6. Рекуперация – это накопление энергии упругой деформации связок и сухожилий, которая характеризуется их растяжением.
Количество накапливаемой энергии зависит от многих параметров и в первую очередь от работы мышц, связок и сухожилий.
Рекуперация энергии в движениях человека осуществляется двумя способами.
Во-первых, кинетическая энергия движения может переходить в потенциальную энергию гравитации (сил тяжести), Например, в обычной ходьбе наивысшему положению ЦМ тела (максимуму потенциальной энергии) соответствует минимум кинетической энергии, и наоборот, кинетическая энергия тела самая большая, когда его ОЦМ находится в самом низком положении. Образно можно себе представить, что ОЦМ движется как шарик, катящийся по неровной поверхности: на подъемах кинетическая энергия переходит в потенциальную, а на спусках – наоборот. Благодаря этому полная механическая энергия тела (т. е. сумма его кинетической и потенциальной энергии) сохраняется. Разумеется, это сохранение не стопроцентное — значительная часть энергии рассеивается. Но все, же благодаря описанному явлению экономичность ходьбы значительно повышается.
Во-вторых, кинетическая энергия движения превращается в потенциальную энергию упругой деформации мышц, а накопленная потенциальная энергия частично снова превращается в работу – идет на сообщение скорости телу и его подъём. В модельных опытах (прыжки на месте) показано, что рациональное использование упругих сил мышц может повысить экономичность работы более чем в 2 раза.
7. Выносливость — это способность человека преодолевать утомление и эффективно действовать при этом.
Если человек длительное время выполняет какое-то двигательное задание, то его движения можно классифицировать:
— по интенсивности (скорость, сила и т.д.);
— по объему (метры, работа и т.д.);
— по времени выполнения (секунда).
Выделяют 3 способа определение выносливости:
1. задается время выполнения работы
измеряется объем работы (расстояние)
определяется скорость выполнения
2. объем работы постоянен
измеряется время выполнения
определяется скорость выполнения движения
3. скорость выполнения постоянная
измеряется время выполнения
определяется объем работы
Для оценки выносливости используют термин утомление, что означает временное снижение работоспособности. Различают умственное, эмоциональное и физическое утомление. Биомеханика рассматривает только физическое утомление.
При мышечной работе утомление проходит через 2 фазы:
1. Фаза компенсированного утомление — когда спортсмен сохраняет интенсивность движения на прежнем уровне (например, скорость бега).
2. Фаза декомпенсированного утомления — когда, несмотря на все старания, спортсмен не может сохранить необходимую интенсивность (например, турист, отставший от группы)
8. Проблема экономизации спорт техники: Если у разных спортсменов при выполнении одного и того же двигательного задания измерить энергозапрос, то его величины могут оказаться резко различными: одна и та же работа будет для разных спортсменов связана с неодинаковым расходом энергии.
Экономичность работы нередко оценивают с помощью коэффициентов, связывающих величины выполненной работы, с величинами затраченной при этом энергии.
Использование указанных коэффициентов, во-первых, позволяет анализировать лишь внешние результаты двигательных заданий (но не процессы, лежащие в их основе); во- вторых, приемлемо лишь при анализе двигательных заданий сходного типа. Можно, например, сравнивать величины этих коэффициентов в одном и том же движении (например, в беге), и нельзя – в движениях далеких друг от друга (например, в плавании и прыжках в воду).
В циклических локомоциях для характеристики экономичности техники обычно используют не указанные выше коэффициенты, а так называемую константу пути – величину энергозатрат, приходящуюся на 1 метр пути.
При сравнении разных локомоций значения константы пути и коэффициентов экономичности работы могут не совпадать, поскольку в разных локомоциях для того, чтобы преодолеть одно и то же расстояние, надо выполнить разную механическую работу.
Экономичность техники зависит от двух групп факторов: 1) физиологических и биохимических (в частности от того, аэробными или анаэробными процессами обеспечивается поставка энергии) и 2) биомеханических.
Коэффициенты: 1. Валовый коэффициент (брутто-коэффициент) экономичности работы:
K1=A/E где А — выполненная механическая работа (в джоулях), Е— затраченная энергия (в джоулях).
2. Нетто-коэффициент; в данном случае из величины энергозатрат при выполнении работы вычитают величину энерготрат в состоянии покоя (в условиях основного обмена или в рабочей позе):
K2=A/(E-En) где А — величины работы (в джоулях), En —энерготраты (в джоулях).
