mały|Sterowiec Mlle Louise napędzany siłą mięśni
Pojazd napędzany siłą ludzkich mięśni – pojazd, którego napęd jest wytwarzany bezpośrednio lub pośrednio przez pracę mięśni człowieka. Pojazdy tego rodzaju mogą poruszać się po lądzie, wodzie, pod wodą oraz w powietrzu. Do powszechnie spotykanych należą rowery oraz łodzie wiosłowe i jednostki napędzane pedałami, ale powstawały również eksperymentalne pojazdy podwodne i statki powietrzne napędzane wyłącznie siłą mięśni.
W regulaminach (IHPVA) dla pojazdów uczestniczących w próbach rekordowych przyjmuje się, że źródłem napędu ma być wyłącznie siła człowieka. W przypadku pojazdów wodnych w klasie czystego napędu mięśniowego nie dopuszcza się wykorzystywania jako źródła napędu energii wiatru, fal ani prądów wodnych, poza niewielkim wpływem warunków środowiskowych mieszczącym się w granicach przewidzianych regulaminem. Takie ujęcie odróżnia pojazdy napędzane siłą mięśni od urządzeń, w których człowiek jedynie steruje ruchem, natomiast zasadniczym źródłem energii jest np. wiatr lub przepływ wody.
Historia Najwcześniejsze lądowe pojazdy napędzane siłą człowieka były związane z zastosowaniem koła, znanego od kilku tysięcy lat p.n.e.. Proste pojazdy transportowe poruszane przez człowieka, takie jak taczka, pozostają w użyciu do czasów współczesnych.
Na wodzie jednostki poruszane siłą człowieka wykorzystywano już w prehistorii. Znaleziska z epoki kamienia obejmują zarówno dłubanki, jak i zachowane pagaje; opisuje mezolityczne dłubanki poruszane za pomocą pagajów lub drewnianych żerdzi. Znany ze Szwecji drewniany pagaj z Åkermyra został datowany metodą radiowęglową na około 7040–6640 p.n.e.. W starożytności duże jednostki wiosłowe, takie jak galery, służyły zarówno do transportu, jak i do celów wojskowych.
Rozwój nowoczesnych pojazdów lądowych napędzanych siłą mięśni był związany przede wszystkim z powstaniem poprzedników współczesnego roweru. W XIX wieku pojawiły się kolejno welocypedy, bicykle, a następnie konstrukcje odpowiadające współczesnemu układowi roweru, rozpowszechnione od lat 80. XIX wieku. W pierwszej połowie XX wieku rower stał się jednym z najbardziej rozpowszechnionych środków transportu osobistego.
W latach 30. XX wieku rozwijał pojazdy oraz wywodzące się z nich rowery poziome Vélo-Vélocar. Konstrukcje Mocheta osiągały w latach 30. rekordowe wyniki sportowe, lecz w 1934 roku zmienione przepisy UCI wykluczyły rowery o takim układzie z oficjalnych zawodów kolarskich. Ponowne zainteresowanie rowerami poziomymi nastąpiło w latach 70. XX wieku, szczególnie w Stanach Zjednoczonych; istotną rolę odegrały projekty i H. Fredericka Willkiego oraz powstanie International Human Powered Vehicle Association.
W kolejnych latach rozwijano również aerodynamicznie obudowane pojazdy przeznaczone do codziennego użytkowania. Jednym z wczesnych przykładów był duński welomobil , zaprojektowany przez i produkowany w niewielkich seriach od 1983 roku.
Rodzaje napędu Energia pracy mięśni może być przekazywana na ruch pojazdu na różne sposoby, zależnie od jego konstrukcji i środowiska, w którym się porusza. Stosowane rozwiązania obejmują m.in.:
bezpośrednie oddziaływanie człowieka na pojazd – np. odpychanie hulajnogi, pchanie lub ciągnięcie pojazdu; bezpośrednie poruszanie pędnika – np. wiosła, pagaje i żerdzie; mechaniczne przeniesienie napędu – za pomocą m.in. korby, pedałów, łańcucha, przekładni lub wału na koło, śrubę albo inny pędnik.
W pojazdach pedałowych energia jest najczęściej dostarczana przez mięśnie kończyn dolnych, a ruch mechanizmu korbowego przekazywany jest na koło lub inny element napędowy.
Parametry techniczne Moc człowieka Moc mechaniczna możliwa do uzyskania z pracy mięśni zależy przede wszystkim od czasu trwania wysiłku i wytrenowania człowieka; wysoka moc możliwa do osiągnięcia przez krótki czas nie może być utrzymywana przez długi czas. Z tego względu przy projektowaniu pojazdów napędzanych siłą mięśni istotne jest ograniczanie strat energii i sił oporu ruchu.
W pojazdach lądowych podstawowe składowe oporu obejmują m.in. opór toczenia i opór aerodynamiczny. Badania czterokołowego pojazdu poziomego wykazały wzrost pracy potrzebnej do pokonywania oporu aerodynamicznego wraz z kwadratem prędkości pojazdu.
Energia i sprawność Energia chemiczna metabolizowana przez organizm jest tylko częściowo przekształcana w zewnętrzną pracę mechaniczną. W przypadku jazdy na ergometrze rowerowym sprawność mechaniczna zdrowego człowieka wynosi typowo około 20–25%. Sprawność podczas pedałowania zależy m.in. od obciążenia i kadencji; przegląd badań wskazuje na wyraźną zależność między wykonywaną pracą, wydatkiem energetycznym i sprawnością ruchu.
Na zdolność do utrzymywania mocy wpływają również warunki środowiskowe. Wysoka temperatura i związane z nią odwodnienie oraz hipertermia mogą ograniczać zdolność rowerzysty do utrzymywania mocy. Wpływ ma także wysokość nad poziomem morza, która zmniejsza maksymalną wydolność tlenową, choć jednocześnie niższa gęstość powietrza ogranicza opór aerodynamiczny.
W badaniach fizjologicznych jednym z podstawowych parametrów opisujących wydolność tlenową jest VO₂max.
Aerodynamika i hydrodynamika Ze względu na ograniczoną moc człowieka zmniejszanie oporów ruchu ma duże znaczenie dla osiągów pojazdów napędzanych siłą mięśni. W przypadku szybkiej jazdy rowerem opór aerodynamiczny może stanowić dominującą część całkowitego oporu ruchu. W rowerach wyścigowych i szybkich pojazdach poziomych ogranicza się go m.in. przez zmianę pozycji użytkownika, kształtu elementów konstrukcji oraz stosowanie osłon aerodynamicznych.
W pojazdach wodnych analogicznym problemem jest ograniczenie oporu hydrodynamicznego. W eksperymentalnych konstrukcjach stosuje się m.in. smukłe kadłuby, śruby napędowe, wodoloty oraz oscylujące płaty.
Biomimetyka W eksperymentalnych pojazdach wodnych stosowano także pędniki z oscylującymi płatami, których sposób działania jest zbliżony do ruchu płetw zwierząt wodnych. Rozwiązania takie były przedmiotem badań nad zastosowaniem oscylujących hydrofoili w jednostkach napędzanych siłą człowieka.
Pojazdy lądowe Pojazdy pedałowe Do szeroko rozpowszechnionych lądowych pojazdów napędzanych siłą mięśni należą konstrukcje wykorzystujące mechanizm korbowo-pedałowy.
Należą do nich m.in.: rower, tandem, rower poziomy, trójkołowiec, rower poziomy, welomobil, monocykl, rower towarowy, czterokołowe pojazdy pedałowe, drezyna pedałowa, samochodziki i inne lekkie pojazdy pedałowe.
Niektóre konstrukcje łączą napęd kołowy z innym rodzajem pędnika. Już na początku XX wieku eksperymentowano z rowerami wyposażonymi w śmigła. We Francji tego rodzaju konstrukcje określano jako aviette. W 1913 roku organizowano zawody takich pojazdów.
Transport towarów Pojazdy napędzane siłą mięśni są wykorzystywane do przewozu towarów, w tym w logistyce miejskiej. Rowery towarowe mogą służyć m.in. do dystrybucji ładunków w centrach miast, gdzie są analizowane jako alternatywa dla części przewozów wykonywanych pojazdami silnikowymi.
Rowery były wykorzystywane w służbach pocztowych już pod koniec XIX wieku. We Francji listonosze zostali wyposażeni w rowery w 1893 roku.
Współcześnie rowery towarowe są wykorzystywane m.in. w dostawach miejskich i usługach kurierskich.
Transport osób Do przewozu pasażerów wykorzystuje się m.in. riksze i riksze rowerowe. W części europejskich miast rozwinęły się również usługi taksówek rowerowych.
Służby publiczne Rowery i inne lekkie pojazdy napędzane siłą mięśni były i są stosowane m.in. przez policję, służby ratownicze, wojsko i pocztę. W zastosowaniach wojskowych szczególnym przykładem była piechota rowerowa.
We Francji żandarmi korzystający z rowerów pojawili się pod koniec XIX wieku; zachowały się źródła dotyczące służby rowerowej z 1898 roku.
