0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Почему велосипед не падает (гироскопическое свойства, эффект кастора)

Как держать равновесие на велосипеде — влияние гироскопического эффекта на большой скорости

Но что еще помогает держать равновесие на велосипеде? Оказывается, гироскопический эффект (смотрите схему ниже). Раскрученное велосипедное колесо обладает всеми свойствами гироскопа. Чем больше его масса (точнее, момент инерции) и скорость вращения, тем сильнее действие гироскопического эффекта. Если колесо повернуть налево вокруг вертикальной оси, оно наклонится в правую сторону. А если его наклонить влево, то оно послушно повернется налево. Оба этих эффекта (их называют гироскопической прецессией) оказываются до крайности полезными для автоматического удержания равновесия и для руления.

Если вращащееся колесо поворачивать налево, оно наклоняется строго вправо, но если его наклонять влево, оно поворачивается налево.

Пусть велосипедист, опять же безмятежно катясь по прямой, ровной и гладкой дороге без рук и любуясь пейзажем, случайно отклонился от вертикали влево. Немедленно гироскопические силы помогают повернуть переднее колесо налево. И велосипед начинает равномерный вираж в левую сторону. Одновременно возникает центробежная сила, направленная вправо. Она стремится восстановить сходное прямолинейное движение и вертикальное положение, не даёт велосипеду наклониться. Велосипедист тогда вправе выбрать: продолжать поворот, или катить дальше по прямой.

Теперь еще немного о рулении. Есть два известных способа совершить поворот, когда велосипед катится прямо:

2 — повернуть руль.

В отличие от случайного наклона велосипеда, который был только что рассмотрен, выясним, что реально произойдет, если умышленно повернуть руль влево. Сразу возникает гироскопическая прецессия переднего колеса, действующая направо и, как дополнение к ней, центробежная сила, приложенная к ЦТ. На большой скорости эти две силы легко могут привести к падению. Однако, если на мгновение быстро повернуть руль в противоположном направлении (направо) и вернуть его обратно в исходное положение, то прецессия и центробежная сила наклонят велосипед в искомую сторону — налево. Затем в действие вступает сила тяжести, усугубив наклон и запустив гироскопическую прецессию, поворачивающую переднее колесо и велосипед в установившейся поворот. Реально движение рулем очень маленькое, так как гироскопическая прецессия зависит не от амплитуды движения, а от скорости. Прием этот называют по-разному, «контрруление» или «противоруление». Более всего он известен среди мотоциклистов. Большинство велосипедистов о нем совершенно не задумывается, но постоянно его использует, а что им еще остается?

Теперь нам остается посмотреть, как эффективнее всего направить велосипед из прямолинейного качения в поворот движением корпуса. Чем-то это напоминает идею «контрруления», только наоборот, без движения руля. Иногда встречается термин «контрнаклон». Для того, чтобы наклонить велосипед в одну сторону, надо переместить корпус в другую, как бы оттолкнувшись от него. Но перемещение должно быть не только вбок, но и слегка вверх, как будто раскачивают качели. На практике это означает, что для наклона велосипеда влево необходимо сначала сдвинуть корпус вправо, слегка приподнявшись на педалях, и круговым движением вернуться в исходное состояние (на седло). В обоих случаях, «контрруления» и «контрнаклона», физическое действие выглядит противоестественным, противоположным здравому смыслу. Но при обучении езде на велосипеде эти навыки становятся автоматическими, «зашитыми» на подсознательном уровне, например, как умение плавать.

Гироскопический эффект.

Д. Джонс показал, насколько сильно влияет на устойчивость гироскопический эффект, и можно ли сделать абсолютно неустойчивый велосипед.

Он попробовал убрать гироскопический момент. Для этого был сделан экспериментальный велосипед HB-1, в котором было специальное переднее колесо, не контактирующее с поверхностью. Его диаметр и масса точно совпадали с основным передним колесом велосипеда HB-1. С помощью этого дополнительного колеса достигался нулевой суммарный момент за счёт того, что оно вращалось в противоположную сторону основному колесу.

