Se pare că nimic complicat. În primul rând efectul castor. în al doilea rând - efectul giroscopic al rotirii roților.
Cu toate acestea, inginerul american Andy Ruin a reusit sa creeze o bicicleta in care efectele ambelor mecanisme sunt egale. În același timp, bicicleta își pierde echilibrul nu mai repede decât cea simplă. Prin urmare, concluzia: ambele efecte, precum și ricinul și giroscopul joacă un rol important în echilibrarea balanței proiectilului, dar nu sunt decisive.
De ce nu scade bicicleta? Să înțelegem ...
Se crede că cele două mecanisme joacă cel mai important rol în menținerea echilibrului bicicletei. În primul rând - Mini automată: dacă bicicleta este înclinat într-o anumită direcție, roata din față se întoarce la fel; El începe să se rotească întreaga bicicletă, iar forța centrifugă a roții revine la poziția sa inițială. Se întoarce, de asemenea, atunci când conduceți într-o linie dreaptă, după abaterea accidentală spre lateral. O astfel de direcție asociată cu proiectarea axei față direcției furcii de rotație: dacă mental continuă descendentă, se intersectează cu solul înainte de punctul în care a ajuns la roata in sine - unghiul apare între ele (ricin), oferind un efect de stabilizare și îndreptate în apariția partea laterală a forțelor roata tinde să se întoarcă în poziția inițială. Al doilea mecanism este legat de momentul giroscopic al roților rotative.
Este destul de simplu - totuși, inginerul american Andy Ruina (și Andy Ruina) împreună cu colegii s-au angajat să respingă ambele declarații. Ei au construit o bicicletă în care efectele ambelor mecanisme sunt egale. Spre deosebire de toate bicicletele "reale", această roată frontală atinge suportul din fața punctului de intersecție cu aceasta a axei furcii frontale, care "anulează" acțiunea rotorului. În plus, ambele roți din față și din spate sunt conectate la celelalte două, rotindu-se în direcția opusă și astfel anulează efectul giroscopic.
Desigur, toata aceasta masina arata ca o caste-bike (citit despre ei: "incet") sau chiar un scuter, mai degraba decat o bicicleta traditionala: rotile sunt mici, nu exista sarde ... Dar, insa, este constructiv, la urma urmei , o bicicletă cu care puteți să experimentați. Luați și împingeți - și să vedeți cât de repede el cade pe partea lui! În mod surprinzător, nu este atât de rapid; de fapt, el deține echilibrul nu mai rău decât o bicicletă obișnuită, el chiar demonstrează aceeași direcție automată.
Deci, de ce nu cade bicicleta?
Pentru ca bicicleta cu două roți să nu cadă, trebuie să mențineți echilibrul în mod constant. Deoarece zona de susținere a bicicletei este foarte mică (în cazul unei biciclete cu două roți este doar o linie dreaptă, trasă prin două puncte unde roțile atinge solul), o astfel de bicicletă poate fi doar în echilibru dinamic. Acest lucru este realizat cu ajutorul unui ghid: în cazul în care bicicleta este înclinată, biciclistul respinge volanul în aceeași direcție. Ca urmare, bicicleta începe să se rotească și forța centrifugă readuce bicicleta în poziție verticală. Acest proces este continuu, astfel încât bicicleta cu două roți nu poate merge direct; dacă volanul este fixat, bicicleta va cădea. Cu cât viteza este mai mare, cu atât este mai mare forța centrifugă și cu atât mai puțin trebuie să deflectați volanul pentru a menține echilibrul.
La întoarcere, trebuie să înclinați bicicleta în direcția rotației, astfel încât suma forței de gravitație și a forței centrifuge să treacă prin linia de susținere. În caz contrar, forța centrifugă va înclina bicicleta în direcția opusă. Ca și în cazul unei linii drepte, este imposibilă menținerea perfectă a unei astfel de pante, iar împingerea se desfășoară exact în același mod, numai poziția echilibrului dinamic se schimbă ținând cont de forța centrifugă care a apărut. Designul direcției bicicletei facilitează menținerea echilibrului. Axa de rotație a cârmei nu este verticală, ci înclinată înapoi. În plus, acesta trece sub axa de rotație a roții din față și în fața punctului în care roata atinge solul.
