Почему велосипед не падает
Из-за чего велосипед не падает, не ясно, в особенности на первый взгляд. Площадь его опоры мала, даже в том случае, если шины очень широкие и слабо накачаны. Поставленный вертикально, он продолжительно не простоит. В большинстве случаев он падает на бок через 2 — 4 секунды, но в случае если его удачно толкнуть вперед, падение произойдёт через 10 — 15 секунд.
Как раз этим велосипед решительно отличается от трёхколесного велосипеда и четырехколесного автомобиля. Кроме того в случае если отбросить влияние велосипедиста на устойчивость, то на протяжении езды велосипед значительно устойчивей, чем на протяжении остановки. Управляться он может кроме этого по-различному, и не только поворотом руля. В случае если отыскать в памяти езду «без рук», то делается ясно, что факторов, снабжающих устойчивость велосипеда, пара. Разглядим главные.
Но прежде, еще одно маленькое замечание: у велосипеда существуют две устойчивости и одна управляемость. Первая устойчивость — это вертикальная, вторая — продольная, либо курсовая устойчивость, а управляемость — лишь продольная (курсовая). Само собой, чем лучше продольная устойчивость, тем хуже управляемость, и напротив.
Сложность содержится во связи этих трех ответственных параметров. Один воздействует на другой, второй на третий и поведать, допустим, о вертикальной устойчивости, не упоминая продольную, затруднительно. Но в любом случае, каждому практикующему велосипедисту принципиально важно сохранить равновесие, либо баланс и катить в верном направлении.
Равновесию на малой скорости либо кроме того стоя на месте, как лихо демонстрируют кое-какие умельцы, оказывает помощь геометрия рулевой и вилки колонки. Поворачивая руль, мы сдвигаем центральную линию велосипеда, проходящую через точки контакта с поверхностью переднего и заднего колес. Так мы подстраиваем ее под легко сдвинувшийся в сторону центр тяжести велосипедиста и его верного двухколесного коня. Балансирование на месте всем известно и знакомо — это сюрпляс.
Детально о нужных особенностях вилок и их влиянии на устойчивость возможно взглянуть чуть ниже.
Вид сверху показывает, как эту линию шин возможно переместить в сторону поворачиванием руля из стороны в сторону. Это крайне важно для баланса на низкой скорости.
- Ось поворота на уровне почвы
- Линия через пятна контакта шин
- Центральная линия
- Вылет
- Ось рулевой колонки на уровне почвы
- Боковая сила из-за угла скольжения
- Наклон
- Пятно контакта шины с дорогой
- Отклонённое колесо
- 1/2 дюйма
- Ось рулевой колонки на уровне почвы
- Передний вылет
- 7 — 10 грудусов
- Задний вылет
- 1/2 градуса
- Линия перемещения
Какую скорость вычислять малой, а какую — большой? Это непростой вопрос. Но все-таки возможно взять приблизительную оценку минимальной скорости устойчивого перемещения велосипеда. Оказывает помощь этому теория перемещения жёсткого диска (обруча, колеса) по плоскости без проскальзывания.
В соответствии с ней, для обеспечения устойчивости для того чтобы диска, близкого к диаметру велосипедного колеса, хватает скорости около 1 м/сек, либо 3,6 км/час.
Скорость ниже минимальной — это уже мастерство балансирования, либо сюрпляс на треке. Совокупность, составленная из велосипедиста и велосипеда, само собой разумеется, весьма далека от несложного катящегося диска либо обруча, но данное значение показывает порядок величины минимальной скорости, нужной, дабы устойчиво держаться на велосипеде. И, как каждому известно, имеет приближенное согласие с повседневным опытом.
Но так как велосипед — это вам не какой-нибудь «Харлей». Велосипедист весит значительно больше, чем велосипед, на котором он сидит. Исходя из этого дабы держать равновесие на велосипеде в некоторых обстановках, к примеру, на узкой колее, тропинке, лыжне возможно перемещать центр тяжести как вправо, так и влево, меняя положение тела велосипедиста относительно велосипеда.
Необходимо, как бы отталкиваясь от него в сторону, противоположную начальному отклонению, сохранять равновесие, продолжая неуклонное перемещение вперед. Наряду с этим более большой центр тяжести велосипедиста посильнее воздействует на неспециализированный баланс совокупности велосипедист — велосипед и дает больший контроль над движением и положением велосипеда. Еще один нужный метод перемещения корпусом при рулении разглядим ниже.
Представим себе простой случай: велосипедист поворачивает со скоростью v по кругу с радиусом R. Для сохранения равновесия велосипедист обязан согнуться на угол α от вертикали либо, что также самое, на угол φ=90° — α от горизонтали, дабы 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 — максимальный сейчас коэффициент сцепления шины с дорогой.
Для настоящей оценки его нужно уменьшать на 20 — 25% если сравнивать с бессчётными табличными значениями, g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек. Велосипедист поворачивает благодаря силам трения между дорогой и передним колесом. В случае если дорога скользкая либо покрыта льдом, то контролируемый поворот делается затруднительным либо неосуществимым.
