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風力で動く乗り物は、帆、凧、または回転翼から動力を得て、車輪（風力で動く回転翼に連結されている場合もある）またはランナーの上を走ります。帆、凧、回転翼のいずれで動力を得るにせよ、これらの乗り物には共通の特徴があります。乗り物の速度が増すにつれ、前進する翼はますます小さな迎え角で見かけの風に遭遇します。同時に、このような乗り物は従来の帆船に比べて前方への抵抗が比較的小さくなります。その結果、このような乗り物は風速を超える速度を出せることがよくあります。
ローターで駆動する例では、ローターと車輪の間の駆動トレインを介して動力を伝達することで、風に向かっても風下に向かっても、地上速度が風速を上回ることが実証されています。風力による速度記録は、帆をつけた乗り物「グリーンバード」によるもので、最高速度は時速 202.9 キロメートル (126.1 マイル) です。
その他の風力を利用した乗り物には、水上を移動する帆船、空中を移動する 気球やグライダーなどがありますが、これらはすべてこの記事の範囲外です。
帆船動力
帆を動力とする乗り物は、実際の風速よりも高い見かけの風速で、ほとんどの帆走地点で風を横に寄せて陸上または氷上を移動します。陸上ヨットと氷上ボートはどちらも速度に対する前方抵抗は低く、横方向の動きに対する横方向抵抗は高くなります。
理論
帆にかかる空気力は、風速と風向、および船の速度と方向 ( V B ) によって決まります。実際の風(表面上の風向と風速 - V T ) に対する船の進行方向は、帆の点と呼ばれます。特定の帆の点での船の速度は、見かけの風( V A )、つまり移動中の船で測定される風速と風向に影響します。帆にかかる見かけの風は、総空気力を生み出します。これは、見かけの風の方向の力成分である抗力と、見かけの風に対して垂直(90°)の力成分である揚力に分解できます。見かけの風に対する帆の向きによっては、揚力または抗力が主な推進力成分になる場合があります。総空気力は、前方への推進力、駆動力 (船が通過する媒体 (水、空気、氷、砂など) によって抵抗される)、および車両の車輪または氷の滑走路によって抵抗される横方向の力にも分解されます。[2]
風力で動く乗り物は通常、見かけの風の角度が帆の前縁と一致するように航行するため、帆は翼のように機能し、揚力が推進力の主な要素となります。[3]前方への動きに対する抵抗が低く、表面上での速度が高く、横方向の抵抗が大きいため、見かけの風速が高くなり、ほとんどの帆走地点で見かけの風が航路に近くなり、風力で動く乗り物は従来の帆船よりも高速で航行できます。[4] [5]
陸上ヨット
ランドセーリングは1950年代から目新しいものからスポーツへと進化してきました。セーリングに使用される乗り物はランドヨットまたはサンドヨットと呼ばれています。通常、3輪（場合によっては4輪）で、座ったり横になったりした姿勢からペダルやハンドレバーで操縦します。ランドセーリングは風の強い平坦なエリアに最適で、レースはビーチ、飛行場、砂漠地帯の乾燥した湖底で行われることが多いです。[6]
陸上では、帆を動力とする乗り物に関する次のような記録が樹立されています。
- 1999年:アイアンダック時速187キロメートル (116 mph) [7]
- 2009年：グリーンバード時速202.9キロメートル（126.1マイル）[8]
- 2022年:ホロヌクは時速222.4キロメートル (138.2マイル) [9]
- 2023年:ホロヌクは時速225.6キロメートル (140.2マイル) [10]
氷のボート
アイスボートの設計は、一般的に「ランナー」と呼ばれる 3 枚のスケート ブレードで支えられており、その前に操舵ランナーがある三角形または十字形のフレームを支えています。ランナーは鉄または鋼で作られ、鋭い刃先が付けられており、ほとんどの場合 90 度の角度にカットされています。ランナーは氷につかまり、帆によって発生する風の横方向の力による横滑りを防ぎます。横方向の力がランナー エッジによって効果的に打ち消されると、「帆の揚力」の残りの力がボートをかなりの力で前方に押し出します。この力はボートの速度が上がるにつれて大きくなり、ボートが風よりもはるかに速く進むことができます。アイスボートの速度を制限するのは、風圧、摩擦、帆の形状のキャンバー、構造の強度、および氷面の品質です。アイスボートは見かけの風から 7 度まで接近して航行できます。[4]アイスボートは、条件が良ければ風速の10 倍もの速度を達成できます。国際DN氷上艇はレース中に48ノット（時速89km、時速55マイル）の速度を達成することが多く、最高59ノット（時速109km、時速68マイル）の速度が記録されたこともあります。[11]
