Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Co jsem se naučil o větrných vozech

Mark Frauenfelder

Rick Cavallaro předvádí svůj veteránský vozík.

V únoru 2007 mi redaktor projektu MAKE Paul Spinrad zaslal e-mailem odkaz na video YouTube natočené mužem jménem Jack Goodman. Video se otevře se ženou v růžové košili a modré šortky stojící uprostřed asfaltové silnice někde na Floridě. Drží se na dvoumetrovém, tříkolovém, bezpilotním vozíku s velkou vrtulí namontovanou na zadní straně. Na vozíku není žádný motor, ale vrtule je připojena k zadním kolům s kladkami a pásem.

Mužův hlas mimo obrazovku říká: „OK, 13. dubna. Větrné světlo a variabilní, asi 5 nebo 6 uzlů.“ Malý stožár s větrovkou připojenou k vozíku ukazuje, že vítr fouká zezadu do přední části vozíku - jinými slovy, vozík je nasměrován po větru. Muž dá ženě pokyn, aby jí „dala“, a lehce ji posouvá po silnici. To se valí na několik stop, takže klikání zvuk, pak zpomaluje a přichází k odpočinku.

"Ach," říká neviditelný muž. „Znovu jsem měl brzdu. Dej to do pořádku. “Žena to znovu zatlačí a vozík vyjíždí po silnici, tentokrát nabírá značnou rychlost.

Videokamera nadále kazí vozík, jak se valí po silnici. Operátor kamery je na kole a natáčí video při šlapání po venkovské silnici. Po chvíli přestane větrný rukáv směřovat po větru a mění směr. Teď směřuje k zadní části vozíku. To znamená, že vozík je rychlejší než vítr.

Další tři minuty se vozík valí po silnici. Muž řekne: „Jdu 10 mil za hodinu, vítr je asi 6 uzlů.“ Vozík se rozběhne vpřed a muž řekne: „Až 13 mil za hodinu.“ O minutu nebo méně později řekne: Brzda zapnutá. “Vozidlo se zastaví a video náhle skončí.

Tříminutové video Jacka Goodmana bylo od té doby, co bylo nahráno do služby YouTube 30. listopadu 2006, předmětem intenzivních, ostře sporných spekulací. Katalyzátor: Žurnál Amateur Yacht Research Society, Goodman vysvětlil, že postavil svůj zvědavý vozík, aby vyřešil starodávnou debatu mezi plachetními nadšenci: Je možné, aby vozidlo poháněné větrem jezdilo přímo po větru rychleji než vítr?

Intuitivní odpověď na tuto otázku je „samozřejmě ne.“ Představte si, že hodíte balón do stálého větru. To bude pokračovat rychlostí větru (nebo o něco méně, kvůli tahu), ale je nemyslitelné, že by mohlo jít rychleji než vítr. Jak to mohlo být? Kdyby to mělo jít rychleji než vítr, bylo by to předstihnout jeho zdroj síly a pohybovat se v protivětru, který by to zpomalil.

Přemýšlejte o plachetnici pohybující se po větru. Jakmile dosáhne dostatečné rychlosti, aby se pohybovala rychlostí větru, plachta bude uvolněná, protože rychlost větru vzhledem k lodi je nulová.Jak se v plachtách neví vítr, jak by mohla plachetnice jet rychleji? Tvrzení, že by to mohlo jít rychleji než vítr, je stejné jako tvrzení, že by se mohl pohybovat vpřed bez jakéhokoliv větru!

Lidé okamžitě začali napadat Goodmanovo video a říkali, že je to falešný. Video nemá jasnou stopu před vozovkou, takže mnoho komentátorů Goodmana obvinilo z toho, že táhne vozík za auto nebo kolo s kusem rybářského vlasce. Někteří říkali, že vozík jede dolů; jiní říkali, že Goodman se klamal - větrný rukáv změnil směr kvůli propláchnutí, ne proto, že se pohyboval rychleji než vítr.

