Що робить велосипед вертикальним під час руху?

Що змушує велосипед стояти вертикально, коли він знаходиться в русі? Який взаємозв'язок між швидкістю та стабільністю? Це лінійна залежність?

Я міг би запитати це на сайті фізики, проте сподіваюся на порівняно просту відповідь. Я взяв вступний клас з фізики в Університеті, тому основна фізика цінується, але нічого не надто влучно.

Я думаю, що саме велосипед не підтримує вертикаль у вертикальному положенні. Нещодавно я прочитав дослідження, в якому говорилося, що якщо у вас колесо з однаковою масою крутиться назад біля велосипеда, велосипед не втратить стабільності. (Я не впевнений, де я читав дослідження).

Чому велосипеди тримаються вертикально, коли на ролику?

Це питання нещодавно було предметом тривалої статті в журналі New Scientist. Узагальнити:

"Чому цей велосипед керує належними сумами в потрібний час, щоб забезпечити стабільність?" запитує папір. "Ми не знайшли простого фізичного пояснення".

http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html

У цій статті також цитується дослідження, яке вам не вдалося розмістити - гіроскопічні сили, що так довго вважалися всіма і припиняють стабільність велосипеда - науково доведено, що вони не є наслідком, як вважають у народі.

Що стосується того, щоб стояти вертикально на ролику, це не стосується статті, однак він обговорює те, що відбувається, коли ви відправляєте велосипед з вулиці з ним нікого - начебто, вага та регулювання керма, зроблені вершником, не мають нічого робити з цим.

Я не думаю, що стаття New Scientist - це останнє слово з цього питання. Однак це недавно (кілька тижнів) і є хорошим введенням у таємницю. Насолоджуйтесь!

Геометрія велосипеда забезпечує певну ступінь самостійкості. Кут і рейка вилки створюють ситуацію, коли передня шина, як правило, перетворюється на худу, і тому виправляє тенденцію до падіння на одну сторону.

Гіроскопічний ефект коліс сам по собі, ймовірно, не такий сильний, але гіроскопічний вплив на рульове управління працює з кутом / рейкою вилки, щоб повернути шину в напрямку «падіння» і забезпечити ще більшу самостабілізацію.

Теоретично ролики нічим не відрізняються від вуличних - передня шина повернеться у напрямку нахилу, до тих пір, поки край роликів не призведе до краху або велосипед не стабілізується.

Велосипеди за своєю геометрією є стабільними. Геометрія змушує велосипед завжди повертати у напрямку, в якому він починає нахилятися, що тримає його вертикально. Причину найкраще проілюструвати через концепцію, відому як контррегулювання.

Контр-руль - це те, як обертаються всі двоколісні машини. Коли ви хочете повернути вліво, ви поверніть руль трохи вправо. Тертя коліс тягне низ велосипеда вправо, що ініціює нахил вліво. Потім ручки ручки починають розгойдуватися вліво, щоб простежити поворот.

Коли настав час зупинити поворот, ви поверніть руль трохи більше вліво. Це тягне нижню частину велосипеда далі вліво, яка підводить дно велосипеда прямо під центр ваги і тим самим зупиняючи поворот.

На багатьох велосипедах і на низьких швидкостях ефект зустрічного рульового управління може не помітити багатьох гонщиків. Однак на високих швидкостях або з більш важкими транспортними засобами, такими як мотоцикли, це більш суттєво.

Отже, як це працює там, де немає вершника? Саме з-за граблів у вилці та рейці це викликає. Якщо ви простежите уявну лінію через вісь вилки до землі, вона вдариться про землю попереду, де колесо контактує із землею.

Оскільки колесо контактує із землею за рульовою віссю, колесо завжди буде відчувати силу з дороги, намагаючись підвести його до центру, вказуючи прямо вперед. Коли велосипед перекидається на одну сторону, сили починають відштовхувати колесо в той бік, на якому наконечник велосипеда.

Отже всі ці сили складаються. Граблі у вилці змушують велосипед ходити прямо вперед. І коли він відчує нахил в ту чи іншу сторону, рульове управління зустрічної буде прагнути привести велосипед в інший бік. Тоді вилка граблі почне відштовхувати переднє колесо далі, що потім випрямить велосипед, через рульову стійку.

Наче балансуючи віником на руці, ви рухаєтеся, щоб рухати колеса під собою. Виробники велосипедів допомагають, розробивши геометрію керма, щоб велосипед залишався вертикально самостійно, якщо з ним не зіпсуватися.

Гіроскопічні сили допомагають, але не є істотними.

Про це було проведено кілька останніх досліджень: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

Раніше вважалося, що обертові колеса велосипеда забезпечують стійкість завдяки гіроскопічним ефектам; і що "слід" (відстань, на яку точка контакту переднього колеса проходить за вісь рульового управління, відіграє важливу роль).

