Почему велосипед не падает при езде

Велосипед не падает из-за центробежной силы

ПодробностиПросмотров: 16968

  Если задавать вопрос «почему велосипед не падает?» всем подряд, то большинство, скорее всего, не смогут ответить на него. Просто пожмут плечами.

Меньшая часть, считающая себя технически грамотными людьми, ответит, что это, вероятно, из-за эффекта гироскопа.

И, наверно, будут удивлены, узнав, что гироскоп не имеет к этому никакого отношения, это показал эксперимент в котором нивелировали этот эффект, а велосипед продолжал ехать. И лишь незначительное меньшинство ответит правильно. Итак, почему не падают велосипедисты?

Обратите внимание

  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.

Важно

  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.

Почему велосипед не падает

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.

Совет

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.

Обратите внимание

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.

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.

Почему велосипед не падает при езде

Задавали ли вы себе вопрос почему, пока вы не умеете ездить на велосипеде – он падает, но как только научились кататься, держится под нами.

Многие списывают удержание равновесия на эффект гироскопа, но это не совсем верно. Эффект гироскопа не имеет к этому феномену никакого отношения.  

Почему велосипед под нами не падает?

После того, как вы поняли,  как правильно ездить на велосипеде, ваш мозг постоянно включен в работу над тем, чтобы удержать равновесие. Знаете ли вы поговорку британцев, о несложной задаче: Это столь же просто, как ездить на велосипеде.

Так как именно мы удерживаем велосипед под собой?

При езде на велосипеде, вращающееся колесо стремится к продолжению вращения вокруг своей оси.  По такому же принципу вращается планета Земля. Мотоциклистам проще понять этот принцип, за счёт быстроты и массивности колёс.

Велосипедисты же почти не сталкиваются с ним, так как колёса лёгкие, и на малой скорость крутятся медленно. Если бы здесь имел место эффект гироскопа, то любой человек, даже не умеющий ездить на велосипеде мог бы просто оттолкнуться ногой.

За умение кататься на велосипеде так же, отвечает исключительно ваш мозг. 

Проведите эксперимент попробуйте проехать по начерченной абсолютно прямой линии на ровной поверхности.  Это практически не возможно. Так же как и пройти по ней тоже вряд ли получится.

А вот если вы встанете на одну ногу на цыпочки и попробуете удержать равновесие при помощи рук – это будет очень сложно, но чтобы удержать равновесие попробуйте прыгать с ноги на ногу.

Велосипед сделан таким образом, что удерживать равновесие можно при помощи наклонов вправо и влево.  Если вы понаблюдаете, то же происходит при ходьбе и беге. Мозг управляет вашим телом и его движениями.  Если вы наклоняетесь вправо, то при следующем шаге наклонитесь влево.  При езде на велосипеде вы делаете то же самое.

Важно

При падении вы бессознательно поворачиваете руль в ту же сторону, чтобы изменить положение колеса, а после автоматически возвращаетесь  на прежнюю траекторию движения. Особенно сильно такие движения заметны у новичков, а почти не проявлены у опытных велосипедистов.

Конструкция велосипеда содержит несколько элементов, помогающих при езде на велосипеде: наклон рулевой колонки при помощи него переднее колесо касается земли в точке, находящейся сзади от точки проекции рулевой оси на землю. Расстояние между этими точками называется выкатом.

Существуют велосипеды с обратным рулём, в основном их используются в цирке.  Но для того, чтобы научиться ездить на нём, нужно переучить мозг и разучиться ездить на обычном велосипеде.

На детские велосипеды часто ставятся дополнительные колёсики по бокам.  Но при этом навык равновесия утрачиваются, и при их снятии потом приходится снова приучать мозг отслеживать процесс езды и контролировать его.

Ваш мозг должен научиться контролировать равновесие, для более быстрого обучения лучше сразу снять  тренировочные колесики и научиться «вилять», удерживая равновесие.  И ещё один полезный навык умение правильно падать, об этом мы писали в статье Как правильно падать с велосипеда.

Тренируйтесь, если вы ещё не умеете кататься на велосипеде, и помните за умение удерживать равновесие отвечает только ваш мозг.

Почему велосипедист не падает?