Video obhájců Goodmana uvedlo, že kritici o problému nepomysleli. Nebylo to vrtule, která řídila kola - to byla kola, která dělala vrtuli, a tento kritický kousek informací dělal ten rozdíl. Energie, řekl obránci, přišla z čistého pohybu vzduchu nad zemí, ne z čistého pohybu vzduchu kolem vozidla. Na rozdíl od plachty, která se uvolní, když se loď pohybuje přímo po větru, se vrtule bude otáčet, protože kola ji pohánějí.

Jak napsal Goodman ve svém článku, „Klíčem k pochopení DWFTTW [Downwind Faster Than Thur Than Than Winds Than Than Theats Than Thhe Thans“ je to, že se kola otáčejí vrtulí a vrtule musí produkovat pouze dostatečný výtah v ještě větším vzduchu, aby překonala síly potřebné k jeho otočení. “

Naysayers to nekoupili. Jeden kritik řekl: „Jo, pokaždé, když sedím v klidném, větrem prostém pokoji, podlaha se mi také spěchá.“

Po strávení více než 100 komentářů na YouTube a dalších online fórech v této věci jsem nevěděl, co si mám myslet. Některé argumenty pro-DWFTTW byly docela přesvědčivé a téměř mě přesvědčili, že Goodman měl pravdu. Ale pak jsem si přečetl přesvědčivý kontrargument od toho, kdo by se o tom mohl přesvědčit.

Paul, editor MAKE, který mi poslal video, si myslel, že je to možné. Řekl: „Chvíli mi trvalo, než jsem si dal mozek, jak to funguje - pro mě je klíčovým bodem to, že vrtule je vrtule, ne větrná korouhvička, a když se vozík pohybuje, kola pohánějí vrtuli , ne naopak. S pravým převodem bude vrtule vždy tlačit dozadu proti vzduchu, ať už se vzduch pohybuje dopředu nebo dozadu vzhledem k vozíku. Zadní vítr a akce vrtule se spojí, aby se kola točila dostatečně rychle, aby se celý systém otáčel rychleji než vítr. Rozhodně kontraintuitivní nebo falešný, za který jsem padl. “I on byl na plotě, ale naklonil se na stranu věřících.

Kdyby nebyl Goodman spáchán podvod, měl jsem pro něj velký obdiv za to, že něco vlastně stavěl a snažil se to. Byl to skvělý příklad vědeckého experimentu DIY. Ukázal jsem video svému příteli Charlesi Plattovi, který napsal mnoho vynikajících článků pro MAKE. Jeho solidní znalosti z matematiky, fyziky a elektroniky, spolu s desítkami let praktických zkušeností s výrobou modelů, prototypů lékařských přístrojů, her a elektronických obvodů z něj učinily jednoho z hvězdných přispěvatelů časopisu.

Charles sledoval video a poslal mi e-mail s tím, že si myslel, že video je falešné. Důvod, proč vozík nemůže fungovat, řekl Charles, je, že když vozík jede rychleji, síla větru na vozíku se zmenší. „Jestli je to 10mph vítr a vozík dostane až 8mph tam je nyní jen 2mph tlačit za ním. Opravdu by to mělo zpomalit, ale ne, to zrychluje! Když je to stejné jako vítr, je to jako plachetnice „becalmed“. Žádná čistá síla ze vzduchu za nebo vpředu. Přesto stále běží rychleji! “

Přestože Charlesova zkušenostně informovaná intuice řekla, že vozík nemohl fungovat, rozhodl se postavit si vlastní vozík. Ten postavil stolní model vozu ze dřeva a připojil model letadla. Postavil vrtuli a připojil ji k zadní nápravě gumovým pásem. Ujistil se, že pohyblivé části byly důkladně promazány WD-40, Charles umístil vozík na svůj pracovní stůl, za něj položil 15palcový ventilátor a zapnul ventilátor.

„Vozík sotva reagoval na ventilátor,“ vysvětlil Charles ve svém zápisu o experimentu pro MAKE (svazek 11, strana 58).

Poté použil masivní větrací ventilátor s rozměrem 38 palců a provozoval jej při nejvyšší rychlosti. „Vozík ho ignoroval a neudělal nic.“ Poté, co postavil plášť, který nasměroval vítr na vozík, pozoroval pohyb vpřed o 2 palce za sekundu. Přinejmenším se pohyboval, ale vítr, který poháněl, se pohyboval rychlostí 30 stop za sekundu.