Datorită acestui design, se realizează două obiective:
- Dacă roata din față este deviată accidental din poziția neutră, un moment de forță de frecare apare în raport cu axul de direcție, care returnează roata înapoi în poziția neutră.
- Dacă înclinați bicicleta, apare un moment de forță, întorcând roata din față spre înclinare. Acest moment este cauzat de forța de reacție a suportului. Se aplică în punctul în care roata atinge solul și arată în sus. Datorită faptului că axa de direcție nu trece prin acest punct, atunci când bicicleta este înclinată, forța de reacție a suportului este deplasată față de axa de direcție.
Astfel, o manevră automată este utilizată pentru a menține echilibrul. Dacă bicicleta se înclină accidental, roata din față se rotește în aceeași direcție, bicicleta începe să se rotească, forța centrifugă o readuie în poziția verticală, iar forța de frecare returnează roata din față în poziția neutră. Datorită acestui fapt, puteți merge cu bicicleta "fără mâini". Motocicleta în sine menține echilibrul. Deplasând centrul de greutate deoparte, aveți posibilitatea să mențineți o îndoire constantă a bicicletei și să faceți o întoarcere.
Se poate observa că abilitatea unei biciclete de a menține independent un echilibru dinamic depinde de designul furcii de direcție. Factorul determinant este reacția umărului suportului roții, adică lungimea perpendicularului scăzut de la punctul de contact al roții de împământare până la axa de rotație a furcii; sau, în mod echivalent, dar mai ușor de măsurat - distanța de la punctul de contact al roții până la punctul de intersecție al axei de rotație a furcii cu solul. Astfel, pentru aceeași roată, cuplul rezultat va fi mai mare, cu atât mai mare este panta axei de rotație a furcii. Cu toate acestea, pentru a obține caracteristici dinamice optime, nu este necesar un moment maxim, dar strict definit: dacă un moment prea mic conduce la dificultatea menținerii echilibrului, apoi prea mare la instabilitate oscilantă, în special la "shimmy". Prin urmare, poziția axei roții față de axa furcii este selectată cu atenție în timpul proiectării; Multe furci de biciclete au o îndoire sau pur și simplu schimbă axa roții înainte pentru a reduce cuplul excesiv de compensare.
Opinia larg răspândită despre efectul semnificativ al cuplului giroscopic al roților rotative asupra menținerii echilibrului este incorectă. La viteze mari (începând de la aproximativ 30 km / h), roata din față poate trăi așa-numita. sau "șimii" - un fenomen bine cunoscut în aviație. În acest fenomen, roata se rotește spre dreapta și spre stânga. Vitezele de mare viteză sunt cele mai periculoase atunci când conduci "fără mâini" (adică când un ciclist se plimbă fără a ține roata). Motivul pentru învârtirea rapidă nu este în asamblarea slabă sau atașarea slabă a roții din față, acestea fiind cauzate de rezonanță. Vânătoarea rapidă este ușor de stins, încetinind sau schimbând poza, dar dacă nu, pot fi mortale.
Chiar dacă renunți la influența biciclistului asupra stabilității, atunci când conduci o bicicletă este mult mai stabilă decât în timpul unei opriri. De asemenea, poate fi gestionat în moduri diferite, și nu doar prin rotirea volanului. Dacă vă aduceți aminte de plimbare "fără mâini", devine clar că există mai mulți factori care asigură stabilitatea bicicletei. Luați în considerare principalul. Dar înainte, încă o scurtă observație: o bicicletă are două stabilitate și o controlabilitate. Prima stabilitate este verticală, a doua - stabilitate longitudinală sau cursă și controlabilitate - numai longitudinal (curs). Desigur, cu atât stabilitatea longitudinală este mai bună, controlabilitatea mai slabă și invers. Dificultatea constă în interconectarea acestor trei parametri importanți. Una afectează cealaltă, cealaltă afectează a treia și, de exemplu, despre stabilitatea verticală, fără a menționa stabilitatea longitudinală, este dificilă. Dar, în orice caz, este important ca fiecare ciclist practicant să mențină un echilibru, să echilibreze și să se rostogolească în direcția corectă.
Echilibrul la viteză mică sau chiar în picioare, așa cum demonstrează unii meșteri, este ajutat de geometria furcii și a coloanei de direcție. Prin rotirea volanului, deplasăm linia centrală a bicicletei, trecând prin punctele de contact cu suprafața roților din față și din spate. Așa că o ajustăm la centrul de greutate al biciclistului și al calului său cu două roți. Echilibrarea la fața locului este bine cunoscută și familiară - este o surpriză. Detalii privind proprietățile utile ale furcii și efectul lor asupra stabilității pot fi văzute mai jos.
Vederea de sus arată modul în care această linie de anvelope poate fi împinsă
în lateral, prin rotirea cârmei de la o parte la alta. Acest lucru este foarte important
pentru echilibrare la viteză mică. (1. Rotiți axa la nivelul solului,
2. Linia prin patch-urile de contact ale anvelopei, 3. Linia centrală
1. Plecarea, 2. Axa coloanei de direcție la nivelul solului,
3. forța laterală datorată unghiului de alunecare, 4. panta,
5. Punctul de contact al pneului cu drumul, 6. Roata deflectată
1. 1/2 inci, 2. Axa coloanei de direcție la nivelul solului,
3. Plecarea din față, 4. 7 - 10 piloți, 5. Plecarea din spate,
6. 1/2 grade, 7. Linia de mișcare
Ce viteză este considerată mică și care este mare? Aceasta este o întrebare netrivială. Dar puteți obține o estimare aproximativă a vitezei minime de mișcare constantă a bicicletei. Acest lucru este facilitat de teoria mișcării unui disc solid (buclă, roți) de-a lungul unui plan fără alunecare. Potrivit acesteia, pentru a asigura stabilitatea unui astfel de disc, aproape de diametrul roții bicicletei, este suficientă o viteză de aproximativ 1 m / s sau 3,6 km / h.
Viteza sub minim este deja o artă de echilibrare sau o surpriză pe pistă. Sistemul format din bicicletă și este biciclistului, desigur, este departe de disc simplu sau cerc de rulare, dar această valoare indică ordinul de mărime a ratei minime trebuie să dețină în mod stabil o bicicletă. Și, așa cum toată lumea știe, are un acord aproximativ cu experiența de zi cu zi.
Dar, la urma urmei, bicicleta nu este un fel de "Harley" pentru tine. Un ciclist cântărește mult mai mult decât o bicicletă pe care stă. Prin urmare, pentru a menține echilibrul pe bicicleta, în unele situații, de exemplu, pe pista ingusta, pista, centrul de schi de greutate poate fi deplasat atât la dreapta și la stânga, schimbarea poziției corpului ciclistului în raport cu bicicleta. Este necesar, ca și cum ar fi plecat de la ea în direcția opusă abaterii inițiale, să menținem echilibrul, continuând avansul constant. În acest caz, un centru de greutate mai ridicat al biciclistului afectează puternic echilibrul general al biciclistului sistemului - biciclete și oferă un control mai mare asupra poziției și mișcarea bicicletei. O altă modalitate utilă de mutare a corpului la taxi va fi discutată mai jos.
Imaginați-vă cazul obișnuit: ciclistul se întoarce cu o viteză v într-un cerc cu o rază R. Pentru a menține echilibrul, biciclistul trebuie să se îndoaie peste un unghi # 945; de la verticală sau, care este același lucru, la unghiul # 966; = 90 ° - # 945; din orizontală pentru a compensa forța centrifugală (a se vedea figura de mai sus). Condițiile egalității forțelor conduc la formula elementară ctg # 945; = (v2 / gR) = tg # 966; ≤ # 956; (1), unde # 956; - maximul posibil în momentul de față a coeficientului de tracțiune al pneului cu drumul. Pentru o estimare reală, ar trebui să fie redusă cu 20-25% în comparație cu numeroase valori tabulare, g - accelerația scăderii libere, egală cu 9,81 m / sec. Ciclistul se întoarce din cauza forțelor de frecare dintre drum și roata din față. Dacă drumul este alunecos sau acoperit cu gheață, atunci turnul controlat devine dificil sau imposibil. În loc să se rotească, roata din față poate să alunece, să piardă echilibrul și să cadă.