3 Дельта коэффициент сравнивают величины выполненной работы в двух двигательных заданиях разной интенсивности
K3=(A2-A1)/(E2-E2) где A 1 и А 2 величины работы в джоулях, Е1 и Е2 энерготраты в джоулях.
Особенности спортивной техники в упражнениях, требующих большой выносливости:
1.устранением ненужных движений, 2.устранением ненужных сокращений мышц. (У квалифицированных спортсменов суммарное время активности мышц меньше, время расслабленного состояния больше, чем у новичков. Это достигается за счет так называемой концентрации активности мышц.), 3.уменьшением внешнего сопротивления (уменьшением сопротивления воды в плавании за счет выбора более обтекаемого положения тела); 4.уменьшением внутрицикловых колебаний скорости. (Повышение скорости (после ее падения) требует затрат энергии. По возможности такие колебания надо уменьшать); 5.выбором оптимального соотношения между силой действия и скоростью рабочих движений, 6.выбором оптимального соотношения между длиной и частотой шагов.
10. Различают простые и сложные двигательные реакции. Простая реакция — это ответ заранее известным движением на заранее известный (внезапно появляющийся) сигнал. Примером может быть скоростная стрельба из пистолета по силуэтам, старт в беге и т. п. Все остальные типы реакций — когда заранее не
известно, что именно надо делать в ответ на сигнал и каким будет этот сигнал, — называются сложными. В двигательных реакциях различают:
а) сенсорную фазу — от момента появления сигнала до первых признаков мышечной активности (обычно они регистрируются по ЭМГ, т. е. по появлению электрической активности в соответствующих мышечных группах);
б)премоторную фазу (электромеханический интервал — ЭМИ) — от появления электрической активности мышц до начала движения. Этот компонент наиболее стабилен и составляет 25—60 мс;
в) моторную фазу — от начала движения до его завершения (например, до удара по мячу).
11. Эргометрией называется совокупность количественных методов измерения физической работоспособности человека. Развитие эргометрии связано с необходимостью охарактеризовать различные режимы выполнения двигательных заданий на количественном уровне. Для этого выбраны три основные переменные.
1. Интенсивность выполняемого двигательного задания. Этим обозначается одна из двух механических величин: а) скорость передвижения спортсмена (например, в беге – единица измерения м/с); б) мощность (например, при педалировании на велоэргометре — единица измерения – Вт).
2. Объём выполненного двигательного задания. Этим обозначается одна из двух механических величин: а) пройденное расстояние (например, в циклических упражнениях (беге, беге на лыжах, коньках, плавании и т. п.) – единица измерения – м); б) выполненная работа (в физическом смысле, например, при вращении педалей велоэргометра, подъёме штанги – единица измерения – Дж).
3. Время выполнения (единица измерения – с).
Показатели интенсивности, объёма и времени выполнения называются эргометрическими показателями. Один из них всегда задаётся как параметр двигательного задания, два других измеряются.
Например, первый тест – задаётся параметр – дистанция 3000м. Измеряется время пробегания дистанции (например, 12 мин); из этих показателей высчитывается скорость: V = S / t; V = 3000 м / 720 с = 4,16 м/с.
Второй тест – задаётся параметр – бег 12 мин. Измеряется пройденная дистанция (например 3000м). Высчитывается средняя скорость: V = S / t; V = 3000 / 720 = 4, 16 м/с.
Третий тест – задаётся средняя скорость – бег со скоростью 4,16 м/с. Измеряется время выполнении задания до снижения скорости (например – 12 мин). Высчитывается расстояние: S = V · t; S = 4,16 · 720 с = 3000м. То есть, если испытуемый сможет поддерживать среднюю скорость во время бега (например на тредбане) в течении 12 мин, то он преодолел бы расстояние 3000м.
На этих примера доказано, что если величины времени, интенсивности и объёма двигательных заданий соответствуют друг другу, то при разных вариантах заданий получаются совпадающие результаты. Поэтому результаты, полученные в заданиях одного типа можно переносить на задания другого типа, если только задаваемые и регистрируемые показатели совпадают. Это так называемое правило обратимости двигательных заданий.
Эта таинственная рекуперация
Двигатель постоянного тока, стоящий в моноколесе, может работать как генератор, заряжая батареи на торможении. Однако возможность еще не означает, что рекуперация непременно есть. Из того, что у людей заряжались колеса при, например, спуске с горы, можно сделать вывод, что рекуперация в моноколесах все-таки используется, но ее точный вклад в торможение оставался неизвестным. Но недавно пользователи форума Электротранспорт.ру сделали полноценный ваттметр с логгером и посмотрели, что происходит с током и напряжением при езде. По результатам измерений рекуперация есть точно, но куда-то пропал еще один тип торможения.
