования эта технология не получила.
18 — 19 век.
История эволюции заводных машин долгое время оставалась мало заметной. Вплоть до того момента как в 1775 году в Париже 28-летний часовщик Бреге не побоялся открыть собственное часовое ателье, и уже через пять лет создал уникальное творение — первые часы, которые не нужно было заводить. Эта модель была с автоподзаводом, заводными барабанами и инерционным грузом.
Принцип автоподзавода позже стал основой для большинства патентов и реально построенных транспортных средств после в следующем веке. А с началом 19 века в индустрии часового дела произошли существенные изменения и технологического плана производства материалов более прочных и легких сплавов металлов.
В этот период времени появились целый ряд патентов относящихся к пружинным транспортным средствам, приводимым в движение витыми пружинами, датируемыми от конца 1880-х и до 1890-х годов.
На данный момент если оперировать известными фактами выбор тут невелик. С фотографиями и описанием пробега есть только несколько машин.
Первая больше всех походила на карету, чем фактически и была.
В патенте от 1870 года выданному некоему Ф.Форсайту штат Мичиган описывался пружиномобиль с двумя пружинными моторами снабжённому системой рычагов и шестерёнок для завода пружин и переключения тяги с одной пружины на другую. Тут четко просматривался силуэт легкой повозки каретного типа, и не исключен именно традиционный тип привода в случае поломки пружинного.
Другой патент больше напоминает… велосипед.
Одноместный аппарат неизвестного изобретателя 1895 года явно был вдохновлен именно получившими популярность в то время велосипедным транспортом!
Этот механизм похожий на веломобиль приводился в движение четырьмя большими пружинами и был способен пройти 4.4 км на одной «накрутке».
Далее велосипедная аналогия прослеживается еще больше в патенте 1891 года. Он так и назывался трехколесный велосипед с пружинным приводом.
Он приводится в движение часовым механизмом пружин, которые заводился так же как часы. Натяжение пружины можно было ослабить, пропустив колеса через очень сложную зубчатую передачу. Два шара действовали как регулятор скорости(маховик) и не давали ускорению машины выйти из-под контроля. Возможность рекуперации не упоминалась, но судя по наличию махового элемента была как минимум возможной.
Следующий патент был еще нагляднее.
Автомобиль с пружинным двигателем от неизвестного английского механика в 1870 г. Был всего лишь.. взрослой версией детской заводной игрушечной коляски с пружинным приводом от Cunningham & MacCarthy.
Для ее «зарядки» требовалось пятнадцать минут значительных физических усилий, чтобы потом начать движение.
Последующие патенты, и даже упоминаемые реально построенные в металле прототипы «взрослых» заводных машин не сохранили фотографий, но имеют более полное описание примеров использования.
Так одним из таких патентов был поданный в 1891 году Даниэлем И. Лайбе документ на необычную машину с пружинным приводом. Согласно патенту пружина автомобиля Лайба была первоначально намотана с использованием силы ног и рук, с идеей, что она будет расходовать мощность на ровной поверхности и в гору, но восстанавливать «заряд» при спуске. Изобретатель заявлял о скорости 44 км в час и считал, что его машина «предоставит приятные виды упражнений в дополнение к преимуществам в скорости».
Автомобиль Lybe, по-видимому, участвовал в первых автогонках, проводившихся в США в 1895 году, но неизвестно, финишировал ли он. Точно неизвестно, сколько автомобилей с пружинным механизмом, запатентованных в США (и, вероятно, также в других странах), было построено и испытано на самом деле, но второй пример автомобиля с заводным механизмом, который был построен и управлялся в начале 1890-х годов, — это трехместный автомобиль с пружинным заводом Ингерсолла Мура из Блумингтона, штат Иллинойс, который приводился в движение четырьмя заводными двигателями, каждый из которых имел три плоских спиральных пружины. Они были соединены зубчатой передачей и все могли быть заведены с помощью рычага с правой стороны водителя. Храповые механизмы двойного действия позволяли сворачивать пружины, когда автомобиль двигался в любом направлении, хотя это, должно быть, была тяжелая работа, поскольку водитель фактически управлял автомобилем одной рукой.
Чуть позже, в 1890-х годах, были попытки создания машин с пружинным приводом, от других изобретателей. Например, машина разработанная неким А. Бердиком (имя неизвестно) из Хаббелла, штат Небраска, как и автомобиль Lybe 1895 года была спроектирована так, чтобы приводиться в действие одной главной пружиной, точно так же, как механические часы работают от главной пружины.