凧揚げ
凧で動く乗り物には、乗って遊べるバギーや、雪や氷の上を滑ったり、車輪で陸地を転がったりするボードなどがあります。
理論
凧は、揚力と抗力の両方を生み出す係留された翼で、この場合は係留ロープで車両に固定され、凧の面を誘導して最適な迎え角を実現します。[12]凧を飛行させる揚力は、凧の表面の周りを空気が流れることで発生し、翼の上部に低圧、下部に高圧が発生します。[13]風との相互作用により、風の方向に沿って水平抗力も発生します。揚力と抗力の成分から生じる力ベクトルは、凧が取り付けられている1つまたは複数のロープまたは係留ロープの張力によって阻止され、車両に動力を与えます。[14]
カイトバギー
カイトバギーは、動力凧で動く軽量の専用車両です。1人乗りで、操縦可能な前輪が1つ、後輪が2つ固定されています。運転手は車両中央の座席に座り、凧の飛行操作に合わせてステアリング操作を行うことで加速と減速を行います。カイトバギーは時速110キロメートル（68マイル）まで到達できます。[要出典]
カイトボード
さまざまなタイプのカイトボードが、陸上または雪上で使用されます。カイト ランドボーディングでは、マウンテンボードまたはランドボード (大きな空気圧ホイールとフットストラップを備えたスケートボード)を使用します。 [引用が必要] スノーカイティングは、カイトの力を利用してボード (またはスキー) で雪や氷の上を滑走する屋外の冬季スポーツです。[引用が必要]
ローター駆動
ローター駆動車両は、帆の代わりにローターを使用する風力車両であり、ローターは周囲にシュラウド（ダクトファン）が付いているか、ダクトなしのプロペラで構成されており、見かけの風に向くように向きを調整できます。ローターは、ドライブトレインを介して車輪に接続されるか、車輪を駆動する電動モーターに電力を供給する発電機に接続される場合があります。他のコンセプトでは、垂直軸の周りを回転する翼を備えた垂直軸風力タービンを使用します。[15] 1904年のバージョンでは、大量生産された風車のローターを再利用し、そのギアを駆動輪に接続しました。[16]
理論
車輪に機械的に接続されたブレード付きローターを備えた車両は、風に向かっても風下に向かっても、風よりも速い速度で進むように設計できます。風上では、ローターは車輪を駆動する風力タービンとして機能します。風下では、ローターは車輪によって駆動されるプロペラとして機能します。どちらの場合も、動力は車両のローターまたは車輪が受け取る空気塊と地面の速度差から得られます。[17]
車両に対して、空気と地面は両方とも後方に流れています。しかし、風上に向かって移動する場合、空気は地面よりも速く車両に向かって来ますが、風下に向かって風速よりも速く移動する場合、空気は地面よりも遅く車両に向かって来ます。車両は、それぞれのケースで2つの媒体のうち速い方から力を引き出し、遅い方に伝えます。風上の場合は風から力を引き出して車輪に伝え、風下の場合は車輪から力を引き出してローターに伝えます。いずれの場合も、車両に対する媒体の速度に比例します。[17]
要約すると：[17]
- 風上では、ローターが風力タービンと同様に、向かってくる空気からエネルギーを集めて車輪を駆動します。
- 風下において、車両が風速よりも速く移動しているとき、地面は車両に対して最も速く移動する媒体であるため、車輪が動力を集めてローターに伝え、車両を推進します。[18]
与えられた風速が車両をどちらの方向にもどれだけ速く推進できるかは、タービンの抗力とは別に、タービンブレードの効率、駆動トレインの損失、車両の空気抵抗によってのみ制限されます。 [17]
同じ原理は、風力タービンを使用して水中のスクリュープロペラを風上に駆動する船舶にも適用され、[19]、水力タービンを使用して風下の気流中のプロペラを駆動する船舶にも適用されます。[20]
固定コース車両
ローターで動く乗り物のための競技会がいくつか開催されている。その中でも有名なのは、オランダで毎年開催されるイベント、 Racing Aeolus である。参加する大学は、最も優れた最速の風力発電乗り物を決定するためにエントリーする。[21]ルールは、乗り物は車輪の上を走り、車輪に連結されたローターで駆動する1人のドライバーが乗る。レース開始時に空であれば、一時的なエネルギーの貯蔵が認められる。貯蔵装置の充電もレース時間としてカウントされる。レースは風に向かって行われる。乗り物は、最速走行、革新性、および一連のドラッグレースの結果によって審査される。[22] 2008年の参加者は、シュトゥットガルト大学、フレンスブルク専門大学、オランダエネルギー研究センター、デンマーク工科大学、キール専門大学、キール・クリスチャン・アルブレヒト大学であった。[23]最も優れた成績を収めたのは、「ヴェントモービル」とスピリット・オブ・アムステルダム（1位と2位）である。