ПодробностиКатегория: ПочемучкаОпубликовано 07.01.2013 07:59Автор: АдминистраторПросмотров: 2047

Попробуй-ка сесть на неподвижный велосипед, а потом поднять обе ноги над землей! Ты и трех секунд не продержишь ноги на весу! Но стоит только попробовать поехать, как твой велосипед немедленно превратится в очень устойчивое средство передвижения.

Выходит, во время движения появляются силы, удерживающие велосипед в равновесии. Что же это за силы?

Версия первая

От падения велосипед удерживает гироскопический эффект, возникающий при вращении колес. Этот же эффект, кстати, не дает упасть вращающемуся волчку.

Совет

Что же касается волчка — давай превратим в него велосипедное колесо. Для этого, расположи, снятое с велосипеда колесо, горизонтально, поставив ось на твердую поверхность. Чтобы, подобно волчку, заставить колесо стоять на своей оси, колесо придется очень сильно раскрутить. А ведь на велосипеде можно ездить, не падая, даже когда его колеса вращаются гораздо медленнее!

Версия вторая

Велосипед не падает, потому, что велосипедист рулит им. Как только велосипед начинает падать, велосипедист тут же, невольно повернет руль в сторону, куда падает. Велосипед начинает поворачивать, и возникающая центробежная сила выравнивает его, не давая упасть.

Что ж, версия неплохая! Ведь обучение езде на двухколесном велосипеде и заключается в том, чтобы научиться поворачивать рулем на нужный угол. Но почему же тогда не падают те, кто умеют ездить «без руля», то есть, не держась за руль?

Версия третья

Если колесо наклонить, оно покатится не по прямой, а по окружности, центр которой находится в той же стороне, куда наклонено колесо. Падая, велосипед наклоняется, а значит, вместе с ним наклоняются и колеса. Наклоненный велосипед поворачивает, и центробежная сила стремится компенсировать падение — точно так же, как это объяснялось в предыдущей версии.

С наклоненным колесом все верно. Но согласно этой версии, выравнивание велосипеда происходит само собой, значит, чем меньше ты будешь вмешиваться в процесс, тем лучше. Давай сведем твое участие к минимуму, лишив возможности рулить, для этого наглухо приварим переднюю вилку велосипеда к раме. Далеко ли ты уедешь?

Версия четвертая

Все дело в конструкции велосипеда. Наклоним велосипед, держа его за седло. Мы увидим, что передняя вилка автоматически повернется в сторону наклона. Значит, как только велосипед начинает падать, его переднее колесо начнет само поворачиваться в сторону падения. Ну, а дальше, вступает в работу все та же центробежная сила.

Этот вариант вполне подошел бы для объяснения того, каким образом удается управлять велосипедом при езде «без рук»! Может, тогда не нужны ни руль, ни умение ездить? Но почему же тогда велосипед падает, если на нем никто не сидит, когда, например, ты толкаешь пустой велосипед с горки?

Выходит, ни одна из предложенных версий не подходит полностью? Но велосипедист, тем не менее, не падает! Как ты думаешь — почему?

В качестве возможных ответов мы изложили четыре версии, правда, для каждой версии можно найти соображение, ставящее под сомнение ее правильность.

Обратите внимание

Итак, где истина: велосипед не падает из-за возникающего гироскопического эффекта, из-за того, что им рулит велосипедист, из-за наклона колеса или из-за свойств собственной конструкции?

Правильный ответ — все эти четыре фактора удерживают велосипедиста от падения, но, в зависимости от условий езды, влияние этих факторов меняется.

Так, при очень медленной езде, главное, что помогает держать равновесие,— это работа рулем. На большой же скорости, руль можно вообще отпустить, в этой ситуации небольших наклонов будет достаточно для управления велосипедом.

Почему велосипед не падает? / Блог им. mike / Twentysix

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: caster 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?..Важно

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! Выводы

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.  

Почему велосипед не падает?

И ученые, и все прочие полагают, что им вполне понятно, почему конструкция велосипеда позволяет ему сохранять отличную устойчивость. Однако нехитрый эксперимент опровергает стандартные теории.

Считается, что в сохранении баланса велосипеда важнейшую роль играют два механизма.