И несмотря на это было достаточно легко ездить НВ-1. Независимо от того в какую сторону вращалось дополнительно колесо или вообще не вращалось велосипед был лёгок в управлении. Этот эксперимент показал, что на обычных скоростях роль гироскопических сил очень маленькая. Когда же НВ-1 запустили без велосипедиста, он повел себя очень интересно. Если дополнительное колесо вращалось в противоположную сторону, то велосипед сразу падал. Когда оба колеса вращались в одну и ту же сторону, то даже на маленьких скоростях велосипед очень хорошо держал равновесие.

Результаты эксперимента получились достаточно очевидными: велосипед сам по себе стабилизируется гироскопическими силами, а велосипед с велосипедистом — нет. Слишком малы гироскопические силы по сравнению весом и силами инерции велосипедиста.

Вероятнее всего, у дорожных, городских и горных велосипедов гироскопические эффекты начинают хоть как-то сказываться на скоростях далеко за 30 км/ч. А для шоссейных с их сверхлегкими колесами — при гораздо более высоких скоростях. Так что гонщику надо очень постараться, максимально разогнавшись на длинном спуске, войдя в крутой поворот, чтобы этот эффект внёс ощутимый вклад в удержание равновесия. Скорее всего, его быстрее снесет центробежной силой с дороги.

Читать еще:  Подседельная труба для велосипеда: размеры штырей под сидением

Велосипед не падает из-за центробежной силы

Для сохранения равновесия любого тела необходимо, чтобы перпендикуляр, опущенный из центра его тяжести, не выходил за площадь опоры. Чем меньше последняя, тем менее устойчиво положение.

Площадь опоры велосипеда предельно мала – по сути, она представляет собой прямую линию, проведенную между точками касания колесами земли. Поэтому велосипед (с велосипедистом или без него) не может стоять, находясь в неподвижном положении. Но при движении устойчивость чудесным образом возвращается к нему. Почему это происходит?

Все дело в центробежной силе, которая возникает при подруливании. Если движущийся велосипед начинает наклоняться в какую-нибудь сторону, велосипедист слегка поворачивает руль в сторону наклона, заставляя машину поворачиваться. При этом возникает центробежная сила, направленная в сторону, противоположную наклону. Она-то и возвращает велосипед в вертикальное положение. Двухколесный велосипед не способен ехать строго по прямой. Если его руль зафиксировать в неподвижном положении, он обязательно упадет, потому что исключается возможность подруливания.

Этот процесс – отклонение от вертикали и возвращение к ней – происходит непрерывно. Велосипедист даже не задумывается о том, что происходит. Его руки автоматически совершают подруливание, которое необходимо для сохранения вертикального положение. К слову сказать, именно в приобретении автоматизма подруливания и состоит обучение езды на велосипеде.

Конструкция велосипеда и поддержание равновесия

Конструкция рулевой колонки и передней вилки велосипеда облегчает автоматическое поддержание равновесия. Ось рулевой колонки (передней вилки) проходит не вертикально, а наклонно к земле. Точка ее пересечения с грунтом располагается впереди того места, где переднее колесо соприкасается с дорогой. Такая схема способствует тому, что если переднее колесо случайно отклоняется от среднего положения, сразу возникает момент реактивных сил, который возвращает его на место.

При наклоне велосипеда реакция опоры переднего колеса, которая приложена в точке его касания с землей и направлена вверх, автоматически поворачивает колесо в сторону наклона. Возникает центробежная сила и велосипед возвращается в вертикальное положение.

Для лучшего понимания этого процесса, нужно просто принять во внимание, что схема сил, действующих на переднее колесо велосипеда, является примерно такой же, как и у тележек с вращающимися колесами. В какую сторону тележку не толкать, колеса автоматически поворачиваются в нужном направлении. Кстати, именно эта особенность конструкции велосипеда обеспечивает возможность езды, не держась руками за руль. Велосипед самостоятельно поддерживает равновесие. А чтобы выполнить поворот, достаточно сместить центр тяжести своего тела в сторону.

Степень способности конкретного велосипеда поддерживать динамическое равновесие определяется конструкцией его рулевой колонки и вилки. Главный параметр здесь – расстояние от точки соприкосновения переднего колеса с землей, до точки пересечения оси рулевой колонки (передней вилки) с грунтом. Как уже говорилось, последняя находится впереди первой. Реактивный момент, действующий на колесо при его повороте, будет тем выше, чем больше это расстояние. Для оптимальных динамических характеристик велосипеда требуется не самый большой, а строго определенный реактивный момент. Слишком малый уменьшит автоматическое поддержание равновесия, чрезмерно большой – приведет к возникновению «шимми». Поэтому наклон оси рулевой колонки и параметры передней вилки при проектировании велосипеда выбираются очень тщательно.