Acum, să presupunem că biciclistului, rulare calm în linie dreaptă, chiar și drum neted și admirând vele trecut peisajul, deviat accidental față de verticală cu un unghi mic # 945; l. Pentru a nu cădea, ciclistul încearcă să întoarcă volanul spre îndoirea bicicletei în colț # 946; Întrebarea este, la ce unghi trebuie să rotiți volanul, pentru a nu cădea? Pentru răspuns, trebuie doar să priviți imaginea de mai sus și să rețineți teorema sinusoidală favorită G = 2R2sin # 946; (2), unde G este distanța dintre axele roților (baza bicicletei), R2 este raza la care bicicleta începe să se miște după rotirea roții din față. Ar trebui să fie mai mică decât raza, pe care biciclistul o transformă calm și confident, abateri de la verticală într-un unghi # 945; l, conform formulei (1). În caz contrar, nu veți putea corecta soldul. Acum înlocuiți formula (2) în formula (1). Si noi primim: pacat # 946; = (gGtg # 945; l / 2v2) (3). Această formulă foarte simplă poate spune multe lucruri utile.
În primul rând. Un ciclist, care se rotește la o viteză v și abate de la un verticale în unghi # 945; l, trebuie să rotiți volanul într-un unghi mai mare sau egal cu colțul # 946; care poate fi ușor calculată prin formula (3).
Al doilea. Cu cât viteza biciclistului este mai mare, cu atât este mai mic unghiul, trebuie să activați volanul și să restabiliți echilibrul și să treceți îndoiți. Din aceasta rezultă că bicicleta este mult mai ușor de condus la viteză mare decât pe cea mică. Și este bine cunoscut tuturor celor care au stat pe bicicletă.
În al treilea rând. Cu cât baza motocicletei este mai mare, cu atât mai mult trebuie să activați volanul pentru a restabili echilibrul sau pentru a vă încadra în rândul său. Și, la fel de intuitiv, este clar că este mai ușor să se rostogolească pe o bicicletă cu o bază mică de-a lungul căilor înguste.
În al patrulea rând. Îndemânare de direcție corectă devine rapid automat, subconstientul, și mulți bicicliști nu își dau seama că, chiar și cu conducere neglijentă în linie dreaptă, este necesar să se transforme în mod constant volanul. Este suficient să te uiți la pista rămasă de roțile bicicletei. Este ușor de observat că traseul relativ drept lăsat de roata din spate este întotdeauna intersectat de o pistă meanderingă a roții din față. Acest lucru înseamnă că roata din față este în mișcare în mod constant roti dintr-o parte în alta, bicicleta tot timpul „intră“ un biciclist obișnuit care se încadrează și, prin urmare, menține echilibrul.
Și, în sfârșit, al cincilea. Dacă volanul nu se rotește, dacă coloana de direcție, să zicem, din anumite motive, blocată, nu puteți să conduceți (în sensul modern al cuvântului). Scuterele pe două roți de la începutul secolului al XIX-lea, care nu aveau direcție, s-ar putea roti doar în linie dreaptă.
In mod similar se comportă orice element: cu cât este, cu atât mai mare distanța de la punctul de sprijin la centroidul (centrul de greutate), cu atât mai lentă deviază față de verticală cu un unghi mic, iar cu atât mai ușor să-și păstreze echilibrul sau de echilibru pe acesta. Și apoi nu există nici o bicicletă de competiție "Spider", al cărui centru de masă a fost situat la o altitudine de aproximativ doi metri. Dar căderea de la o astfel de înălțime era dureroasă și periculoasă, iar "păianjenii" nu au supraviețuit. Prin urmare, expresia "siluetă scăzută constantă" este justificată doar pentru căruțele cu trei sau patru roți. Dacă spun așa ceva despre bicicletele sau motocicletele cu două roți, atunci este vorba despre analfabetismul tehnic și nonsens.