Автомобиль можно было завести вручную (хотя, по-видимому, существовал второй вариант наматывания пружины с помощью небольшого электродвигателя) или, в качестве альтернативы, пружину можно было завести, когда машина катится с холма; энергия, накопленная на пути вниз, могла быть использована для подъема на следующий холм. Очевидно, что владелец / водитель предпочел бы, чтобы автомобиль ехал почти бесконечно за счет автоматического подзавода пружины при движении вниз по склону.
Автомобиль Бердика с пружинным заводом не имел успеха. Капризы реального ландшафта были слишком сильны для него, а перспектива часто заводить пружину вручную слишком пугала.
Как пишет автор «Таинственного мира» Алана (2010): «Если ландшафт не представлял собой бесконечную череду небольших холмов, разделенных короткими плоскими долинами, машина быстро сталкивалась с проблемами: она закручивалась, спускаясь с больших холмов, она никогда не могла подняться на вершину холма. Холм больше, чем тот, с которого он только что спустился, и на длинных ровных участках у него закончилась мощность. Все, что потребовалось, это один тест-драйв, чтобы большинство людей оценили эту машину ».
В целом это не сильно отличается на наше время от описания работы гибридного привода Prius-a??
Но не стоит думать что рекуперацию за счет пружин пытались в то время применить только для небольших транспортных средств. В то время пружинный привод даже испытывали на трамваях!!!
19 век. Трамвай.
Так компания Thomas Middleton & Co из Саутварка, Лондон, в мае 1875 г построила трамвай по проекту бельгийца Э. Х. Лево, который использовался для буксировки трамвайного вагона в депо Lillie Bridge на Metropolitan & District Railway; он мог двигаться со скоростью до 10.3 км в час на дистанции в 741 метр. Но работа «заводного» буксировщика продлилась недолго и в 1876 году эксплуатация прекратилась.
Более смелые планы на технологию пружинного привода трамвая планировали реализовать и даже испытали в США.
В том же году в США Лево тестировал технологию трамвая с заводным механизмом с большим пробегом.
По проекту патента небольшая стационарная паровая машина мощностью около 5 лошадиных сил должна была накручивать ряд составных спиральных пружин в цилиндрах, закрученных в противоположных направлениях, чтобы обеспечить постоянную мощность.
Максимальная скорость 10.3 км в час на пробеге в 741 метр была получена на одном витке с шестью пружинами (два комплекта по три ствола) на 5-тонном трамвае(это был аналог привода буксировщика). Но после при увеличении количества пружин в трамвае удалось в 1876 году увеличить пробег до 2.9 км с использованием 24 пружин.
В том же году по патенту Лево компания Automatic Spring Motor Car & Carriage Company описывала свои планы по строительству трамвая с восемью сборками с десятью пружинами в каждой, которые, как они полагали, могли пройти не менее 11.8 км.
По планам у этой машины должен был быть регулятор для ограничения максимальной скорости, а мощность обеспечивалась работой от отдельных сборок в зависимости от нагрузки.
Также предполагалось, что для перемотки пружин можно было бы использовать инерцию при торможении на остановках, и торможении на спуске, но это не исключало установку обычных тормозных механизмов. Этот метод рекуперации так же был заявлен одной из причин увеличения пробега до 11.8 км.
Подумали в компании на то время и об удобстве эксплуатации. Так в теории согласно заверениям компании поломка одной пружины не сильно бы уменьшила мощность, и было заявлено, что пружины можно было бы легко заменить примерно за два часа. Утверждалось, что всего двух стационарных паровых машин мощностью от 15 до 20 лошадиных сил каждая будет достаточно для работы городской железной дороги, оставляя резервные мощности для снабжения их мастерских в периоды простоя.
Больше информации по этим трамваям компании нет. Зато есть более оригинальное предложение от самого изобретателя в тот же период времени.
Он предлагал и более оригинальный подход к увеличению пробега в виде прицепного буксировщика.
При подобной схеме размещения пружинного привода трамвай становился похож по принципу использования на конкурирующий на тот период времени… трамвай с конным приводом. По сути и сумме озвученных характеристик это так и было с той лишь разницей первоначальных источников энергии.
И если полагать что этого типа привода и скорости мало на наше время то это будет неправильно. Так аналог пружинного привода — гиробус, не сильно отличался от трамвая по пробегу, весу и скорости при эксплуатации уже в 20 веке!
Просто сравните. Работавший с 1955—1956 год гиробус в Конго при весе в 10.9 тонны, пробеге между зарядками 4 км, и скорости в максимуме 60 км имел трудности с устойчивостью и безопасностью.