Что такое «шимми»

При высокой скорости (выше 30 км/час) переднее колесо велосипеда может начать самопроизвольно вилять вправо-влево. Это явление, которое, кстати, имеет место и в авиации, называется «speed wobbles» или «шимми». Причина его заключается не в неисправности велосипеда (плохой сборке или ослаблении креплений), а в том, что возникает резонанс переднего колеса. «Шимми» очень опасно в том случае, когда велосипедист едет «без рук», то есть не держится за руль. Чтобы погасить возникший резонанс, нужно снизить скорость или изменить позу.

Велосипед – энергоэффективней

По затратам энергии на единицу преодоленного расстояния велосипед эффективней не только ходьбы, но и езды на автомобиле. При движении велосипеда со скоростью 30 км/час тратится 15 ккал на 1 км. Ходьба со скоростью 5 км/час приводит к сжиганию 60 ккал на 1 км. То есть по энергозатратам на единицу расстояния движение на велосипеде в 4 раза эффективнее ходьбы.

… и функциональней

Если рассматривать езду на велосипеде с точки зрения спортивной нагрузки, то она тоже оказывается предпочтительней ходьбы. Катание на велосипеде отнимает 450 ккал в час, в то время как при ходьбе тратится только 300 ккал. Конечно, физическую нагрузку можно увеличить, перейдя с шага на бег. Но в этом случае возрастает нагрузка на колени и голеностопные суставы, что нежелательно, поскольку со временем может привести к травме этих проблемных мест.

Когда женщины быстрее

Тренированный мужчина, даже не будучи профессиональным спортсменом, может длительное время развивать мощность 250 Вт или 0,33 л. с. При езде на велосипеде по ровной дороге это примерно соответствует скорости 30 км/час. Женщины не могут развивать такой мощности, как мужчины, но в расчете на единицу веса их энергетические показатели превосходят мужские. При езде по ровной дороге, когда вся мощность тратится в основном на преодоление сопротивления воздуха, женщины едут медленнее, чем мужчины. Зато при езде в гору, когда энергия тратится на преодоление силы тяжести, они способны ехать быстрее сильной половины.

Читать еще:  Велотренажер своими руками из велосипеда + подставка-тренажёр

Почему велосипед не падает при движении

Довольно распространенный вопрос, который волнует и детей, и взрослых – это почему велосипед не падает. Действительно, езда на велосипеде и умение держать равновесие видятся как некоторая фантастическая супер-способность. Устойчивость велосипеда объясняется несколькими фундаментальными физическими законами. Однако, всё ли так просто, как кажется на первый взгляд?

Постановка вопроса

Любой велосипедист начинает свой путь с того, что учится ездить на велосипеде. Велосипед сам по себе очень неустойчив. Даже самая широкая резина не придаст ему большей устойчивости. Для того, чтобы научиться кататься, нужно научиться держать равновесие на велосипеде. Что это значит? Это значит, что юный (или не очень) велосипедист должен настолько хорошо научиться взаимодействовать с великом, что в момент отклонения от точки баланса организм автоматически выполнит необходимое действие и велосипед поедет дальше. Если такое действие выполнено не будет, то велосипед вместе с ездоком упадет. Организм человека сам подбирает необходимый набор действий, что в результате некоторого количества тренировок приводит к формированию уверенного навыка катания на велосипеде.

Навык этот формируется в результате стандартных упражнений – крути педали, подруливай в сторону падения, держи руль крепче и т.д.

Если проанализировать каждое действие велосипедиста при движении, то каждое движение имеет глубокий физический смысл. Например, когда человек на велосипеде чувствует, что велосипед заваливается на бок, он начинает отклоняться в противоположный бок. Когда происходит замедление, при котором сохранять устойчивость сложнее, велосипедист набирает скорость. Этот цикл действий, которые порой остаются за гранью нашего сознания и держатся на рефлексах и позволяют велосипеду не падать.