Charlesův závěr byl, že vozík nefungoval a že video Goodman bylo velmi podezřelé. Napsal: „Možná, že Jack Goodman má k tomu nějaké chytré vysvětlení. Možná jsem nevytvořil svou verzi přesně tak, jak si postavil. Možná byste měli vytvořit svůj vlastní, jen abyste se ujistili. Budování prototypu, který nefunguje, je vždy vzdělávací, samozřejmě za předpokladu, že jste ochotni čelit faktům a přiznat, že to nefunguje. “

Souhlasil jsem s Charlesovým závěrem, když zjistil, že Goodman vytáhl na své přátele jachty vynikající žert a že teď, když byl jeho vozík vyřazen, příběh skončil.

Ale krátce poté, co článek běžel, začalo několik věřících na fórech Make: Online pronásledovat a tvrdilo, že Platt se mýlil a Goodman měl pravdu. Charles trpělivě odpověděl na každou poznámku. Obhájil svůj článek a svůj vozík, a dokonce nabídl jednomu věřícímu, který použil jméno pelesl, „1000 dolarů v hotovosti z mých vlastních peněz, pokud dokáže, že vůz Charlesova designu začne pomaleji než konstantní vítr , bude zrychlovat na stejnou rychlost větru, a pak zrychlí dále, aby překročila rychlost větru, bez jakéhokoliv vnějšího rušení, na rovném povrchu, “stejně jako se zdálo, že Goodman ve videu dělá.

Brzy lidé začali posílat videa z YouTube svých domácích větrných vozů. Místo toho, aby je běžel venku ve větru, umístili vozíky na cvičební rotopedy. Videa ukázala, že vozíky, jejich vrtule se točí zuřivě, se pohybují v opačném směru než pás běžeckého pásu. To bylo působivé, ale bylo to totéž jako testování vozíku na stacionární půdě s větrem, který ho tlačil? Zastánci DDWFTTW tvrdili, že dva scénáře - „pohybující se zem a nehybný vzduch“ versus „stále zemní a pohybující se vzduch“ - jsou rovnocenné pro účely dokazování DDWFTTW, ale nebyl jsem si jistý. (Tento jev se také nazývá Přímo Downwind Rychlejší než vítr, aby se vyloučila možnost připevnění nebo naklonění do větru.

Rick Cavallaro (známý na vývěskách jak spork a spork33) byl nejvíce vášnivý obránce větrných vozů. Řekl, že videa na běžeckém pásu (z nichž mnoho zastřelil a nahrál sám) prokázal, že Charles je špatný a že by měl zaplatit 1 000 dolarů společnosti pelesl. Charles odpověděl, že řekl, že test musí být proveden s větrem, ne s běžeckým pásem. Cavallaro zvedl sázky a napsal: „Já vůle Proveďte přesně to, co navrhujete uvnitř i venku. Nebude to však otevřená výzva. Bude to sázka. Vaše $ 10K proti mému $ 100K. Oba však umístíme finanční prostředky na společný vázaný účet, který bude udělen vítězovi. Pak zaplatím pelesl z mé výhry. “

Zajímalo by mě, co by to všechno udělal profesor fyziky, a tak jsem poslal doktora Paula J. Campa, profesora na katedře fyziky na Spelman College v Atlantě, Ga. Mi pomohl s dalšími hlavolamy fyziky v minulosti a Oceňuji jeho jasná vysvětlení. Požádal jsem ho, aby se podíval na Goodmanovo video, stejně jako na článek Charlese Platta, a na videa z vozíku. „Co říkáš?“ Zeptal jsem se.

"Nemožné," odpověděl tábor. „Mohlo by to narušit zachování hybnosti a zachování energie… Ve skutečnosti to můžeme říci v naprosto holých termínech - pro vůz pohybující se po větru při rychlosti větru, aby šel trochu rychleji, je fyzicky nerozeznatelný od auta v klidu na zemi ve stacionárním vzduchu náhle skočit do pohybu. To, co lze udělat v jednom inerciálním rámci, lze provést v jakémkoli jiném inerciálním rámci za stejných fyzikálních okolností. “

Vysvětlil mi to táborové vysvětlení, které bylo stejné jako vysvětlení Platta. Ale nemohl jsem přestat přemýšlet o těch videech nadšenců větrného vozu, které jasně ukázaly vozům, jak se pohybují nahoru na spřádacích pásech běžeckých pásů.

Kontaktoval jsem Ricka Cavallara. Je hlavním vědeckým pracovníkem společnosti Silicon Valley s názvem Sportvision Inc., která vytváří systémy, které překrývají počítačové vizuální efekty na televizních sportovních akcích. Má B.S. v letecké technice z Gruzie Tech a M.S. v oblasti dynamiky a řízení z UCLA.

Cavallaro mi řekl, že začal dělat sestavy pro milovníky větrných vozíků, aby je sestavili a vyzkoušeli sami. PayPaled mu 40 dolarů a o pár dní později, FedEx trubice přišel se všemi částmi jsem potřeboval, aby se můj vlastní vozík: tři plastová kola, pre-ohnuté hliníkové trubky, plastové vrtule, a některé převody. Sestavení vozíku, který vypadal docela elegantní, trvalo jen několik minut.

Model DWFTTW, který lze sestavit z plánů zde nalezených

.

V ten den nebylo moc větru, tak jsem použil elektrický ventilátor a vyzkoušel vozík uvnitř, v dlouhé chodbě. Otočil jsem ventilátor na plný výbuch a držel vozík, z podlahy, před ním. Vrtule se točila proti směru hodinových ručiček, čímž se kola otáčela dozadu.

Pak jsem položil vozík na podlahu a ventilátor ukázal za ním. Začalo to kupředu a vrtule se točila ve směru hodinových ručiček. To znamenalo, že kola poháněla vrtuli, jak tvrdili obhájci Goodmana, že by to nebylo, a ne naopak, jak mnozí kritici trvali na tom, že by to bylo. Zástupci vozu byli na tom počtu správně.

Vozík zvedl rychlost, ale pak zpomalil a narazil do zdi na konci chodby. To samozřejmě nebylo dobré prostředí pro provedení testu, ale alespoň jsem se dozvěděl, že vozík by se mohl skutečně pohybovat v zadním větru.

Zatímco jsem čekal na den v Los Angeles se stálým větrem, takže jsem mohl vzít vozík venku, odhlásil jsem různé vývěsky a zjistil, že debata zuří ještě víc než dříve. Pochybující říkali, že běžecký pás není přesná simulace vozíku ve větru, zatímco věřící trvají na tom, že je to. Občas by debaty byly velmi emocionální, s voláním jména a nadávkami. (Můj oblíbený: „Jsem víc než fyzicky schopný vzít ten malý vozík a strčit si ho do zadku, bokem.“)

Jeden z pochybovačů, jehož jméno bylo swerdna123, napsal, že ho uspokojí pouze demonstrace tunelu. Nebyli však žádní zájemci. Zdálo se, že to bylo pro nikoho příliš obtížné, aby se postavil před výzvu, aby si ho vytvořil. Swerdna123 si ho vzal na sebe. Jeho záměrem, stejně jako Charles Platt, bylo ukázat věřícím, že vozík nebude rychlejší než vítr.

Design Swerdna123 byl chytrý - kruhový aerodynamický tunel, vyrobený z kartonového bubnu, který měl rotující vřeteno s motorem, který poháněl větrné klapky v kruhu. On navrhl a stavěl malý vrtulový vozík se valit kolem bubnu na kruhové dráze. Poté, co postavil nastavení, poslal na YouTube několik videí. Vozík měl ztuhlý drát, jako rádiová anténa, s malou papírovou vlajkou. Tato malá papírová vlajka měla ukazovat směr rychlosti větru vzhledem k vozíku, stejně jako větrná ponožka na mnohem větším vozíku Goodmana.

Když rotující klapky zvedly rychlost a vytvořily vítr, vozík se začal pohybovat. Zpočátku vlajka ukazovala ve směru otáčení vozíku, což znamená, že cestoval pomaleji než vítr uvnitř sestavy. Po několika vteřinách praporek visel přímo dolů, což znamená, že auto míří přesně rychlostí větru. Pak se k mému překvapení (a potěšení) začala vlajka naklánět v opačném směru pohybu a vozík se valil rychleji než klapky. Opravdu to předběhlo vítr!

Kontaktoval jsem swerdna123 a zjistil, že jeho skutečné jméno je Tony Andrews. Je to 58letý vývojář webových stránek a sám popsal „dvorního vynálezce“ z Christchurch na Novém Zélandu. (Je také bývalým šampionem monopolu na Novém Zélandu a světovým stříbrným medailistou). Stejně jako mnoho dalších skeptiků z veterního vozu, Andrews si nemyslel, že by ukázky ukázaly, že demonstrace vozu na podvozku jsou dostatečné k prokázání teorie DDWFTTW. Kromě toho byl naštvaný ošklivými náladami davu běžeckého pásu: „Jejich hlavním účelem bylo urážet a podněcovat argumenty.“

Andrews chtěl vidět větrný vozík pohybující se od větru, ne z běžeckého pásu. A protože nikdo jiný k této výzvě nepřistoupil, musel si ji vzít na sebe. „I když jsem byl v té době velmi zaneprázdněn jinými věcmi,“ řekl, „nemohl jsem odolat budování a testování vlastního vybavení DDWFTTW.“ Řekl, že má „přirozené mechanické schopnosti“ a „vymyslel a vybudoval mnoho podivných a nádherné mechanické věci, jako jsou rotační motory / čerpadla, přenosové systémy s konstantní rychlostí, hračky, hry a hádanky. “

Andrews řekl, že má několik nápadů, jak vylepšit test větrného vozu, jako je lepší větrný tunel a kamera, která se pohybuje s vozíkem, takže by bylo snazší porovnat jeho rychlost s rychlostí větrných lopatek, ale pravděpodobně vyhrál. jak se jeho zájmy posunuly. Kromě toho, on říkal, že on cítil, že jeho experiment ukáže, že nepřetržitý DDWFTTW cestování je možné.

Jak to vozík dělá? Zeptal jsem se ho. Jeho teorie je, že vozík používá „část síly větru, aby se neustále tlačil zpět proti větru“.

Cítil jsem si jistotu, že Andrews tuto záležitost vyřešil. Ale abych se ujistil, poslal jsem odkazy na Andrewsovy videa na Paula Campa, fyzika na Spelman College. Okamžitě začal propichovat díry v Andrewsově přístroji. Hlavním hovězím táborem bylo, že lopatky ventilátoru, které vytvářely vítr, byly tak blízko u samotného vozíku, že vozík byl vystaven turbulentnímu proudění vzduchu.

Viskozita vzduchu, Camp vysvětlil, produkuje gradienty rychlosti když vzduch proudí kolem okraje. „Chování by bylo také velmi zvláštní vedle lopatek ventilátoru v lineárním aerodynamickém tunelu. V takovém případě, abyste viděli účinek větru samotného, ​​dostáváte se dostatečně daleko od lopatek ventilátoru pro viskozitu, která by mohla odvrátit turbulentní proudění. V tomto případě není možné dostat se tak daleko. Opravdu bychom rádi viděli kouřové stezky v jeho aerodynamickém tunelu, abychom zjistili, jak tekutina skutečně proudí. “

Ještě jednou jsem byl nalákán na jednu stranu plotu, jen abych ho odtáhl zpět do středu. Začal jsem přemýšlet, co Jack Goodman přemýšlel o tomto konkrétním vědeckém hnutí DIY, které začal kopat. Kromě jedné nebo dvou připomínek, které byly na začátku, byl poslední dva roky klidný.

V srpnu 2009 jsem dostal Goodmana do telefonu a dozvěděl se, že je poradcem / vynálezcem v důchodu žijícím v Marylandu. Jako člen společnosti Amateur Yacht Research Society se již několik let zajímá o koncept DDWFTTW. Členové společnosti se často dohadovali o tom, zda DDWFTTW bylo možné. Goodman neviděl, jak je to možné, ale měl ve svém suterénu pěkný modelářský obchod s soustruhem, frézkou a dalšími obchodními nástroji, takže se rozhodl, že se bude snažit tuto záležitost jednou provždy vyřešit. větrný vozík.

