Мотоцикл внутри колеса: как устроен советский интроцикл инженера Мельникова и почему он остался экзотикой

Идея посадить водителя внутрь огромного колеса кажется кинематографическим трюком, но в 1970 году советский инженер Эдуард Мельников воплотил ее в реальном прототипе. Его аппарат, названный интроциклом, мог разгоняться до 70 км/ч по асфальту и до 20 км/ч по грунту. Концепт выглядел компактным и проходимым, однако серийным так и не стал. Все уперлось в физические законы и специфику единственного пятна контакта с дорогой.

Устройство аппарата

Конструкция интроцикла напоминает большой подшипник, разделенный на две основные части:

• Внешнее подвижное кольцо. Это массивный обод, который катится по земле. Снаружи на него надета резина с протектором, а изнутри нарезаны зубья.
• Внутренняя рама. Она остается неподвижной относительно вращения колеса. Здесь находятся кресло водителя, руль, бак и бензиновый двигатель.

Крутящий момент передается напрямую, без привычных цепей или карданных валов. Ведущая шестерня редуктора двигателя цепляется за внутренние зубья внешнего обода. Шестерня крутится, отталкивается от зубьев и заставляет все колесо катиться вперед.

Как это движется и управляется

В статике центр тяжести машины находится в самой нижней точке, точно над местом соприсновения с землей. При движении физика процесса меняется:

• Разгон и продольный баланс. Когда водитель нажимает на газ, ведущая шестерня пытается ехать вверх по внутренним зубьям обода. Вместо того чтобы сразу прокрутить колесо, мотор сначала приподнимает внутреннюю раму вместе с человеком вперед по ходу движения. Центр тяжести смещается, возникает плечо силы. Сила тяжести стремится вернуть водителя в нижнюю точку, и этот постоянный перевес заставляет внешнее колесо катиться вперед.
• Повороты. На обычном мотоцикле для поворота используют наклон кузова и контрруление. С интроциклом это не работает: если водитель наклонится влево, нижняя точка колеса просто сместится вправо, и машина продолжит ехать прямо, но с опасным креном. Мельников решил проблему, установив систему подвижных грузов-противовесов, соединенных с рулем. Поворот руля сдвигает тяжелые балансиры влево или вправо вдоль оси. Общий центр тяжести смещается, обод наклоняется, и траектория движения меняется по дуге.
• Стабилизация. Направление вращения коленвала и маховика двигателя совпадает с направлением вращения самого колеса. За счет этого на скорости выше 15-20 км/ч возникает гироскопический эффект, который удерживает интроцикл вертикально. Если бы маховик вращался в обратную сторону, он бы гасил устойчивость колеса, и аппарат падал бы от малейшего толчка.

Почему конструкция оказалась тупиковой

Для реальных дорог интроцикл подошел плохо из-за нескольких системных проблем:

• Эффект «белки в колесе». При резком старте или сильном торможении сила инерции или крутящий момент двигателя превышают силу тяжести, удерживающую кабину внизу. Рама срывается со своего места и начинает вращаться по кругу вместе с водителем вокруг центральной оси. Из-за этого экстренное торможение здесь сильно ограничено — замедляться можно только до тех пор, пока кабина не ушла слишком далеко вверх.
• Потеря контроля при движении накатом. Когда водитель сбрасывает газ или тормозит двигателем, центр масс смещается назад. В этот момент рулевые противовесы практически перестают влиять на траекторию. Чтобы вернуть управляемость, нужно снова открыть газ и дать тягу, что полностью противоречит рефлексам человека в опасной ситуации.
• Грязь в кабине. Так как водитель сидит внутри вращающегося колеса, центробежная сила подхватывает с земли воду, камни и грязь и сбрасывает их прямо в обитаемую зону. Сделать полностью закрытую герметичную кабину сложно: это закроет боковой обзор и отрежет вентиляцию, из-за чего внутри начнут скапливаться выхлопные газы.

В конце 1970-х годов в СССР даже выпускали детскую инерционную игрушку в виде интроцикла. Она наглядно показывала главный недостаток конструкции: при ударе о любое препятствие пластиковый человечек внутри начинал бесконтрольно крутиться по кругу, в точности повторяя поведение реального прототипа.