Немного физики
Электродвигатели постоянного тока, которые стоят на моноколесах, имеют три варианта торможения.
Рекуперативное торможение. В этом случае двигатель превращается в генератор и переводит кинетическую энергию в электрический ток, который уходит в сеть (электровозы и метро) или в аккумуляторы (электрокары). Рекуперативное торможение возможно, когда скорость вращения превышает скорость идеального холостого хода.
Реостатное торможение. Здесь двигатель также работает, как генератор, но получаемая энергия уходит в нагрев тормозных резисторов. Довольно распространено на железной дороге.
Тормозные резисторы
Реверсивное торможение, оно же торможение противотоком или противовключением. В этом случае двигатель не превращается в генератор, но начинает тянуть в противоположную движению сторону. Например, если электромотор тянет вверх груз, и на этот груз запрыгивает хулиган, перевешивая возможности мотора, то груз начнет опускаться, а двигатель окажется в режиме реверсивного торможения. В таком режиме протекающий через обмотки ток гораздо выше, чем при нормальной работе, и это может создать определенные проблемы.
Специфика моноколеса
У многих моноколес нет передней и задней части, и контроллер не разгоняется и не тормозит, а все время решает задачу обратного маятника, пытаясь подъехать под ездока, который может пользоваться этим для эффектных трюков.
Например, здесь райдер очень резко тормозит и начинает разгоняться вправо.
Также, известно, что в конструкции моноколеса нет тормозных резисторов, и реостатное торможение в принципе невозможно. Теоретически, логично предположить, что в процессе торможения сначала на высокой скорости будет задействоваться рекуперативное торможение, которое на каком-то этапе перейдет в торможение противовключением, которое, если мы не прекратим давить на педаль в ту же сторону, перейдет уже в двигательный режим, и мы поедем в противоположную сторону. Но реальные измерения оказались очень любопытными.
Исследования на железе
Пользователь форума Drift3r собрал из Raspberry Pi и «nRF24L01+» ваттметр с логгером, который устанавливался в разрыв кабеля от аккумуляторных батарей.
В собранном виде на колесе другого пользователя Ripido
Ваттметр учитывал направление тока, там, где батареи заряжались, ток и мощность уходили в минус.
График в полном размере
Если посмотреть на красные линии, то получается, что в глубоком устоявшемся торможении не видны следы торможения противотоком — пока скорость падает, ток идет в батареи.
Интересно, что показатели встроенного логгера, если не учитывать ток по модулю, отличаются от данных ваттметра только на участках довольно резких маневров.
График в полном размере, Awhe, Vwhe — встроенный логгер колеса, Alog, Vlog — логи ваттметра
Гипотезы и возможные эксперименты
- Торможение противотоком пропало из-за усреднения или рассинхронизации данных, графики не отражают реального положения вещей.
- Очень низкое значение скорости идеального холостого хода позволяет тормозить почти до нуля, и переход на торможение противотоком мы не замечаем
Также, попробуем провести следующий мысленный эксперимент. Ситуация первая — мы катимся с горки со скоростью 20 км/ч. В этом случае, очевидно, работает рекуперация. Ситуация вторая — мы стоим на горке (моноколесо стоять не может, так что мы легко касаемся пальцами столба и за счет этого не заваливаемся набок). В этом случае мы, очевидно, работаем в тяговом режиме, потому что надо прикладывать усилие, чтобы не покатиться вниз. Ситуация третья — мы спускаемся со скоростью 1 миллиметр в секунду с крутой горки, придерживаясь за столб. В этом случае колесо, очевидно, работает в режиме противовключения, потому что итоговый баланс энергии отрицательный — она расходуется на то, чтобы не скатиться под горку быстрее, чем мы движемся. И где-то между ситуациями 1 и 3 у нас будет переходный момент, когда итоговый энергетический баланс будет околонулевым — скатываться быстрее будет выгодно энергетически, а движение медленнее будет требовать энергетических затрат.
Практическое применение
У всех этих рассуждений есть очень простые следствия:
Есть забавная история о том, как на трассе заряжали электромобиль Tesla — его взяли на буксир, и водитель Tesla давил на педаль тормоза, чтобы рекуперация заряжала батареи. С моноколесами то же самое — если у вас почти сел аккумулятор, пусть вас возьмет на буксир соратник на велосипеде, самокате, роликах или моноколесе (пожалуйста, берегите себя и не пробуйте цепляться за машины или общественный транспорт!).