Goodman zpočátku testoval svůj vozík na běžeckém pásu a zjistil, že se může pohybovat opačným směrem než běžecký pás, který ho povzbuzoval. Ale chtěl to vyzkoušet ve větru. Vítr a terén v Marylandu to nevyzkoušeli správně, takže si ho s sebou přivezl do svého zimního domova na Floridě a prozkoumal okolí, dokud nenašel rovnou silnici s větrnými podmínkami vhodnými pro experiment, který chtěl spustit. Čekal „dlouhou dobu“, než se vítr vrhl správným směrem, než mohl experiment uskutečnit, který si natáčel a odesílal online.

Goodman říkal, že nikdy nečekal, že jeho video způsobí takový rozruch (neposlal to na YouTube, někdo jiný z Amateur Yacht Research Society to udělal) a že se dostal z obrovského kopu z četby tisíců příspěvků o něm . Dokonce dostane smích z toho, že se nazývá šarlatán a falešný.

Byl jsem ještě více přesvědčen, že DDWFTTW je skutečný, když jsem se dozvěděl, že Mark Drela, světově uznávaný aerodynamik na MIT, říká, že je to možné. Drela je designér a tvůrce řady úžasných pohonů poháněných lidskými motory. V roce 1998, Drela navrhl lidský-poháněl letadlo volal Daedalus, který stanovil světový rekord, když ostrov-hopped více než 72 mil od Kréty na Santorini.

Drela je také vývojářem výpočtového aerodynamického analytického systému zvaného XFOIL, který umožňuje testovat konstrukce letadel dříve, než budou postaveny. Článek v MIT Aero-Astro časopis hlásí, že Drela má „konstruovaná letadla pro Boeing, křídlo pro Predator UAV, kýl amerických pohárových jachet a experimentální letadla používaná NASA. Kromě XFOIL, on má psané designové programy pro rotorcraft, strojní blading, a axisymmetric těla takový jako zeppelins. ” T

Jinými slovy, Drela zná jeho věci. Co tedy jeho analýza končí?

„Ačkoliv se zdá, že DDWFTTW porušuje fyziku, opravdu to tak není,“ vysvětlila mi Drela e-mailem. „To ukazují různé analýzy a experimenty na vozech na YouTube jsou definitivní. Podle mého názoru je nejpřísněji řízeným a jednoznačným demem DDWFTTW vozík, který stoupá po nakloněném běžeckém pásu. Hlavním problémem je pak přesvědčit některé lidi, že je to ekvivalentní DDWFFTW. Ten, kdo se pokouší namítat proti této ekvivalenci, je však proti Galilejské relativitě, která je nedosažitelná. Takže tento druhotný argument je úplná ztráta času. “

Takže Goodman, Andrews a Cavallaro byli obhájeni. DDWFTTW je možné.

Ale ani s Drelovou analýzou, která se vznášela kolem webových fór, debata nezemře. V loňském roce Cavallaro a jeho kolegové předvedli veteránský vozík leteckým a strojním oddělením na Státní univerzitě v San Jose a Stanfordu. Po těchto prezentacích, Cavallaro řekl, UC Berkeley Ph.D. student ho kontaktoval, aby předvedl vozík v Berkeley. Zeptala se svého profesora, Dana Kammena (Obamova poradce a nositele Nobelovy ceny míru) o tom, aby Cavallaro představil svým studentům vozík na vítr.

„Rozhodl se, že DDWFTTW není možný,“ řekl Cavallaro. "Tak to oklamá některé docela ostré lidi."

V červenci 2010 mě Rick informoval, že on a jeho kolegové odnesli vozík na větru, který postavili na lůžku El Mirage Dry Lake v jižní Kalifornii a dosáhli rychlosti 2,8 krát rychlejší než vítr. Test provedli před autorizovanými zástupci Severoamerické asociace pro plachtění (NALSA). Rickův článek o tom můžete přečíst zde.

Mark Frauenfelder je šéfredaktorem MAKE.

Podíl

Zanechat Komentář