Однак:

Дослідження доктора Аренда Шваба з факультету 3mE в TU Delft стверджує, що нове дослідження в галузі Science стверджує проблему - гіроскопічні ефекти та допомога в дорозі, але вони не потрібні вище певної швидкості. У статті "Матеріали Королівського товариства 2007" (doi: 10.1098 / rspa.2007.1857) була розроблена математична модель з приблизно 25 фізичними параметрами в той час, яка, здавалося, передбачила, чи буде і з якою швидкістю буде певна конструкція велосипеда стійкий.

Автори спроектували та сконструювали велосипед "Двома масовий скейт", з невеликими колесами, що обертаються проти зустрічного обертання, а це означає, що про гіроскопічний ефект не можна говорити, і невеликий негативний слід (іншими словами, де точка дотику переднього колеса є незначно перед рульовою віссю). І все-таки велосипед залишався стабільним при русі.

Це 7-хвилинне відео дає пояснення стійкості велосипеда, обговорюючи гіроскопічні, роликові та рульові ефекти. Зокрема, він показує приклади велосипедів (без їзди), які можуть врівноважуватись навіть тоді, коли одне або більше джерел стабільності скасовано. Таким чином, є кілька конструктивних особливостей, які забезпечують стабільність - включаючи гонщика.

В даний час існує три основні фактори, які, як вважається, впливають на стабільність велосипеда:

1. Кількість сліду переднього колеса (тобто конструкція колеса ролика)
2. Розподіл маси перед віссю переднього колеса
3. Гіроскопічна прецесія

У сучасному велосипеді всі троє працюють разом, щоб дозволити велосипеду автоматично керувати падінням, тим самим проявляючи самостабілізуючу поведінку. Така поведінка автоматичного рульового керування дозволить велосипеду бути стійким на роликах або пересуватися по землі.

Оскільки стабільність досягається за рахунок збалансованості декількох факторів, занадто багато будь-якого фактора може зробити конструкцію нестабільною (наприклад, шляхом надмірної корекції). Крім того, не всі фактори мають однаковий вплив. Деяких факторів в ізоляції може бути достатньо, щоб зробити велосипед стабільним самостійно за відсутності інших факторів (наприклад, розподіл маси перед віссю рульового управління ).

Існування декількох факторів також означає, що різні стабільні конструкції можуть використовувати різні кількості кожного фактора. Наприклад, у 1940-х роках велосипеди randonneur використовували набагато менше сліду , але додавали масу перед рульовою віссю (тобто передні сумки, що перевозять передачу), щоб створити стійкий велосипед.

MinutePhysics має хороший короткий відеоролик, що розбиває вплив цих ефектів. Я вірю, що в більшості стабільних конструкцій гіроскопічна хода (3) матиме найслабший ефект.

Як зазначалося вище, за допомогою характеристик самостійкості, основна причина, коли велосипед тримається вертикально під час їзди, - це те, що ви активно врівноважуєтесь, тримаючи точки контакту велосипеда під своїм центром маси. Коли ви їдете, ви робите тонкі поворотні рухи, щоб тримати велосипед під собою - коли велосипед падає ліворуч, ви повертаєте вліво, що рухає переднє колесо і кладе велосипед назад під вас. На роликах ви можете бачити це як велосипед, що рухається вперед-назад по ролику - і коли він не може цього зробити, ви перепадаєте.

Ви можете це зробити так несвідомо після того, як навчитеся їздити, що це досить складне завдання їздити на велосипеді з перекинутим кермом.

Основна відповідь, не надто заглиблюючись у фізику, - це імпульс кута . В основному прядильний предмет (ваші колеса) чинить силу у зворотному напрямку, якщо ви намагаєтесь «нахилити» їх. Щоб спробувати це вдома, зніміть переднє колесо. Тримайтеся за вісь обома руками і крутите колесо. Тепер спробуйте нахилити колесо. Зауважте, як колесо відтягується назад. Спробуйте те ж саме, коли колесо не крутиться і помітьте, як воно не відтягується назад. Чим швидше крутиться колесо, тим сильніше воно відтягується назад. Я не впевнений, відносини лінійні чи ні. Погляньте тут на більш базовий погляд на кутовий імпульс . На ньому показано відео, що демонструє використання велосипедної шини.

Він повинен бути таким же простим:

• дія = реакція. Якщо велосипед буде вертикально, він буде стояти вертикально, якщо не буде бокових сил. Це справедливо навіть у тому випадку, коли велосипед не рухається.
• якщо є якась сила, яка порушує рівновагу, для підтримання рівноваги потрібно мати рівну кількість протидіючої сили.
• коли велосипед рухається, рульове управління переведе деякий момент руху вперед в бік сили, тому рульове управління може використовуватися для врівноваження велосипеда.
• на ролику велосипед може рухатися вбік, щоб врівноважити.
• переміщення ваги вершника не повинно породжувати бічну силу, тому що для переміщення в одну сторону велосипедисту потрібно з такою ж силою штовхати велосипед в інший бік. Будь-який успіх у цьому можна пояснити неефективністю в системі.

Тоді є гіроскопічний ефект коліс, який може змінити кількість і напрямок на сили, які працюють на систему.