Почему велосипед не падает с физической точки зрения

Если проанализировать всё, что было перечислено выше, то можно сделать вывод — велосипедист во время движения следует некоторым подсознательным установкам. Это и позволяет сохранять состояние равновесия. Как канатоходец с шестом, велосипедист держит баланс. В основе устойчивости велосипеда лежит два основных физических понятия. Если рассматривать вопрос с физической точки зрения, то велосипед не падает именно благодаря этим явлениям.

Первое физическое явление – это гироскопический момент. Для того, чтобы не влезать в сложную теорию и малопонятные формулировки, описание можно сильно упростить. Вспомните, что чем меньше скорость движения велосипеда, тем сложнее сохранять равновесие. Физика объясняет это появлением момента инерции на колесах велосипеда, которое способствует сохранению вертикального положения. Явление аналогично сохранению вертикального положения вращающегося волчка – юлы. Юла сохраняет равновесие пока вращается её «юбка».

Второе явление, которым объясняют устойчивость велосипеда – это подсознательное подруливание в сторону падения. Вспомните, как учат кататься на велосипеде. Учитель всегда говорит, что если вы падаете, то нужно поворачивать в сторону падения. Если проанализировать движение взрослого опытного велосипедиста, то и он постоянно подруливает рулем при движении. Только в отличие от ученика, это подруливание составляет всего 2-3 мм. Когда велосипед начинает подруливать, центробежная сила возвращает колёса в их обычное положение и велосипедист сохраняет равновесие. Стабилизирующий эффект оказывает особенность расположения рулевого стакана. Из статьи про раму велосипеда вы узнали, что рулевой стакан расположен под углом, отличным от прямого. В итоге, если ось вращения руля продлить до земли, то она упрется в поверхность земли чуть раньше, чем землю касается само колесо. Между этими осями образуется так называемый угол. Этот угол называется кастор.

Термин кастор используется во всей механике и автомобилестроении. Благодаря такой ориентации, поворот велосипедного руля практически выталкивает падающее колесо из крена и возвращает в положение равновесия. Образно это можно представить, как постоянное «выдергивание» руля с последующим перемещением колеса в нужное направление.

Классическая теория не объективна. Велосипед не падает из-за магии?

Казалось бы, описанная теория вполне состоятельна с логической точки зрения и имеет подтверждение. Однако, не так давно коллектив независимых исследователей провёл ряд экспериментов, которые заставили усомниться в полноте имеющегося объяснения.

Они создали специальный стенд – аналог велосипеда. Ему сделали совсем маленькие колёсики, момент инерции которых минимален, и свели «на нет» влияние кастора, т.е. расположили рулевую под перпендикулярным углом к земле. Кроме того, стендовый велосипед был оборудован двумя колесами, которые вращаются в противофазе с основными и тем самым заставляют нивелировать эффект гироскопа. По классическим представлением, катание на таком велосипеде невозможно. Однако, на опытном образце было вполне возможно передвигаться. Нельзя сказать, что пилот-испытатель был сильно рад таким конструктивным особенностям. Ехать и правда было значительно сложнее и удержаться в седле оказалось непросто. Но физически это было возможно. Следовательно, имеющаяся теория не объясняет в полной мере весь физический процесс.

Читать еще:  Какой выбрать складной мужской велосипед?

Ученые предположили, что помимо описанных явлений гироскопа и специфического расположения рулевой, в устойчивость велосипеда вносит вклад и развесовка. Большая часть массы ездока приходится на заднее колесо, а переднее подруливает. Значит факт наличия кастора не столь принципиален, т.к. «морда» не полностью нагружена и легко поддается управлению.

Соответственно, не сегодняшний день ответить в полном объеме на вопрос «почему велосипед не падает» нельзя. Известно, что огромный вклад в устойчивость велосипеда действительно вносят эффект гироскопа и стабилизирующий эффект подруливания. Помимо этого, важна правильная развесовка. Сосредоточение большей части массы на заднем колесе делает велосипед легко управляемым. Кроме того, велосипедист своими сложными движениями, которые не всегда заметны со стороны, поддерживает равновесие всей конструкции.

Сочетание умения велосипедиста найти точку баланса и описанных физических принципов позволяет велосипедисту держать равновесие.

Блог им. mike — Почему велосипед не падает?