Впрочем, 20 век стал знаменит уже другим способом повысить эффективность привода от сжатия материала. Появилась качественная резина которая по уровню энерго накопления далеко превосходила металлические пружины.
20 — 21 век. Современные образцы машин с пружинным приводом
Сейчас если прочитать в научно-популярном тексте Гулиа(«в поисках энергетической капсулы») описание «резино-мобиля» можно понять насколько этот новый материал превосходил классический металл по уровню накопления энергии.
Для этого достаточно процитировать часть текста.
«На первый взгляд кажется: ну что за материал резина по сравнению с прочнейшей проволокой? Но это только на первый взгляд. Проверим все в цифрах. Чтобы вытянуть резиновый жгут сечением сантиметр на сантиметр вдвое, нужно приложить силу около 200 ньютонов. Я вычислил это, подвешивая к жгуту различные грузы. А до разрыва хорошая резина из натурального каучука растянется раза в четыре, не меньше.
Метровый резиновый жгут такого сечения имеет массу чуть больше ста граммов, а накопит при полном растяжении около 3 килоджоулей энергии. Стало быть, плотность энергии резины как аккумулятора, достигающая 30 килоджоулей на килограмм, превышает почти в сто раз этот показатель у пружин!»
«Какова же будет масса резинового аккумулятора, пригодного для автомобиля? Необходимые 25 мегаджоулей энергии наберут всего около 900 килограммов резины. Это уже не 50 тонн! Над таким аккумулятором можно и поработать.»
Основная трудность, с которой пришлось столкнуться, – это как преобразовать вытяжку резины во вращательное движение вала. Ведь в конечном итоге накопленная энергия должна вращать вал. Если вращения не нужно, то все гораздо проще. Вот в подводном ружье или в той же рогатке резина тоже аккумулирует энергию. Но все обходится ее растяжением, и это очень облегчает задачу. В резиномоторах для моделей жгут из тонких резиновых нитей закручивают. Кто изготовлял такие резиномоторы, знает, как перекручивается жгут при заводке мотора, как трутся петли резины друг о друга. Их даже смазывают касторкой, чтобы уменьшить трение. В результате – много потерь энергии, быстрый износ. Для модели это не так уж важно, а для настоящих машин, где огромное значение имеют коэффициент полезного действия – КПД и долговечность, совершенно неприемлимо.
Итак, резину нужно только растягивать. Первой мыслью, конечно, было привязать к концу резинового жгута веревку и наматывать ее на вал, который должен вращаться.
Я так и сделал. Превратить «безменовоз» в «резиновоз» было делом получаса. Под днищем тележки я закрепил конец резинового жгута, ко второму концу привязал шнурок, а шнурок намотал на ось колеса – и нехитрый привод был готов. Стоило прокрутить колеса тележки в обратную сторону, как резина растягивалась, накапливая энергию, которая затем двигала «резиновоз», когда я ставил его на пол. Я убедился, что как транспортная машина он гораздо лучше «безменовоза»: и проходит большее расстояние, и движется плавнее.
Но для реальной машины это не подходит. Если даже изготовить толстенный резиновый жгут сечением в квадратный дециметр, то для накопления нужной энергии он должен быть длиной не менее 100 метров! Растянется же этот жгут почти на целый километр. Это не то что на автомобиль, на поезд не поместится.
Если перекидывать жгут через блоки, как трос в подъемных кранах, то, хотя мы и сократим его длину, почти всю накопленную энергию «съедят» потери в блоках. Ведь резина – не стальной трос, она сильно растягивается, и при огибании блока жгут будет так тереться об его поверхность, что потери энергии, как и износ резины, неминуемы.
И еще. Сам по себе жгут сечением в квадратный дециметр, растягиваясь, может развивать силу в несколько тонн. Перекинув жгут через блоки, мы как бы складываем его раз в сто (чтобы сократить километровую длину хотя бы до пригодных для автомобиля десяти метров), при этом усилие растяжения достигнет сотен тонн. Этакая сила запросто «сложит» автомобиль, совсем как трубу телескопа. Подобные аварии машин так и называются – «телескопирование».
Да, неразрешимая проблема. Всем хороша резина, но слишком уж неудобна в обращении...
