Физический принцип работы японской джинрикши: почему возчику выгоднее везти пассажира

Путешественники, возвращающиеся из Японии, часто рассказывают о джинрикшах и их возчиках, способных перевозить пассажиров в легких повозках (рис. 1) на расстояние свыше сорока километров в день. Подобные свидетельства кажутся правдоподобными, учитывая общеизвестную выносливость японцев. Однако утверждение, что извозчик на обратном пути предпочтет везти седока даже за символическую плату, а не ехать порожняком, часто вызывает сомнения. Между тем, с точки зрения механики, транспортировка повозки с грузом по качественному дорожному покрытию действительно требует меньших усилий, чем перемещение пустого экипажа.

Для понимания данного парадокса необходим анализ приложенных сил. Если человек везет три пуда груза по рельсам в легкой тележке, это требует меньше энергии, чем перенос на спине одного пуда, поскольку в первом случае ноги несут только вес тела. Возвращаясь с пустой джинрикшей, извозчик вынужден собственными ногами перемещать всю массу своего тела. Теоретически ему было бы выгодно часть этого веса перенести на повозку, но ее конструкция не позволяет одновременно быть седоком и возницей, как на велосипеде.

Рис. 1. Японская джинрикша

Единственный способ разгрузить ноги — опереться на оглобли, чтобы перенести на них часть веса. Однако из-за легкости передней части экипажа прямое давление заставляет ее приподниматься. Для решения этой проблемы требуется сместить центр тяжести, утяжелив заднюю часть повозки с помощью противовеса. Такой груз должен быть значительным, поскольку точка его приложения расположена ближе к оси вращения колес, чем точка приложения усилий возчика, что означает короткое плечо рычага.

Идеальным противовесом в данной системе является пассажир. Как показано на схеме (рис. 2), если центр тяжести седока находится в точке А, а возчик давит на оглобли в точке В, то плечо рычага для точки В вдвое длиннее. Следовательно, при равном весе возчика и пассажира, давление половины веса извозчика на оглобли уравновешивает полный вес седока. Таким образом, ногам необходимо нести лишь половину массы тела возчика, что существенно облегчает работу.

Рис. 2. Схема распределения сил и плеч рычага в джинрикше с пассажиром

Работа по перемещению дополнительного груза в лице пассажира и части собственного веса на колесах по хорошей дороге невелика. Она не компенсирует выгоду от сокращения нагрузки на ноги. Поэтому с механической точки зрения транспортировка джинрикши с грузом эффективнее. Разумеется, возчик не станет перевозить кого-либо бесплатно, и его отказ на обратном пути продиктован коммерцией, а не физикой. Однако описанный принцип справедлив только для ровной местности.

При движении в гору или по мягкому грунту ситуация кардинально меняется. В первом случае к работе по перемещению добавляется работа по подъему груза на высоту. Если вес пассажира удваивает общую массу, выигрыш от разгрузки ног полностью нивелируется. На размокшей дороге колеса начинают буксовать и врезаться в почву, создавая дополнительное сопротивление. Легкая пустая повозка менее подвержена этому эффекту, но добавление веса пассажира и части веса возчика может сделать движение чрезвычайно затруднительным, превратив неоплачиваемого седока в обузу.

Возникает вопрос о возможности разгрузить ноги возчика при отсутствии пассажира. Теоретически это достижимо путем модификации конструкции. Если сместить сиденье назад относительно колес, как показано на рис. 3, изменится соотношение плеч рычага. Например, если расстояние АС станет втрое больше ВС, возчик сможет перенести на оглобли до трех четвертей собственного веса. Это значительно снизит нагрузку на ноги без увеличения общего веса, который необходимо поднимать на подъеме, что было бы рациональным техническим усовершенствованием.

Рис. 3. Схема модифицированной джинрикши с подвижным сиденьем для смещения центра тяжести

Исторически джинрикша (от японских слов «дзин» — человек, «рики» — сила, «ся» — повозка) появилась в Японии в конце XIX века и быстро стала популярным видом городского транспорта. Ее распространение связано с периодом Мэйдзи и вестернизацией страны, когда потребовалось более быстрое и мобильное средство передвижения по сравнению с традиционными носимками паланкинами. Конструкция представляла собой эволюцию простой двухколесной тележки, адаптированной для перевозки одного-двух пассажиров.

С физической точки зрения, джинрикша является наглядной иллюстрацией принципа рычага и распределения веса. Эффективность ее использования напрямую зависит от качества дорожного покрытия. На булыжных мостовых или грунтовых дорогах коэффициент трения значительно возрастает, что сводит на нет преимущества колесного транспорта. Поэтому в условиях средневековой Европы подобный экипаж не получил бы распространения, уступив место гужевой тяге.

Интересно сравнить джинрикшу с другими видами транспорта, например, с велорикшей или беговелом. В велосипеде и его производных человек использует не только силу мышц ног, но и возможность полностью перенести вес тела на седок, эффективно преобразуя энергию в крутящий момент через систему звезд и цепи. В случае же с джинрикшей возчик выполняет преимущественно тяговую работу, что сближает его функцию с функцией упряжной лошади.

Эргономика труда возчика также заслуживает отдельного внимания. Продолжительная работа в подобной позе, с постоянным упором на оглобли, могла приводить к специфическим профессиональным заболеваниям опорно-двигательного аппарата. Однако в условиях высокой конкуренции и экономических факторов этот труд был востребован. Таким образом, эксплуатация джинрикш представляет собой комплексный феномен, находящийся на пересечении механики, экономики и социальной истории Японии эпохи модернизации.

Подводя итог, можно утверждать, что рассказы путешественников о предпочтениях возчиков имеют под собой твердое научное основание. Принцип рычага и грамотное распределение веса делают перевозку пассажира на ровной дороге физически более легкой задачей для извозчика, чем управление пустой повозкой. Этот пример наглядно демонстрирует, как простые механические законы проявляются в традиционных видах транспорта и повседневной человеческой деятельности.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.