Один мой товарищ, серфя интернет наткнулся на сайт с вечными вопросами, наподобие, почему лед скользкий. Там же была министатья со ссылкой на оригинальное исследование, почему же велосипед едет. Оказывается, большие дяди от науки, отвлекаясь от элементарных частиц и от священной нанофизики, уделяют время и этому вопросу. Они создали модель велосипеда свободную от двух самых больших «помощников» велосипедиста: гироскопического эффекта и наклона вилки переднего колеса (кастора)… и даже эта модель оказалась стабильна!

Что такое устойчивость и зачем она нужна?

Велосипедист на покоящемся велосипеде изначально находится в состоянии неустойчивого равновесия. Любое возмущение приведет к выходу из неустойчивого равновесия – в нашем случае на землю, где он будет пребывать, сколько захочет. Внизу примеры неустойчивого и устойчивого равновесий.

Но все меняется, когда велосипед едет. В этом случае, если велосипед захочет упасть, его переднее колесо поворачивается так, чтобы восстановить вертикальное положение. Причем, это возвращение заложено в саму физику велосипеда, так что райдеру, на самом деле, и делать ничего не нужно. Велосипед, разогнанный до определенной скорости (в статье приводится значение в 15-20 км/ч), может ехать в стабильном вертикальном положении и без велосипедиста.
Из-за того, что велосипед стабилен лишь в движении, но не в покое, можно сказать, что эта система устойчива динамически.

Что помогает велосипеду возвращаться в изначальное положение?

Два эффекта, вносящих наибольший вклад – это гироскопический эффект и кастор переднего колеса.

Гироскопический эффект – эффект, возникающий во вращающихся системах, обладающих определенным угловым моментом, когда пытаются изменить направление оси вращения. Сила, возникающая в таком случае, называется гироскопической силой. Гироскопический эффект нетривиально объяснить, но его легко почувствовать. Самый простой эксперимент, который каждый из вас может поставить в домашних условиях, – это взять колесо велосипеда за ось, раскрутить и попробовать помахать им в воздухе. Вы почувствуете силу. Причем, чем больше раскрутите колесо, тем больше сила. На этой же силе основана тренировка с powerball , только система там немного оптимизированнее. Когда вы наклоняете велосипед – наклоняется и ось переднего колеса, колесо за счет гироскопического эффекта поворачивает в сторону наклона.

Кастор в нашей литературе – это угол наклона оси поворота автомобиля. Там это: caste r effect , castor и т.д. Наш угол наклона рулевой – тот же кастор.

Существование кастора приводит к тому, что точка контакта переднего колеса находится за воображаемой точкой пересечения линии вилки и земли. Это приводит к так называемому «следу» или trail переднего колеса. Эффект от такой геометрии вы можете наблюдать на тележках в ашанах: колесо всегда стремится волочиться за тележкой. При стабилизации это проявляется в том, что при наклоне велосипеда переднее колесо стремится «провалиться» в сторону наклона велосипеда, тем самым, поворачивая колесо в сторону

А что если убрать эти два эффекта? J. D. G. Kooijman, J. P. Meijaard, Jim M. Papadopoulos, Andy Ruina, и A. L. Schwab собрали модель велосипеда, в которой оба эффекта отсутствуют – two- mass — skate ( TMS ).

Они сильно уменьшили след колеса и перевернули его задом наперед, уменьшили размеры колес и добавили вторичные, которые крутятся в другую сторону, чтобы исключить гироскопический эффект.

И как видно из видео, модель все еще оказывается стабильной!

А выводы достаточно размыты. Во-первых, если исключить кастор и гироскопический эффект, то силы, которые могут стабилизировать велосипед, должны возникнуть из взаимодействия колеса с поверхностью при движении. Во-вторых, хоть кастор и гироскопический эффект и не обязательны, их нельзя рассматривать изолированно, т.к. со слов авторов можно построить системы, которые при наличии только одного из эффектов окажутся нестабильными на любых доступных человеку скоростях. Т. е. для стабильности важно взаимодействие этих двух эффектов. Это значит, что нет универсальных схем для всех типов байков, что дает большой простор для производителей и маркетинга.

Ps . Когда разбирался в этой статье, наткнулся на обширную статью на EnWiki про вело- и мотодинамику, о том, какие силы влияют на движение байка, про разные эффекты, геометрии и т.д. с количеством ссылок > 50. При желании могу пересказать ее по частям сюда.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector