Opory ruchu pojazdów, transport w tunelach próżniowych

Pytanie

Pyta Kamil

Czytałem dziś o możliwości transportu w tunelach próżniowych. I tak się zastanawiam, jak procentowo na samochód wpływa opór aerodynamiczny, a jak tarcie. Jeśli opór aerodynamiczny wpływa bardziej, to jak to możliwe, że dopiero teraz ten pomysł wchodzi w życie?

Odpowiedź

Odpowiada prof. Piotr Sułkowski

Źródłami oporu pojazdów są tarcie o podłoże (czyli tzw. opór toczenia), opór aerodynamiczny, a także opory wewnętrzne (w skrzyni biegów, łożyskach, itp.). Wkład oporu aerodynamicznego jest rzeczywiście dosyć duży — szacuje się, że może wynosić on tyle, ile w sumie wkłady od pozostałych czynników. Trudno natomiast podać ścisłe dane, gdyż wszystkie te wkłady zależą od wielu parametrów — np. opór aerodynamiczny zależy bardzo istotnie od prędkości. Siła oporu aerodynamicznego zależy także od powierzchni czołowej pojazdu, oraz współczynnika oporu oznaczanego $C_d$ (lub $C_x$), na który mają wpływ m.in. opływowość i szczegóły kształtu pojazdu.  Współczynnik ten przyjmuje wartości od 0 (oznaczającego brak oporu) do 1 (tyle wynosi on dla płaskiej powierzchni ułożonej prostopadle do kierunku ruchu); wartość tego współczynnika podawana jest w specyfikacjach pojazdów — dla współczesnych samochodów osobowych wynosi on ok. 0.3-0.4, kilka przykładowych wartości znaleźć można tutaj.

Pomysły jak pozbyć się zarówno oporów aerodynamicznych, jak też tarcia o podłoże, rozważane są od wielu lat. Natomiast ich wspólną cechą jest to, że są one niezwykle kosztowne w realizacji — dlatego też są wdrażane bardzo powoli, albo wciąż pozostają w sferze planów. Większy postęp nastąpił w kwestii tarcia — można je wyeliminować stosując tzw. poduszkę magnetyczną, dzięki której (w wyniku odpychania się magnesów) pojazd może unosić się nad powierzchnią podłoża. Na tej zasadzie działają tzw. koleje magnetyczne (określane także jako Maglev, czyli „magnetic levitation”): obecnie linie takich kolei istnieją w Szanghaju (30 km) oraz niedaleko Nagoi w Japonii (ok. 9 km); takie komercyjne pociągi istniały już w latach 1980-1990 w Birmingham i Berlinie, lecz w jakimś momencie zostały zamknięte. Pociąg w Szanghaju na co dzień rozwija prędkości ponad 400 km/h, a najwyższa prędkość osiągnięta w tej technologii to ok. 600 km/h.

Z kolei, aby wyeliminować opory aerodynamiczne, rzeczywiście rozważa się możliwość konstrukcji tuneli aerodynamicznych, z których wypompowane byłoby powietrze — natomiast technologia taka jest wciąż w sferze planów. Pierwsze takie pomysły poważnie rozważane były już w latach 1960-1970, najpierw w USA, a później także w Szwajcarii i Japonii. Koszt pierwszej linii w USA szacowany był na bilion (milion milionów) dolarów — dlatego też linia ta nie powstała… Obecnie typ pociągów działających na tej zasadzie, o kryptonimie Vactrain, rozważają naukowcy z Chin. Pociągi tego rodzaju miałyby osiągać prędkości rzędu kilku (nawet ośmiu) tysięcy kilometrów na godzinę.

Innym współczesnym pomysłem tego typu jest Hyperloop, którego budowę rozważa słynny konstruktor Elon Musk. Ten pociąg miałby poruszać się nie tyle w tunelu próżniowym, co w bardzo rozrzedzonym powietrzu, o ciśnieniu rzędu 100 Pa. Z tego powodu byłby wolniejszy niż wspomniany wyżej Vactrain (miałby osiągać prędkości rzędu 1000 km/h), ale także dużo tańszy – koszt budowy linii pomiędzy Los Angeles a San Francisco szacowany był na 6-7 miliardów dolarów (choć wedle wielu opinii są to kwoty zbyt optymistyczne i bardzo zaniżone). Według ostatnich informacji (z czerwca 2015 r.), w nadchodzącym roku w Hawthorne w Kalifornii ma zostać zbudowany jednomilowy tunel, w którym miałyby być testowane prototypy pociągów typu Hyperloop, wytypowane spośród propozycji nadsyłanych przez chętnych z całego świata w otwartym konkursie. Wszystkich zainteresowanych i chcących spróbować swoich sił zachęcamy do wzięcia udziału w tym konkursie!