Первый — автоматическое подруливание: если велосипед наклоняется в какую-то сторону, переднее колесо само поворачивается туда же; начинает поворачивать весь велосипед, и центробежная сила возвращает колесо в начальное положение.

Оно также возвращается и при езде по прямой, после случайного отклонения в сторону.

Такое подруливание связано с конструкцией передней вилки, оси вращения руля: если мысленно продолжить ее вниз, то она пересечется с поверхностью земли перед точкой, в которой ее касается само колесо — между ними появляется угол (кастор), оказывающий стабилизирующий эффект и при возникновении направленных в сторону сил колесо стремится вернуться в исходное положение. Второй механизм связывают с гироскопическим моментом вращающихся колес.

Все довольно просто — однако американский инженер Энди Руина (Andy Ruina) с коллегами взялись опровергнуть оба утверждения. Они сконструировали велосипед, в котором эффекты и того, и другого механизма нивелированы.

В отличие от всех «настоящих» велосипедов, у этого переднее колесо касается опоры перед точкой пересечения с нею оси передней вилки, что «отменяет» действие кастора.

А кроме того, и переднее, и заднее колеса связаны с двумя другими, вращающимися в обратную сторону и тем самым обнуляющими гироскопический эффект.

Совет

Конечно, внешне вся эта машинка напоминает скорее какой-нибудь кастом-байк (читайте о них: «Не спеша«) или даже самокат, а не традиционный велосипед: колеса маленькие, седла нет… Но тем не менее, конструкционно это, все-таки, велосипед, с которым можно экспериментировать. Взять и подтолкнуть — и посмотреть, как быстро он упадет на бок! Как ни удивительно — не так уж и быстро; по сути, равновесие он держит не хуже обычного велосипеда, он даже демонстрирует то же автоматическое подруливание.

По результатам эксперимента авторы делают однозначный вывод: оба эффекта — и кастора, и гироскопа — играют важную роль в сохранении баланса едущего велосипеда, но оба они не являются критически важными для него. Заметим, что конструкции велосипедов без гироскопического момента уже тестировались ранее, но опровержение важнейшей роли кастора в сохранении баланса велосипеда проделано впервые, и весьма наглядно.

Так отчего же велосипед не падает? Видимо, ключевую роль в этом играет особое распределение нагрузки: центр массы в передней части расположен существенно ниже, чем в задней.

В результате переднее колесо заваливается быстрее заднего, а поскольку они жестко связаны по вертикальной оси, переднее колесо вместо того, чтобы просто наклониться набок, разворачивается в ту же сторону, выправляя положение велосипеда.

Почему велосипед не падает при езде. Статьи компании « Velodom.by интернет-магазин»

Почему не падает велосипед? Скорее всего, ответ на этот, на первый взгляд, несложный вопрос способен дать далеко не каждый. Возможно, этой темой приходилось интересоваться тем, кого однажды спрашивал ребенок. К числу основных факторов, благодаря которым существует этот феномен, можно отнести следующие два:

• эффект кастора;
• гироскопический эффект.

Эффект кастора

Основан на постоянном подруливании, или, точнее, на возможности использования центробежной силы, возникающей при отклонении движущегося тела от прямой траектории.

Происходит так, что выравнивающая сила возникает при повороте руля велосипеда. Причем ее направление противоположно стороне поворота руля.

Поэтому, двигаясь прямо, при малейшем отклонении в сторону велосипедисту нужно лишь немного повернуть руль в том же направлении, и центробежная сила выравнивает равновесие.

Таким образом, если внимательно посмотреть на едущего велосипедиста, можно заметить, что при движении в прямом направлении его траектория не идеально ровная.

Причем степень извилистости зависит от скорости движения: чем она ниже, тем сильнее петляет велосипед. Или другой пример: можно присмотреться к следам велосипеда на земле.

След от переднего колеса будет представлять собой вытянутую синусоиду с осью в виде следа от заднего колеса.

Любопытно, что подруливание происходит само, то есть велосипедисту не нужно делать этого специально, а достаточно просто научиться использовать этот эффект. Именно такой навык и лежит в основе умения ездить на велосипеде.

Гироскопический эффект

Основан на свойстве вращающегося круглого или шарообразного тела сохранять свое положение в пространстве, пока на него не окажут воздействие другие силы. Один из примеров этого явления – известный каждому с детства волчок. Он не падает до тех пор, пока крутится. В велике роль таких волчков выполняют колеса.

Убедиться в этом можно, проведя простой опыт. Если снять велосипедное колесо, взяться руками за места креплений и раскрутить (желательно, чтобы кто-то помог это сделать), то можно заметить, что вращающееся колесо тяжело поворачивать в пространстве. Или, например, детский вертолет.

При раскрученном пропеллере, для того чтобы подбросить игрушку вверх, требуются усилия, как будто в руках находится более тяжелый предмет. Еще ощутимее заметен эффект гироскопа при больших оборотах вращения.

Обратите внимание

Это наверняка замечали те, кому приходилось работать с некоторыми электрическими инструментам (болгарка, паркетка и пр.)

Способность вращающегося тела сохранять направление применяется в разных областях, например:

• в авиации (вращающиеся лопасти стабилизатора в хвостовом оперении вертолета обеспечивают его курсовую устойчивость);
• в ракетных системах и морской навигации (вращающийся чувствительный элемент гироскопа используется в приборах курсоуказания).

Таким образом, факты убедительно свидетельствуют о том, что эффекты кастора и гироскопа, действительно, играют определенную роль в поддержании устойчивости велосипеда во время движения.

Но между тем, ни один из фактов не доказывает, что эти эффекты являются определяющими.

Стало быть, существует еще какая-то сила, проявление которой находится перед глазами, а понимание – все еще за пределами досягаемости человеческого разума.

VK: https://vk.com/club27518494

Почему велосипед не падает?

Мы с вами некоторое время назад решали интересную задачку — в какую сторону поедет велосипед?. А теперь вам еще один вопрос — почему велосипед не падает?

Казалось бы, ничего сложного. Во-первых — эффект кастора , во-вторых — гироскопический эффект вращений колес.

Однако американскому инженеру Энди Руина удалось создать велосипед, в котором эффекты и того, и другого механизма нивелированы. При всем при этом велосипед теряет равновесие не быстрее, чем простой велик. Отсюда вывод: оба эффекта, и кастора, и гироскопа играют важную роль в уравновешивании баланса снаряда, но не являются определяющими.

Почему же все-таки не падает велосипед?

Давайте разбираться …

Для начала немного подробнее об опытах Эни Руина.

Считается, что в сохранении баланса велосипеда важнейшую роль играют два механизма.

Первый — автоматическое подруливание: если велосипед наклоняется в какую-то сторону, переднее колесо само поворачивается туда же; начинает поворачивать весь велосипед, и центробежная сила возвращает колесо в начальное положение.

Оно также возвращается и при езде по прямой, после случайного отклонения в сторону.

Такое подруливание связано с конструкцией передней вилки, оси вращения руля: если мысленно продолжить ее вниз, то она пересечется с поверхностью земли перед точкой, в которой ее касается само колесо — между ними появляется угол (кастор), оказывающий стабилизирующий эффект и при возникновении направленных в сторону сил колесо стремится вернуться в исходное положение. Второй механизм связывают с гироскопическим моментом вращающихся колес.

Все довольно просто — однако американский инженер Энди Руина (Andy Ruina) с коллегами взялись опровергнуть оба утверждения. Они сконструировали велосипед, в котором эффекты и того, и другого механизма нивелированы.

В отличие от всех «настоящих» велосипедов, у этого переднее колесо касается опоры перед точкой пересечения с нею оси передней вилки, что «отменяет» действие кастора.

А кроме того, и переднее, и заднее колеса связаны с двумя другими, вращающимися в обратную сторону и тем самым обнуляющими гироскопический эффект (хотя данное утверждение многими оспаривается и считается в корне не верным, но возможно тут дело в в переводе)

Важно

Конечно, внешне вся эта машинка напоминает скорее какой-нибудь кастом-байк (читайте о них: «Не спеша«) или даже самокат, а не традиционный велосипед: колеса маленькие, седла нет… Но тем не менее, конструкционно это, все-таки, велосипед, с которым можно экспериментировать. Взять и подтолкнуть — и посмотреть, как быстро он упадет на бок! Как ни удивительно — не так уж и быстро; по сути, равновесие он держит не хуже обычного велосипеда, он даже демонстрирует то же автоматическое подруливание.

По результатам эксперимента авторы делают однозначный вывод: оба эффекта — и кастора, и гироскопа — играют важную роль в сохранении баланса едущего велосипеда, но оба они не являются критически важными для него. Заметим, что конструкции велосипедов без гироскопического момента уже тестировались ранее, но опровержение важнейшей роли кастора в сохранении баланса велосипеда проделано впервые, и весьма наглядно.

Так отчего же велосипед не падает?

Для того, чтобы двухколесный велосипед не упал, нужно постоянно поддерживать равновесие.

Поскольку площадь опоры велосипеда очень мала (в случае двухколесного велосипеда это всего лишь прямая, проведённая через две точки, в которых колеса касаются земли), такой велосипед может находиться только в динамическом равновесии.

Это достигается с помощью подруливания: если велосипед наклоняется, велосипедист отклоняет руль в ту же сторону. В результате велосипед начинает поворачивать и центробежная сила возвращает велосипед в вертикальное положение.

Этот процесс происходит непрерывно, поэтому двухколесный велосипед не может ехать строго прямо; если руль закрепить, велосипед обязательно упадёт. Чем выше скорость, тем больше центробежная сила и тем меньше нужно отклонять руль, чтобы поддерживать равновесие.

При повороте нужно наклонить велосипед в сторону поворота так, чтобы сумма силы тяжести и центробежной силы проходила через линию опоры. В противном случае центробежная сила опрокинет велосипед в противоположную сторону.

Как и при движении по прямой, идеально сохранять такой наклон невозможно, и подруливание осуществляется точно так же, только положение динамического равновесия смещается с учётом возникшей центробежной силы. Конструкция рулевого управления велосипеда облегчает поддержание равновесия.

Совет

Ось вращения руля расположена не вертикально, а наклонена назад. Кроме того, она проходит ниже оси вращения переднего колеса и впереди той точки, где колесо касается земли.

Благодаря такой конструкции достигаются две цели:

— При случайном отклонении переднего колеса от нейтрального положения возникает момент силы трения относительно рулевой оси, который возвращает колесо обратно в нейтральное положение.

— Если наклонить велосипед, возникает момент силы, поворачивающий переднее колесо в сторону наклона. Этот момент вызван силой реакции опоры. Она приложена к точке, в которой колесо касается земли и направлена вверх. Из-за того, что рулевая ось не проходит через эту точку, при наклоне велосипеда сила реакции опоры смещается относительно рулевой оси.

Таким образом, осуществляется автоматическое подруливание, помогающее поддерживать равновесие.

Если велосипед случайно наклоняется, то переднее колесо поворачивается в ту же сторону, велосипед начинает поворачивать, центробежная сила возвращает его в вертикальное положение, а сила трения возвращает переднее колесо обратно в нейтральное положение.

Благодаря этому, можно ехать на велосипеде «без рук». Велосипед сам поддерживает равновесие. Сместив центр тяжести в сторону, можно поддерживать постоянный наклон велосипеда и выполнить поворот.

Можно заметить, что способность велосипеда самостоятельно сохранять динамическое равновесие зависит от конструкции рулевой вилки.

Определяющим является плечо реакции опоры колеса, то есть длина перпендикуляра, опущенного из точки касания колеса земли на ось вращения вилки; или, что эквивалентно, но проще измерить – расстояние от точки касания колеса до точки пересечения оси вращения вилки с землёй.

Таким образом, для одного и того же колеса возникающий момент будет тем выше, чем больше наклон оси вращения вилки.

Однако для достижения оптимальных динамических характеристик нужен не максимальный момент, а строго определенный: если слишком малый момент приведёт к трудности удержания равновесия, то слишком большой – к колебательной неустойчивости, в частности – «шимми». Поэтому положение оси колеса относительно оси вилки тщательно выбирается при проектировании; многие велосипедные вилки имеют изгиб или просто смещение оси колеса вперёд для снижения избыточного компенсирующего момента.

Обратите внимание

Распространённое мнение о существенном влиянии гироскопического момента вращающихся колёс на поддержание равновесия является неправильным. На высоких скоростях (начиная примерно с 30 км/час) переднее колесо может испытывать т. н. скоростные виляния (speed wobbles), или «шимми» – явление, хорошо известное в авиации.

При этом явлении колесо самопроизвольно виляет вправо и влево. Скоростные виляния наиболее опасны при езде «без рук» (то есть когда велосипедист едет, не держась за руль). Причина скоростных виляний – не в плохой сборке или слабом креплении переднего колеса, они вызваны резонансом.

Скоростные виляния легко погасить, снизив скорость или изменив позу, но если этого не сделать, они могут быть смертельно опасными.

Даже если отбросить влияние велосипедиста на устойчивость, то во время езды велосипед гораздо устойчивей, чем во время остановки. Управляться он может также по-разному, и не только поворотом руля. Если вспомнить езду «без рук», то становится понятно, что факторов, обеспечивающих устойчивость велосипеда, несколько.

Рассмотрим главные. Но прежде, еще одно короткое замечание: у велосипеда существуют две устойчивости и одна управляемость. Первая устойчивость — это вертикальная, вторая — продольная, или курсовая устойчивость, а управляемость — только продольная (курсовая).

Само собой, чем лучше продольная устойчивость, тем хуже управляемость, и наоборот. Сложность заключается во взаимосвязи этих трех важных параметров. Один влияет на другой, другой на третий и рассказать, положим, о вертикальной устойчивости, не упоминая продольную, затруднительно.

Но в любом случае, каждому практикующему велосипедисту важно сохранить равновесие, или баланс и катить в правильном направлении.

Равновесию на малой скорости или даже стоя на месте, как лихо демонстрируют некоторые умельцы, помогает геометрия вилки и рулевой колонки.

Важно

Поворачивая руль, мы сдвигаем центральную линию велосипеда, проходящую через точки контакта с поверхностью переднего и заднего колес.

Так мы подстраиваем ее под слегка сдвинувшийся в сторону центр тяжести велосипедиста и его верного двухколесного коня. Балансирование на месте всем хорошо известно и знакомо — это сюрпляс.

Представим себе обычный случай: велосипедист поворачивает со скоростью v по кругу с радиусом R. Для сохранения равновесия велосипедист должен наклониться на угол α от вертикали или, что тоже самое, на угол φ=90° — α от горизонтали, чтобы компенсировать центробежную силу (смотрите рисунок выше).

Условия равенства сил приводят к известной еще со школы элементарной формуле ctg α=(v2/gR)=tgφ≤μ (1), где μ — максимально возможный в данный момент коэффициент сцепления шины с дорогой.

Для реальной оценки его надо уменьшать на 20 — 25% по сравнению с многочисленными табличными значениями, g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек. Велосипедист поворачивает благодаря силам трения между дорогой и передним колесом.

Если дорога скользкая или покрыта льдом, то контролируемый поворот становится затруднительным или невозможным. Вместо поворота может произойти занос переднего колеса, потеря равновесия и падение.

Пусть теперь велосипедист, спокойно катясь по прямой, ровной и гладкой дороге и любуясь проплывающим мимо пейзажем, случайно отклонился от вертикали на небольшой угол αl. Чтобы не упасть, велосипедист старается повернуть руль в сторону наклона велосипеда на угол β.

Спрашивается, на какой угол надо повернуть руль, дабы не упасть? Для ответа достаточно посмотреть на рисунок выше и вспомнить любимую теорему синусов G=2R2sinβ (2), где G — расстояние между осями колес (база велосипеда), R2 — радиус, по которому начинает двигаться велосипед после поворота переднего колеса. Он должен быть меньше, чем радиус, по которому спокойно и уверенно поворачивает велосипедист, отклонившись от вертикали на угол αl, согласно формуле (1). Иначе выправить равновесие не удастся. Теперь подставим формулу (2) в формулу (1). И получим: sin β=(gGtgαl/2v2) (3). Эта очень простая формула может рассказать много полезного.

Первое. Велосипедисту, катящемуся со скоростью v и отклонившемуся от вертикали на угол αl, нужно повернуть руль на угол больший или равный углу β, который легко подсчитать по формуле (3).

Второе. Чем больше скорость велосипедиста, тем на меньший угол надо повернуть руль и для восстановления равновесия и для прохождения виража. Из этого следует, что велосипедом намного легче управлять на высокой скорости, чем на маленькой. И это хорошо известно всем, кто садился на велосипед.

Третье. Чем больше база велосипеда — G, тем на больший угол надо поворачивать руль, дабы восстановить равновесие или вписаться в поворот. И так же интуитивно ясно, что по узким, лесным извилистым дорожкам легче катить на велосипеде с малой базой.

Четвертое. Навык правильного поворота руля быстро становится автоматическим, подсознательным, и многие велосипедисты не подозревают, что даже при беззаботной езде по прямой им нужно постоянно поворачивать руль. Достаточно посмотреть на след, оставленный колесами велосипеда.

Совет

Легко увидеть, что относительно прямая колея, оставленная задним колесом, всё время пересекается извилистым следом переднего.

А это значит, что переднее колесо во время движения постоянно поворачивает из стороны в сторону, велосипед все время «въезжает» под регулярно падающего велосипедиста и, благодаря этому, сохраняет равновесие.

И, наконец, пятое. Если руль не поворачивается, если рулевая колонка, положим, по каким-то причинам заклинена, ездить практически нельзя (в современном понимании этого слова). Двухколесные самокаты начала XIX века, не имевшие рулевого управления, могли катить только по прямой.

И это приводит нас к любопытной аналогии между сохранением равновесия на велосипеде и удержанием швабры, бильярдного кия или авторучки («Паркер» с золотым пером, например) на раскрытой ладони.

Действительно, как удержать кий? Сначала он стоит на ладони вертикально, а затем начинает отклоняться, и ладонь быстро перемещается в сторону наклона. Опора кия смещается, и он начинает наклоняться в другую сторону.

Ладонь снова перемещается, и такое балансирование может длиться весьма долго.

То же самое делает и велосипедист. Но возникает естественный вопрос: чем проще балансировать — шваброй или авторучкой? Ответ не вполне очевиден, но, твердо освоив школьный курс на «хорошо», получить правильный результат несложно. Прежде всего, на что похожи стоящая швабра, авторучка и катящийся велосипед? Правильно! На перевернутый физический маятник.

Вместо точки подвеса есть точка опоры. И такие перевернутые маятники всем хорошо знакомы — например, механический метроном, которым задают ритм при изучении музыки. Чем выше поднимают грузик на планке, тем больше период колебаний, и тем медленнее качается маятник метронома.

А если грузик опустить вниз, к точке опоры, то период колебаний уменьшится, и маятник быстро-быстро зачастит.

С некоторыми оговорками и при малых отклонениях от вертикали его можно рассмотреть как математический маятник и написать крайне простую формулу для периода колебаний. T≈2π√l/g, где l — расстояние от точки опоры до центра масс (ЦМ).

Время отклонения от вертикали на малый угол α1 равно: t=T/4≈(π/2)√l/g. Оно не зависит от массы швабры и «откормленности» велосипедиста. Прикинем: швабра имеет l=1м, 1=1,6*0,32=0,5 с. У авторучки же l=0,1 м, t= 1,6*0,1=0,16 с.

Обратите внимание

А высокий велосипед — l=1,2 метра, t= 1,6*0,35=0,56 с. Результат прост и нагляден.

Точно так ведет себя и любой предмет: чем он выше, чем больше расстояние от точки опоры до центра масс (центра тяжести), тем медленнее он отклоняется от вертикали на малый угол, и тем легче им балансировать или удерживать на нем равновесие.

И тут вне конкуренции велосипед «Паук», у которого центр масс располагался на высоте около двух метров. Но падать с такой высоты было больно и опасно, и «Пауки» не выжили. Поэтому намозолившее глаза выражение «низкий устойчивый силуэт» справедливо только для трех или четырех колесных экипажей.

Если так говорят о двухколесных велосипедах или мотоциклах, то это нонсенс и техническая безграмотность.

источники

http://www.liveinternet.ru/users/ladykepnet/post100590321/

http://velofun.ru/cycling-technique/pochemu-velosiped-ne-padaet.html

http://www.popmech.ru/technologies/11518-novosti-kosmonavtiki-8-14-aprelya-2011-g/#full

http://news.sciencemag.org/physics/2011/04/how-keep-riderless-bike-crashing

Еще несколько ответов на вопрос «ПОЧЕМУ? » : давайте вспомним, например Почему в США 110 Вольт, а у нас 220? или Почему материки и части света так называются ?. А вот вы знаете Почему легкие называются легкими ? или например Почему женщины красивее мужчин ?