У моноколес есть защита от перезаряда батарей. То есть, если вы оказались на вершине горы с полной батареей, попытка спуститься будет сопряжена с тревожными сигналами моноколеса о перезаряде аккумуляторов — обычно они начинают пищать и задирать педали (вместо горизонтального положения их передняя часть будет выше задней). Но это легко исправить — проехав метров сто вверх, желательно побыстрее, вы сможете спуститься на километр-два. Лайфхак повторять до окончания спуска.
Заключение
В публикации использованы фотографии пользователей Ripido и Drift3r, темы, где обсуждалась рекуперация тут и тут. Также использованы стоп-кадры из рекламного ролика с участием недавнего победителя конкурса моноколесных талантов Дамьена Гоме. Дамьен — профессиональный акробат, поэтому ролик, на мой взгляд, красив сам по себе и наглядно показывает возможности любого хорошего моноколеса.
Система рекуперативного торможения
В системе рекуперативного торможения для замедления используется электродвигатель, включенный в трансмиссию автомобиля. При торможении электродвигатель начинает работать в генераторном режиме, на валу двигателя создается тормозной момент и вырабатывается электрическая энергия, которая сохраняется в аккумуляторной батарее. Запасенная электрическая энергия используется в дальнейшем для движения автомобиля.
Применение системы рекуперативного торможения обеспечивает максимальную отдачу от каждого заряда аккумуляторной батареи и высокую топливную экономичность. Рекуперативное торможение наиболее эффективно на передней оси автомобиля, т.к. до 70% кинетической энергии при торможении приходится именно на переднюю ось.
Эффективность системы рекуперативного торможения значительно снижается на низких скоростях движения автомобиля. Поэтому для доведения автомобиля до полной остановки используются традиционные фрикционные тормоза. Совместная работа двух систем находится под управлением электроники.
Отдельный электронный блок управления реализует следующие функции:
— контроль скорости вращения колес;
— поддержание тормозного момента электродвигателя, необходимого для замедления автомобиля;
— перераспределение тормозного усилия на фрикционную тормозную систему;
— поддержание крутящего момента, необходимого для зарядки аккумуляторной батареи.
В данной тормозной системе механическая связь между педалью тормоза и тормозными колодками отсутствует. Решение о торможении принимает электроника на основании анализа действий водителя и характера движения автомобиля.
В работе электронная система рекуперативного торможения взаимодействует с антиблокировочной системой тормозов, системой распределения тормозных усилий, системой курсовой устойчивости, усилителем экстренного торможения.
Система рекуперации кинетической энергии
Помимо электрического способа рекуперации кинетической энергии существуют и другие способы: механический, гидравлический, пневматический. Самый распространенный из них является механический способ и построенные на его основе система рекуперации кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems, KERS). В данной системе кинетическая энергия движущегося автомобиля возвращается при торможении и сохраняется для дальнейшего использования с помощью маховика. В отличие от рекуперативного торможения система KERS не создает тормозной момент.
Маховик включен в трансмиссию автомобиля, вращается в вакуумной камере и при торможении разгоняется до 60000 об/мин. Конструкция обеспечивает сохранение энергии до 600 кДж и передачу мощности до 60 кВт (80 л.с.). Запасенная энергия используется для кратковременного скоростного рывка в движении или при трогании с места.
Система KERS применяется в автоспорте на автомобилях Formula 1 с 2009 года. На автомобилях массового использования применение данной системы только планируется. Ближе всех к серийному применению системы рекуперации кинетической энергии находятся разработки компании Volvo.
Cистему KERS предлагается использовать при движении автомобиля в городском цикле. При торможении двигатель автомобиля выключается, маховик раскручивается и запасает энергию. При трогании с места используется энергия маховика, автомобиль трогается, а двигатель запускается уже в движении.
По заявлениям Volvo применение системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение расхода топлива на 20% и сокращение вредных выбросов.
Рекуперация на электросамокатах
В технических характеристиках многих моделей электросамокатов можно увидеть упоминание о рекуперации. Далеко не все знакомы с сутью этой технологии, и еще меньше представляют, чем она может быть полезна. При этом цена таких девайсов на порядок выше. Как же работает рекуперация и зачем она нужна? Попробуем разобраться в данном вопросе.
Значение и суть рекуперации
Термин «рекуперация» произошел от латинского «recuperatio», что означает «обратное получение» или, другими словами, возвращение определенного количество потраченной энергии. Если рассматривать данное явление в рамках транспортных средств, то по сути это преобразование энергии кинетического вида в электрическую. И происходит данный процесс именно в момент торможения.