И тут совершенно неожиданно мне в голову пришла удачная мысль: если навить резиновый жгут на очень скользкий цилиндр (представим себе, что мы имеем такой идеально скользкий цилиндр), как на катушку, по спирали, то можно сильно сократить длину устройства. К тому же все усилие растяжения резины «перейдет» во вращение вала, не понадобится никаких дополнительных механизмов и нечего бояться, что автомобиль «телескопирует». Допустим, диаметр цилиндра будет всего полметра, тогда на каждый метр его длины ляжет не менее 30 слоев жгута, который сильно сузится при растяжении. Это уже составит около 50 метров растянутой резины. Километр уляжется на 20 метрах цилиндра, сделав при этом 600 оборотов.
Лучше и предложить трудно, но пока нет гипотетического идеально скользкого цилиндра. А, собственно говоря, для чего он нужен? Для того, чтобы каждый слой резины на цилиндре мог повернуться относительно предыдущего без трения... Стоп! Ведь такой же результат мы получим, если разрежем цилиндр, как колбасу, на отдельные слои и насадим их свободно на общую ось! Слои эти можно изготовить из легкой пластмассы, даже из дерева.
Я приглядел дома толстую, добротную скалку, которой бабушка раскатывала тесто, и, воспользовавшись удобным случаем, распилил ее на множество тонких дисков. Выкрасил их сразу же раствором марганцовки, чтобы не узнали в моем «изобретении» бывшей скалки. Затем, проделав центральные отверстия, насадил диски на гладкий стальной стержень, на котором они могли свободно вращаться. Кроме этого, я просверлил диски в разных местах, чтобы максимально облегчить их. В самые крайние диски аккуратно, стараясь не расколоть, вбил короткие толстые гвозди, перекинул через них зигзагами резиновый жгут, концы которого связал между собой. Чтобы диски не терлись торцами, переложил их шайбами.
Теперь, вращая крайние диски в разные стороны, я мог растягивать резиновый жгут, накапливая в нем изрядное количество энергии.
Установил я свой «резиноаккумулятор» на оси колеса детской коляски. Крайние диски закрепил неподвижно – один на оси колеса, другой на раме коляски. Закрутив колесо в обратную движению сторону до полного натяжения резины, оборотов на пятьдесят, я затем опускал его на дорогу. Коляска рвалась вперед, как норовистый конь, и резво выносила меня прямо на середину двора на зависть младшим ребятишкам.
Потом я соединил вместе десять таких «резиноаккумуляторов», расположив их под днищем коляски, с приводом на одно заднее колесо. Второе посадил на ось свободно. Передние колеса я сделал рулевыми и ездил на своем «резиновозе» уже метров по триста, вызывая удивление у прохожих. Еще бы! Детская коляска с длинноногим «малюткой» сама собой катилась по улице, причем довольно быстро и бесшумно – совсем как печка с Емелей из сказки!
Моим «резиноаккумулятором» заинтересовались специалисты, тоже из числа прохожих. Один из них, работавший на заводе, посоветовал мне подать письмо-заявку в Комитет по изобретениям, описав в ней мой «резиноаккумулятор». Он и помог составить эту заявку, так как это оказалось непросто, особенно если делаешь в первый раз.
Какова же была моя радость, когда я получил официальное письмо, где говорилось, что мой «резиноаккумулятор» признан изобретением. А затем, почти через год, мне торжественно вручили государственный документ – авторское свидетельство на изобретение. Это был красивый диплом с красной печатью и зеленой лентой, с номером моего изобретения и чертежом «резиноаккумулятора». Тот, кто получает такое авторское свидетельство, уже считается изобретателем. Я очень гордился этим документом и повесил его на стенку.
Надо сказать, что «резиноаккумулятор» действительно вышел неплохой. Правда, он запасал не 30, как я ожидал, а всего 3 килоджоуля на килограмм своей массы, но и это было в десятки раз больше, чем может накопить пружина.
Конечно, я понимал, что это не совсем тот аккумулятор, о котором мечталось. И энергии не мешало бы накапливать побольше, и потерь ее в резине многовато. Да и материал – резина – недолговечный по сравнению с металлом, например. Что ж, значит, все еще впереди.»
Из описания видно, что ученый стремился создать максимально успешный вид резиноаккумуялтора для автомобиля. Но дело в том что ранее до написания его расчетов уже существовали небольшие машины с резиновым приводом!
Это были детские машинки с резиновыми лентами под днищем закручиваемые с помощью электроинструмента.
И если об характеристиках и особенностях детской версии машин с таким приводом мало информации, то о взрослом варианте 21 века известно куда больше!
Такой машиной был Автомобиль № 876 (также известный как Twisted) - это гоночный автомобиль с резиновым приводом, представленный публике в 2008 году в Боневилле.