Pojazdy pchane i ciągnięte Do pojazdów poruszanych przez bezpośrednie pchanie lub ciągnięcie należą m.in.: taczka, wózek dziecięcy, wózek sklepowy, wózki bagażowe, wózek inwalidzki, wózki transportowe, nosze, pojazdy typu riksza ciągnięta przez człowieka.
Napęd ręczny Niektóre pojazdy są poruszane przede wszystkim pracą kończyn górnych. Należą do nich ręcznie napędzane wózki inwalidzkie oraz pojazdy typu handbike, w których ruch korb wykonywany rękami jest przenoszony mechanicznie na koło napędowe.
Powstawały również rowery łączące napęd nożny z napędem ręcznym. Przykładem była opatentowana w 1896 roku konstrukcja Irvinga Walesa, w której użytkownik poruszał uchwytami ruchem zbliżonym do ruchu wykonywanego na ergometrze wioślarskim.
Pojazdy szynowe Siłę mięśni wykorzystywano również do napędu niewielkich pojazdów szynowych. Drezyny ręczne, określane także jako handcars lub pump cars, służyły przede wszystkim pracownikom kolejowym do inspekcji i utrzymania torów oraz przemieszczania niewielkich ilości sprzętu i materiałów na krótkich dystansach. Zachowane pojazdy tego typu z około 1900 roku były używane m.in. przez pracowników odpowiedzialnych za sygnalizację i wyposażenie linii kolejowych. Powstawały również lekkie drezyny napędzane pedałami. Współcześnie zarówno pojazdy ręczne, jak i pedałowe są wykorzystywane głównie w celach muzealnych, turystycznych i rekreacyjnych.
Powstawały również koncepcje podwieszanych pojazdów pedałowych poruszających się po pojedynczej szynie, takie jak system .
Pojazdy na śnieg i lód Do poruszania się po śniegu i lodzie opracowywano także pojazdy łączące rozwiązania rowerowe z płozami lub nartami. Powstały m.in. konstrukcje wykorzystujące napędzane koło z kolcami oraz przednie płozy.
Współcześnie do jazdy po śniegu stosuje się również rowery z bardzo szerokimi oponami, tzw. fatbike. W literaturze specjalistycznej termin ten odnosi się m.in. do rowerów z oponami o szerokości około 75–120 mm, konstruowanych z myślą o jeździe po śniegu i innych miękkich nawierzchniach.
Jednostki pływające Napęd siłą mięśni był jednym z podstawowych sposobów poruszania jednostek pływających przed rozpowszechnieniem żagli i napędu mechanicznego. W zależności od rodzaju jednostki stosowano wiosła, pagaje, tyczki, pedały, śruby, koła łopatkowe oraz inne pędniki.
Współcześnie napęd mięśniowy jest używany przede wszystkim w rekreacji, sporcie oraz niewielkich jednostkach pomocniczych.
Łodzie wiosłowe Do najstarszych jednostek napędzanych siłą człowieka należą łodzie poruszane za pomocą pagajów i wioseł. W starożytności rozwinięto duże okręty wiosłowe, w tym galery.
Do tej grupy należą m.in.: kajak, kanu, piroga, gondola, łódź wiosłowa, łodzie poruszane pagajem, jednostki odpychane od dna za pomocą żerdzi.
Łodzie pedałowe W jednostkach pedałowych ruch nóg może być przekazywany na: koło lub koła łopatkowe, śrubę napędową, oscylujące płetwy, śmigło pracujące nad powierzchnią wody.
Popularnym przykładem jest rower wodny, w którym pedałowanie napędza koło łopatkowe. Konstrukcje takie upowszechniły się w zastosowaniach rekreacyjnych w drugiej połowie XX wieku.
Powstawały również jednostki przypominające rowery poruszające się po wodzie, z napędem śrubowym. W 1927 roku René Savard przepłynął kanał La Manche na tego rodzaju , a w 1929 roku podobnej przeprawy dokonała Aimée Pfanner.
Napęd oscylacyjny W niektórych współczesnych konstrukcjach zamiast klasycznej śruby stosuje się oscylujące płaty lub skrzydła podwodne. Ruch użytkownika jest wówczas przekształcany w okresowy ruch hydrofoilu wytwarzającego siłę napędową. Rozwiązania tego rodzaju były rozwijane i badane m.in. w jednostkach napędzanych siłą człowieka.
Wodoloty napędzane siłą mięśni Eksperymentalne jednostki napędzane siłą człowieka mogą wykorzystywać wodoloty. Po osiągnięciu odpowiedniej prędkości siła nośna wytwarzana przez zanurzone płaty unosi kadłub ponad powierzchnię wody, dzięki czemu zmniejsza się opór hydrodynamiczny.