Краткая история ранних машин с педальным приводом
Автор: Олег ВоляС момента появления ископаемого топлива и электричества инструменты и станки, приводимые в действие человеком, рассматривались как устаревшая технология. Это позволяет легко забыть, что в их конструкции был достигнут значительный прогресс, в значительной степени повысивший их производительность. Самый эффективный механизм для сбора человеческой энергии появился в конце 19 века: педали. Стационарные машины с педальным приводом пережили бум на рубеже 20-го века, но появление дешевой электроэнергии и ископаемого топлива резко остановило все дальнейшие разработки.
Токарный станок с ножным Лучковым приводом. 1569 Год.
Ручные рукоятки, цапфы и ходовые колеса
Вращательное движение было основным механизмом большинства машин на протяжении всей истории человечества. В применении человеческой силы для вращательного движения было несколько важных инноваций, многие из которых появились еще в древности: смычок, рукоятка, стержень и ходовое колесо. Последовательно каждая из них обеспечивала улучшенное механическое преимущество, являясь фактором, с помощью которого механизм умножал усилие, затрачиваемое человеком (или иногда животным), на более высокое выходное усилие.
Механическое преимущество ручного рычага составляло примерно 2 к 1, что означало удвоение усилий пользователя. С кабестаном механическое преимущество возросло примерно до 6 к 1. Типичное беговое колесо диаметром не менее 4 метров имело механическое преимущество примерно 14 к 1. Это означало, что человек, передвигающийся на беговом колесе, мог приложить в 7 раз больший "крутящий момент" (усилие для вращения объекта вокруг оси), чем человек, управляющий рукояткой. Или что человек мог генерировать тот же крутящий момент с в 7 раз меньшими усилиями.
У бегового колеса было еще одно преимущество перед рукояткой: оно заменило использование мышц рук гораздо более сильными мышцами ног и позволило использовать две конечности вместо одной. Таким образом, одно и то же усилие можно было поддерживать в течение более длительного времени - или за то же время можно было приложить большее усилие. В меньшей степени то же преимущество было применимо к кабестану, где ножки выполняли большую часть работы.
В средние века появилась еще одна новинка: педаль. Начиная с 10 века китайцы использовали деревянные педали для обеспечения непрерывного движения водяных насосов, текстильных машин и пил по дереву. В западном мире педали в основном применялись к прялкам и токарным станкам (станкам, используемым для обработки металла и дерева).
Педали были неэффективны по сравнению с кабестанами и беговыми колесами (ступни должны разгоняться, а затем замедляться мышцами), но они были более компактными и являлись жизнеспособной альтернативой при низких потребностях в мощности. Их главное преимущество перед рукояткой состояло в том, что они оставляли свободными обе руки для управления машиной.
Стационарный лобзик с параллельными штангами и ножным кривошипным приводом made in Japan..
Бум машин с педальным приводом
Самое умное новшество в применении человеческой силы для вращательного движения появилось только в 1870-х годах. Некоторые из нас все еще используют его как средство передвижения, но оно редко применяется к стационарным машинам: педальное питание. Первоначально педали и рукоятки соединялись непосредственно с передним (или иногда задним) колесом. Вскоре после этого, с появлением "велосипеда безопасности", эта прямая передача мощности была заменена цепным приводом и звездочками, которые по-прежнему являются основой большинства современных велосипедов. Мощность педалей появилась не на пустом месте: некоторые из первых велосипедов были оснащены педалями, которые можно считать предшественниками педалей.
Сами по себе педали и рукоятки не давали большего механического преимущества, чем рукоятка, не говоря уже о кабестане или ходовом колесе. Что сделало педальный привод таким революционным, так это то, что он дал возможность использовать более сильные мышцы ног в непрерывном движении, в то же время предлагая гораздо более компактный механизм, чем кабестан или беговое колесо.
Более того, используя соответствующее передаточное отношение (используя цепи и звездочки разных размеров), можно было достичь механического преимущества, аналогичного преимуществу троса или ходового колеса (увеличение крутящего момента за счет скорости или наоборот). Благодаря этому мощность педалей стала пригодной для гораздо более широкого спектра применений.
Начиная с 1876 года педали и рукоятки присоединялись к таким инструментам, как токарные станки, пилы, шлифовальные машины, формовщики, точилки, а также к расточным, сверлильным и режущим станкам. Эти машины, которые стали очень популярными, предназначались для небольших мастерских и домашних хозяйств без электричества или пара. Они изготавливались с тяжелыми чугунными корпусами, которые можно было сложить при транспортировке.
Педали и рукоятки не сделали педали и рукоятки устаревшими. Напротив, эти инструменты стали более совершенными (например, из стали вместо дерева или с использованием механизмов, навеянных велосипедами) и становились все более популярными для применения при низкой или кратковременной мощности.
Стальные педали применялись в промышленных машинах, таких как машины для изготовления шляп, метел, сигар и крючков, печатные станки, перфораторы и клепальные станки. На ферме появились комбайны с ножным приводом, измельчители, доильные аппараты и связыватели овощей. Дантист конца 19 века использовал дрель с педальным приводом.
Стоматологическое кресло и бормашина с ножным приводом. 1864 год.