Этот автомобиль был создан знаменитым на то время гонщиком драгстером Рон Мейном. Он имел привод от резиновых лент, и по замыслу создателя должен был проехать минимально 1482 метра со скоростью 44.4 км в час.
Подробности схемы работы конструкции не раскрывались, но участники заезда предположили что передний набор лент приводил в движение левое колесо, а задний набор приводил в действие правое. У каждого набора лент при ближайшем рассмотрении можно заметить наличие одной шестерни на одной стороне тележки, которая и приводит в движение большую шестерню снаружи».
Самым невероятным на момент испытаний стал максимальный пробег машины в 4.4 км. Но все остальные недостатки машины аналогичны пружинным аналогам прошлого. Это вытягивание резины, разрывы при превышении силы натяжения и неравномерность выдачи момента на колеса.
Похожие спортивные начинания были уже в наше время в картинге.
Но дальнейшая судьба проекта пока неизвестна.
Можно ли сказать теперь что история заводного автомобиля на этом закончилась?
Нет!
Потому что заводной автомобиль в современном понимании слова и формы в наше время все же построили!
Это был заводной автомобиль Генри Хока! Созданный одним из самых плодовитых, но в значительной степени неизвестных изобретателей Южной Австралии, заводной автомобиль передвигался по небольшому полуразрушенному городку Хокс-Блафф, где жил изобретатель. По некоторым данным у его машины была лишь одна пружина огромного размера сзади имеющая промышленное происхождение которую было очень непросто сжать.
Поэтому в конечном итоге идея недетской заводной машины была воплощена в реальность.
P.S. - Это перевод: «Возвращаясь снова к вопросу о том, может ли быть достаточно силы пружины для управления автомобилем в качестве основного источника энергии, я столкнулся с двумя совсем недавними попытками серьезно отнестись к этому вопросу, и обе они были в виде тем Форума. Первая ветка появляется в инженерном разделе «Научных форумов» и была начата Кэмерон Марикал в феврале 2009 года.
Вторая и более содержательная ветка на форуме общего обсуждения часов «NAWCC Forums» открывается необычным постом Родерике в форме «Теоретическая статья по конструкции автомобиля на основе спиральной заводной пружины, используемой в наручных часах и некоторых новых игрушках». . Родерик в своем вступительном сообщении от 21 июня 2011 г. говорит, что он «хотел бы получить профессиональный комментарий по поводу этой концепции», и в ветке содержится много интересных дискуссий по этой идее и вокруг нее. Одним из сторонников использования силы пружины является Лапрад, который 25 июня 2011 г. опубликовал следующее: «Приятно видеть эту тему, так как некоторое время назад я пытался сдвинуть тему с мертвой точки и был проигнорирован. Для городского использования часовой механизм вполне возможен, примерно так же, как электромобили, которые имеют бесплатные удобства в некоторых городах за счет своей экологичности в виде бесплатной парковки!
В городских условиях автомобиль может парковаться или подъезжать к "наматывающей станции".Одной из таких идей для наматывающей станции могут быть пары роликов, которые будут наматывать автомобиль, используя его колеса что мало чем будет отличаться от роликов, используемых в испытательных центрах для проверки тормозов.
Что касается пружин, может быть, это помогло бы, если бы пружин было больше одной: полный привод? Также в некоторых заводных игрушках «маховик» улучшает ход, а в ситуациях спуска такое колесо можно использовать для подзавода машины, как и колеса: своего рода резервная пружина повышающей передачи. Еще одним фактором является вес автомобиля. Корпус из углеродного волокна и большие велосипедные колеса компенсируют вес двигателя или двигателей».
… но на данный момент если говорить о пружинах как аккумуляторе стоит упомянуть тот факт, что современные технологии вышли на этап развития композитных пружин у которых масса на 40-70% меньше массы обычных стальных аналогов при тех же характеристиках работы. Хотя инновацией тут данную технологию назвать нельзя. Потому что еще с 1981 года на Chevrolet Corvette используются композитные листовые рессоры как спереди, так и сзади в поперечном положении. Композитные листовые рессоры обладают схожим рядом преимуществ по сравнению с композитными пружинами, такими как высокая долговечность, большая гибкость, лучшее поглощение энергии вибрации и сопротивление усталости. Композитная листовая рессора примерно в пять раз более долговечна, чем стальная аналогичного размера, а самым большим преимуществом композитной листовой рессоры является ее значительная экономия веса. Это примерно 1/7 веса стальной листовой рессоры. Разница лишь в размерах, и некоторых технологических особенностях.