Проще говоря, рекуперация позволяет на короткий промежуток времени превратить электродвигатель в средство зарядки аккумулятора. Данная технология востребована на всех видах электротранспорта – в трамваях, электричках, электромобилях, эль-байках и конечно же в электросамокатах.
Возвращенная от рекуперации энергия благодаря инженерным решениям используется при последующем ускорении. А учитывая, что процесс начинается только при торможении, наиболее эффективно технология работает в городских условиях, где транспортное движение вынуждает водителей постоянно притормаживать.
Виды рекуперации
Различают три вида рекуперации – электрическую, механическую и гидравлическую. Механическая разновидность используется на спортивных болидах, гидравлическая – на городских автобусах и крупнотоннажном грузовом транспорте.
Однако наибольшее распространение получила именно электрическая рекуперация. Сегодня эта технология активно применяется производителями электрокаров и гибридов. Не обошли ее стороной также разработчики электрических самокатов и велосипедов.
Зачем нужна рекуперация: преимущества и недостатки
То, что в процессе торможения выделяется энергия, замечено было давно. Чтобы не терять эту «дармовую» энергию, ее сначала преобразовывали в тепло на резисторах. Однако, как показала практика, в теплое время года и без того горячие резисторы требовали увеличения расходов на систему охлаждения, что делало процесс нерентабельным. В итоге со временем была разработана рекуперационная технология, которая не имела первоначальных недостатков, зато быстро нашла свое применение в производстве электрического транспорта.
К основным преимуществам использования рекуперации в электросамокатах относят следующее:
- Удобство использования девайса в черте города, где требуется частое притормаживание. Эффективность технологии тесно связана с количеством препятствий во время движения.
- Возможность применения электродвигателя в качестве генератора на участках дорог с уклоном (электросамокат двигается накатом).
- Увеличение запаса хода на 7-10% благодаря частичной подзарядке аккумулятора во время рекуперации.
Эффективность технологии зависит от основных элементов транспортного средства: контроллера, АКБ, двигателя. Соответственно при выборе электросамоката стоит отдать предпочтение моделям с рекуперацией, но при этом обратить внимание и на их основные технические характеристики.
Однако рекуперация в самокате – это не только плюсы. Технология имеет и свои недостатки. И первый из них – стоимость. Электросамокат с рекупераций стоит на порядок дороже аналогичных моделей без нее. Прибавка к ценнику может составлять от 20 до 40%. А это весьма существенно для кошелька покупателя.
Рекуперация бесполезна при езде по ровной трассе с низкой интенсивностью движения. В этом случае стоит отказаться от девайса с данной технологией. Она просто не окупится.
Технология рекуперации повышает сложность конструкции электросамоката, а значит и затраты на его ремонт могут возрасти. Мастер, который производит обслуживание такого транспорта, должен обладать необходимыми знаниями, опытом и квалификацией, чтобы справиться с проблемой.
Как работает рекуперация энергии при торможении на электросамокате?
Принцип работы рекуперации довольно прост. Обычно в момент торможения кинетическая энергия преобразовывается в тепловую. Об этом можно судить по нагреву тормозных колодок. В большинстве случаев тепло рассевается, однако технология рекуперация не позволяет этому произойти. За счет двигателя, работающего на постоянном токе, она преобразовывает энергию торможения не в тепловую, а в электрическую, и затем направляет ее в аккумуляторную батарею.
Эффективна ли рекуперация?
Мнения специалистов по поводу эффективности рекуперации расходятся. Некоторые считаются, что процент ее полезности слишком низкий, а стоимость внедрения при этом высокая. Другие утверждают, что иногда и этого количества возвращенной энергии достаточно, чтобы райдер мог доехать до пункта назначения.
Однозначно можно сказать следующее:
- рекуперация позволяет экономить энергию в процессе передвижения (торможения) на электрическом самокате;
- величина последней зависит от частоты и продолжительности торможения, скорости и технических характеристик устройства;
- рекуперативное торможение продлевает срок службы тормозных колодок (они меньше нагреваются).
Покупая электросамокат с технологией рекуперации, райдер должен заранее ответить на вопрос, где будет использоваться транспортное средство и окупится ли функция в результате эксплуатации устройства. Необходимо понимать, что увеличить пробег в несколько раз за счет использования данной технологии не получится, а вот выиграть пару-тройку лишних километров – вполне.
Купить электросамокат с рекуперацией предлагаем в нашем онлайн-магазине. У нас вы найдете широкий выбор транспорта под любой бюджет и технические требования. Доставка осуществляется по всей территории РФ.