Положить конец тяжелой человеческой работе
Историческое значение машин с педальным приводом может быть легко упущено из виду людьми, которые привыкли к ископаемому топливу и повсеместному электричеству. Поэтому невозможно переоценить, насколько улучшилась мощность педалей в свете тысячелетий человеческого тяжелого труда. Педали и рукоятки используют человеческую силу почти оптимальным образом.
Круговые движения при вращении педалей в основном активизируют мышцы бедра, или четырехглавую мышцу, которые являются самыми большими и мощными мышцами в человеческом теле. Кроме того, использование соответствующей передачи, педалей и кривошипов позволяет задействовать эти мышцы с оптимальной скоростью: примерно от 60 до 90 оборотов в минуту. Исследования двадцатого века показали, что мышцы развивают максимальную силу, когда они быстро сокращаются при небольшом сопротивлении.
Исторически сложилось так, что движения, используемые для сбора мышечной силы человека, требовали, чтобы неподходящие мышцы двигались против слишком большого сопротивления при слишком низких скоростях. В то время как опоры и беговые колеса, приводимые в действие человеком, были намного эффективнее, их использование было ограничено из-за их огромных размеров (и особенно, в случае беговых колес, их высокой стоимости).
В книге 1977 года "Мощность педалей на работе, досуге и транспорте" Дэвид Уилсон объясняет три способа, при которых применение мышечной силы человека может не соответствовать оптимальному:
"Во-первых, могли быть задействованы не те мышцы. Мы снова и снова сталкиваемся с тем, что людям приходилось выдавать максимальную мощность, например, при откачке или подъеме воды из колодца или канавы, используя только мышцы рук и спины. Во-вторых, скорость движения мышц обычно была слишком низкой. От людей требовалось поднимать и толкать изо всех сил, иногда прибавляя дюйм или два. Современной параллелью было бы заставить велосипедистов крутить педали на самых крутых холмах на самых высоких передачах или потребовать, чтобы гребцы гребли на лодках очень длинными веслами с очень короткими ручками внутри. В-третьих, сам тип движения, даже если оно выполняется с максимальной скоростью с использованием мышц ног, может быть неоптимальным в довольно сложном смысле."
Хорошими примерами неправильного использования человеческой мускульной силы на протяжении всей истории были большие гребные лодки с приводом от человека, а также большая часть работы на ферме. В третьем выпуске "Науки о велосипедном спорте" тот же Дэвид Уилсон пишет:
"Мышечные движения, используемые этими неудачливыми гребцами, были типичными для тех, которые считались уместными в древнем мире. Больше всего использовались мышцы кисти, предплечья и спины, в то время как самые большие мышцы тела - в ногах - использовались просто для обеспечения опоры или силы реакции. (У них не было скользящего сиденья, как у современных гребцов-конкурентов). Движение, как правило, состояло в сильном натяжении, преодолевающем медленно ослабевающее сопротивление. С пятью рабочими на внутреннем конце маховика у того, кто находится на крайнем конце, движение было бы более быстрым, чем у того, кто ближе к оси, но даже последний, вероятно, работал бы со скоростью, значительно меньшей его оптимальной. Большая часть работ на ферме и в лесном хозяйстве подпадала под одну общую категорию. Рыхление, копание, пиление, рубка, вилы и лопата - все это задействовало преимущественно мышцы рук и спины при незначительной полезной нагрузке мышц ног. Во многих случаях мышцам приходилось напрягаться, преодолевая сильное сопротивление."
Педальный привод - продукт промышленной революции
Все эти действия - и многое другое - можно было бы сделать намного эффективнее с помощью педалей и рукояток, что значительно облегчило бы жизнь людей в древности и средневековье. Однако, каким бы простым это ни казалось нам сегодня, педальный привод не мог появиться раньше в истории. Педали и рукоятки - это продукты промышленной революции, ставшие возможными благодаря сочетанию дешевой стали (которая сама является продуктом ископаемого топлива) и технологий массового производства, в результате чего получаются прочные, но компактные звездочки, цепи, шарикоподшипники и другие металлические детали.
До этого доступные материалы не были достаточно прочными, чтобы выдерживать большое усилие, которое на них воздействовало. Это даже в большей степени относится к стационарным велосипедам с педальным приводом, чем к дорожным велосипедам, потому что нагрузка на детали значительно больше. Эксперименты 1970-х годов по созданию педалей, шатунов и подшипников для стационарных педальных силовых агрегатов с использованием доиндустриальных материалов, таких как дерево, провалились. И хотя рама машины с педальным приводом может быть изготовлена из дерева или бамбука, сталь является лучшим вариантом - в отличие от дорожных велосипедов, легкая рама не является преимуществом для стационарной машины.
Несмотря на множество преимуществ педалей и рукоятей, расцвет педального привода закончился быстро - вскоре после появления двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. Несмотря на то, что машины с педальным приводом были рассчитаны на 100 и более лет, большинство из них были разобраны на металл во время Первой и второй мировых войн. Barnes Company, один из самых известных производителей, начала отказываться от ножных инструментов в 1920-х годах и полностью прекратила их производство в 1937 году.