Почему мы не падаем с велосипеда

Почему мы не падаем с велосипеда.

Очень часто дети спрашивают у взрослых -«А почему мы не падаем с велосипеда». Вы тоже хотите это узнать? Сейчас мы вам все расскажем и объясним.

Все дело в том, что когда мы едем на велосипеде, удержаться на нем нам помогают две силы: вращающая (по научному она называется гироскопическая) и сила инерции. 

Первая сила работает за счет маленькой детали — волчка, который устанавливается так, чтобы центр тяжести оставался всегда на одном месте.Это позволяет велосипеду не крениться в разные стороны. 

Чтобы вы поняли принцип работы второй силы, помогающей нам удерживаться на велосипеде, приведем такой пример:

Представьте, что во время катания на велосипеде вы вдруг почувствовали, что он наклоняется в какую-либо сторону. Что же делать? Вам необходимо просто повернуть переднее колесо именно в ту сторону, куда наклоняется велосипед.

В этом случае сила инерции поможет выровнять ваше положение относительно велосипеда и вы ни в коем случае не упадете. Вот так это работает.

У вас наверняка может возникнуть вполне логичный вопрос — откуда берутся эти две силы. Инерция зависит от гравитации (естественного притяжения земли), то есть она создана природой. Вращательная сила тоже  подчиняется законам природы и работает благодаря им. 

Узнавайка рууу / Разное Galadrielj

«Очень часто дети спрашивают у взрослых -«А почему мы не падаем с велосипеда». Вы тоже хотите это узнать? Сейчас мы вам все расскажем и объясним.»

Как и почему мы слышим   Как и почему мы слышим.    Большинство людей думают что мы слышим потому, что у нас есть уши. На самом же деле, ушами мы только воспринимаем звуки. А способность слышать мы имеем благодаря целой слухо…Почему у змей нет ног   Почему у змей нет ног.

  Змеи похожи на ящериц, только они намного длиннее и у них почему то нет ног…Интересно, почему? То что сейчас у змей нет ног, вовсе не значит, что у них никогда не было конеч…Почему падают звезды   Почему звезды падают.   В темное время суток иногда можно увидеть, как в небе падают звезды.

Всем известна примета, связанная с этим явлением: увидев падающую звезду обязательно загадать желание пока …Почему камбала плоская   Почему камбала плоская. Камбала – это весьма необычная рыба, отличающаяся от других формой тела и расположением глаз. Обитает она на песчаном дне и относится к хищникам. Питается камбала мелкими креве…

Почему колесо круглое   Почему колесо круглое.   Больше всего наверное этот вопрос интересует мальчиков, поскольку всевозможные машинки, трактора, мотоциклы, это их любимые игрушки. Очень сложно представить всю эту технику б…Почему молоко прокисает   Почему молоко прокисает. Молоко, очень полезный продукт, особенно для детей.

В нем содержится очень много важных для здоровья и развития растущего организма веществ — кальций, витамины,различные соли, …Почему человек чихает   Почему человек чихает.   Чихание — это один из рефлексов данных человеку природой. Это что-то вроде реакции на раздражители. И проявляется она не только когда мы болеем.

Важно

 Для начала рассмотрим, как соб…Почему нельзя есть мел   Почему нельзя есть мел.   Иногда, когда ты пишешь мелом на доске, или рисуешь на асфальте, тебе хочется его съесть? Взрослые говорят, что это вредно и так делать нельзя. Но почему? Для начала выясним,…Почему крапива жжется   Почему крапива жжется.

  Каждый ребенок любит много бегать и играть в траве. Но  есть такая трава, прикоснувшись к которой можно получить ожог — это крапива. Все мы знаем, что если дотронуться до ее л…Что такое эхо и почему мы его слышим   Что такое эхо и почему мы его слышим.

  Друзья, вы когда нибудь замечали, как сказанное вами в пустой комнате как будто кто-то за вами повторял? Это явление называется эхо. Оно прячется в лесу между д…Добавление комментариев доступно только зарегистрированным пользователям