ベントモービル
ヴェントモービルは、シュトゥットガルト大学の学生が設計した風力で動く軽量の三輪車です。風に向いたカーボンファイバー製のローターサポートと、風速に合わせて調整できる可変ピッチのローターブレードを備えています。ローターと駆動輪の間の動力伝達は、2つの自転車用ギアボックスと自転車用チェーンを介して行われます。[24] 2008年8月にオランダのデンヘルダーで開催されたレーシングアイオロスで優勝しました。[23]
アムステルダムの精神
風力で動く陸上車両「スピリット・オブ・アムステルダム」と「スピリット・オブ・アムステルダム2」は、アムステルダム応用科学大学によって製造された。2009年と2010年に、スピリット・オブ・アムステルダムのチームはデンマークで開催されたレーシング・アイオロスで優勝した。[25]スピリット・オブ・アムステルダム2は、アムステルダム応用科学大学によって製造された2台目の車両である。風力タービンを使用して風速を捉え、機械力を使用して車両を風に逆らって推進した。この車両は、毎秒10メートル（22マイル）の風で毎秒6.6メートル（15マイル）で走行することができた。搭載されたコンピューターが自動的にギアをシフトし、最適なパフォーマンスを実現した。[26]
直線車両
一部の風力車両は、例えば、卓越風速よりも速く風上または風下に進む能力など、限られた原理を実証するためだけに製造されています。
1904年、サウスダコタ州ウェブスターのジョージ・フィリップスは、風に逆らって走行できるプロペラ駆動の乗り物を実演した。[27]
1969年、ダグラス航空機会社の風洞技術者アンドリュー・バウアーは、風速よりも速く風下に向かって直接進むことができるプロペラ駆動の乗り物を作り、実証しました。その様子はビデオに記録されました。[28]彼は同年、そのコンセプトを発表しました。[29]
2006年、ジャック・グッドマンは同様の自家製デザインのビデオを公開し、それを「風よりも速く風下に向かう」(DDFTTW)と表現した。[30] 2008年、航空宇宙エンジニアでコンピュータ技術者の リック・カヴァラロは、そのデザインに基づいてトレッドミルに収まるおもちゃのモデルを作り、そのビデオをMythbustersビデオチャレンジに提出した。[31]
2010年、カヴァラロは、サンノゼ州立大学航空学部と協力し、 Googleが後援するプロジェクトで風力駆動車両「ブラックバード」 [32]を製作・操縦し、風よりも速く風下に向かう可能性を実証した。[33]彼は、卓越風の速度よりも速く 風下と風上に向かうという2つの検証済みのマイルストーンを達成した。
- 風下— 2010年、ブラックバードは風力のみを使用して風よりも速く直接風下に向かう世界初の認定記録を樹立しました。[28]この車両は風速の約2.8倍の真風下速度を達成しました。[34] [35] [36] 2011年には流線型のブラックバードが風速の3倍近くに達しました。[33]
- 風上— 2012年、ブラックバードは風力のみを使用して風よりも速く風上に向かう世界初の認定記録を樹立しました。この車両は風速の約2.1倍の真風速度を達成しました。[34]
ブラックバードはそれ以来、研究論文[37]や2013年の国際物理オリンピック[38]で何度も分析されており、 2021年には3Dプリントの説明書付きの実用的なおもちゃのモデルが再構築されました。[39]
参照
参考文献
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- ^ 物理学教授が私に1万ドル賭けた、私が間違っている、2021年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ、2021年7月8日閲覧
外部リンク
- アンドリュー・バウアーの風力ローター駆動カートのビデオ（1969 年）
- 風に向かってのドラッグレース、winDTUrbineracer vs. Inventus、シュトゥットガルト
- 陸上ヨットと海上ヨットの直感に反するパフォーマンス
- 帆で動く貨物船が「風力の可能性を示す」。BBCニュース。2024年3月13日発行。