Вместо поворота может случиться занос переднего колеса, падение и потеря равновесия.
Пускай сейчас велосипедист, нормально катясь по прямой, ровной и ровной дороге и наслаждаясь проплывающим мимо пейзажем, случайно отклонился от вертикали на маленький угол αl. Дабы не упасть, велосипедист старается развернуть руль в сторону наклона велосипеда на угол β. Спрашивается, на какой угол нужно развернуть руль, чтобы не упасть?
Для ответа достаточно взглянуть на рисунок выше и отыскать в памяти любимую теорему синусов G=2R2sinβ (2), где G — расстояние между осями колес (база велосипеда), R2 — радиус, по которому начинает двигаться велосипед по окончании поворота переднего колеса. Он должен быть меньше, чем радиус, по которому нормально и с уверенностью поворачивает велосипедист, отклонившись от вертикали на угол αl, в соответствии с формуле (1). В противном случае выправить равновесие не удастся. Сейчас подставим формулу (2) в формулу (1).
И возьмём: sin β=(gGtgαl/2v2) (3). Эта весьма несложная формула может поведать большое количество нужного.
Первое. Велосипедисту, катящемуся со скоростью v и отклонившемуся от вертикали на угол αl, необходимо развернуть руль на угол больший либо равный углу β, что легко подсчитать по формуле (3).
Второе. Чем больше скорость велосипедиста, тем на меньший угол нужно развернуть руль и для восстановления равновесия и для прохождения виража. Из этого направляться, чтовелосипедом намного легче руководить на высокой скорости, чем на маленькой.
И это известно всем, кто садился на велосипед.
Третье. Чем больше база велосипеда — G, тем на больший угол нужно поворачивать руль, чтобы вернуть равновесие либо вписаться в поворот. И без того же интуитивно ясно, что по узким, лесным извилистым дорожкам легче катить на велосипеде с малой базой.
Четвертое. Навык верного поворота руля скоро делается автоматическим, подсознательным, и многие велосипедисты не подозревают, что кроме того при беззаботной езде по прямой им необходимо всегда поворачивать руль. Достаточно взглянуть на след, покинутый колесами велосипеда.
Легко заметить, что относительно прямая колея, покинутая задним колесом, всё время пересекается извилистым следом переднего. А это значит, что переднее колесо на ходу всегда поворачивает из стороны в сторону, велосипед все время «въезжает» под систематично падающего велосипедиста и, именно поэтому, сохраняет равновесие.
И, наконец, пятое. В случае если руль не поворачивается, в случае если рулевая колонка, допустим, не известно почему заклинена, ездить фактически запрещено (в современном понимании этого слова). Двухколесные самокаты начала XIX века, не имевшие рулевого управления, имели возможность катить лишь по прямой.
И это приводит нас к любопытной аналогии между сохранением равновесия на велосипеде и удержанием швабры, бильярдного кия либо авторучки («Паркер» с золотым пером, к примеру) на раскрытой ладони. Вправду, как удержать кий? Сперва он стоит на ладони вертикально, а после этого начинает отклоняться, и ладонь скоро перемещается в сторону наклона. Опора кия смещается, и он начинает наклоняться в другую сторону.
Ладонь опять перемещается, и такое балансирование может продолжаться очень долго.
То же самое делает и велосипедист. Но появляется естественный вопрос: чем несложнее балансировать — шваброй либо авторучкой? Ответ не в полной мере очевиден, но, твердо освоив школьный курс на «прекрасно», взять верный итог несложно. В первую очередь, на что похожи стоящая швабра, авторучка и катящийся велосипед? Верно!
На перевернутый физический маятник. Вместо точки подвеса имеется точка опоры. И такие перевернутые маятники всем прекрасно привычны — к примеру, 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 вдруг 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 возможно разглядеть как математический маятник и написать очень несложную формулу для периода колебаний. T≈2π√l/g, где l — расстояние от точки опоры до центра весов (ЦМ). Время отклонения от вертикали на небольшой угол α1 равняется: t=T/4≈(π/2)√l/g.
Оно не зависит от откормленности велосипедиста и «массы» швабры. 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. А большой велосипед — l=1,2 метра, t= 1,6*0,35=0,56 с. Итог несложен и нагляден.
Совершенно верно так ведет себя и любой предмет: чем он выше, чем больше расстояние от точки опоры до центра весов (центра тяжести), тем медленнее он отклоняется от вертикали на небольшой угол, и тем легче им балансировать либо удерживать на нем равновесие. В этот самый момент вне конкуренции велосипед «Паук», у которого центр весов размешался на высоте около двух метров. Но падать с таковой высоты было больно и страшно, и «Пауки» не выжили.
Исходя из этого намозолившее глаза выражение «низкий устойчивый силуэт» справедливо лишь для трех либо четырех колесных экипажей. В случае если так говорят о двухколесных велосипедах либо мотоциклах, то это техническая безграмотность и нонсенс.
