Физика, почему велосипед не падает
В случае если задавать вопрос из-за чего велосипед не падает? всем подряд, то большая часть, вероятнее, не смогут ответить на него. Легко пожмут плечами. Меньшинство, вычисляющая себя технически грамотными людьми, ответит, что это, возможно, из-за результата гироскопа. И, предположительно, будут поражены, выяснив, что гироскоп не имеет к этому никакого отношения, это продемонстрировал опыт в котором нивелировали данный эффект, а велосипед ехал .
И только незначительное меньшинство ответит верно. Итак, из-за чего не падают велосипедисты?
Велосипед не падает из-за центробежной силы
Для сохранения равновесия любого тела нужно, дабы перпендикуляр, опущенный из центра его тяжести, не выходил за площадь опоры. Чем меньше последняя, тем менее устойчиво положение.
Площадь опоры велосипеда предельно мелка – по сути, она является прямойлинию, совершённую между точками касания колесами почвы. Исходя из этого велосипед (с велосипедистом либо без него) неимеетвозможности находиться, пребывав в неподвижном положении. Но при перемещении устойчивость прекрасным образом возвращается к нему.
Из-за чего это происходит?
Все дело в центробежной силе, которая появляется при подруливании. В случае если движущийся велосипед начинает наклоняться в какую-нибудь сторону, велосипедист легко поворачивает руль в сторону наклона, заставляя машину поворачиваться. Наряду с этим появляется центробежная сила, направленная в сторону, противоположную наклону. Она-то и возвращает велосипед в вертикальное положение.
Двухколесный велосипед не может ехать строго по прямой. В случае если его руль зафиксировать в неподвижном положении, он в обязательном порядке упадет, по причине того, что исключается возможность подруливания.
Данный процесс – отклонение от вертикали и возвращение к ней – происходит непрерывно. Велосипедист кроме того не вспоминает о том, что происходит. Его руки машинально совершают подруливание, которое нужно для сохранения вертикального положение.
К слову сообщить, как раз в приобретении автоматизма подруливания и состоит обучение езды на велосипеде.
поддержание равновесия и Конструкция велосипеда
Конструкция рулевой колонки и передней вилки велосипеда облегчает автоматическое поддержание равновесия. Ось рулевой колонки (передней вилки) проходит не вертикально, а наклонно к почва. Точка ее пересечения с грунтом находится в первых рядах того места, где переднее колесо соприкасается с дорогой.
Такая схема содействует тому, что в случае если переднее колесо случайно отклоняется от среднего положения, сходу появляется момент реактивных сил, что возвращает его на место.
При наклоне велосипеда реакция опоры переднего колеса, которая приложена в точке его касания с почвой и направлена вверх, машинально поворачивает колесо в сторону наклона. Появляется центробежная сила и велосипед возвращается в вертикальное положение.
Для лучшего понимания этого процесса, необходимо просто учесть, что схема сил, действующих на переднее колесо велосипеда, есть приблизительно такой же, как и у тележек с вращающимися колесами. В какую сторону тележку не толкать, колеса машинально поворачиваются в нужном направлении. Кстати, эта особенность конструкции велосипеда снабжает возможность езды, не держась руками за руль. Велосипед самостоятельно поддерживает равновесие.
А дабы выполнить поворот, достаточно сместить центр тяжести собственного тела в сторону.
Степень свойства конкретного велосипеда поддерживать динамическое равновесие определяется конструкцией его рулевой вилки и колонки. Основной параметр тут – расстояние от точки соприкосновения переднего колеса с почвой, 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 черт велосипеда требуется не самый большой, а строго определенный реактивный момент. Через чур небольшой уменьшит автоматическое поддержание равновесия, чрезмерно большой – приведет к происхождению «шимми». Исходя из этого наклон оси рулевой параметры и колонки передней вилки при проектировании велосипеда выбираются весьма шепетильно.
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, именуется «speed wobbles» либо «шимми». Обстоятельство его содержится не в неисправности велосипеда (нехорошей сборке либо ослаблении креплений), а в том, что появляется резонанс переднего колеса. «Шимми» весьма страшно в том случае, в то время, когда велосипедист едет «без рук», другими словами не держится за руль.
Дабы погасить появившийся резонанс, необходимо снизить скорость либо поменять позу.
По затратам энергии на единицу преодоленного расстояния велосипед действеннее не только ходьбы, но и езды на автомобиле. При перемещении велосипеда со скоростью 30 км/час тратится 15 ккал на 1 км. Ходьба со скоростью 5 км/час ведет к сжиганию 60 ккал на 1 км.
Другими словами по энергозатратам на единицу расстояния перемещение на велосипеде в 4 раза действеннее ходьбы.
В случае если разглядывать езду на велосипеде с позиций спортивной нагрузки, то она также выясняется предпочтительней ходьбы. Катание на велосипеде отнимает 450 ккал в час, тогда как при ходьбе тратится лишь 300 ккал. Само собой разумеется, физическую нагрузку возможно расширить, перейдя с шага на бег.
Но в этом случае возрастает нагрузка на голеностопные суставы и колени, что нежелательно, потому, что со временем может привести к травме этих проблемных мест.
В то время, когда дамы стремительнее
Тренированный мужчина, кроме того не будучи опытным спортсменом, может долгое время развивать мощность 250 Вт либо 0,33 л. с. При езде на велосипеде по ровной дороге это приблизительно соответствует скорости 30 км/час. Дамы не смогут развивать таковой мощности, как мужчины, но в расчете на единицу веса их энергетические показатели превосходят мужские. При езде по ровной дороге, в то время, когда вся мощность тратится по большей части на преодоление сопротивления воздуха, дамы едут медленнее, чем мужчины.
Но при езде в гору, в то время, когда энергия тратится на преодоление силы тяжести, они способны ехать стремительнее сильной половины.
Почему велосипед не падает когда едет — основные причины
В конце 19 века, когда в обиход вошли велосипеды, на них нужно было получать права. Собиралась авторитетная комиссия, чтобы обучить теории и практике вождения, выдать номерные знаки. Передавать транспортное средство никому не разрешалось. Причину осторожности объясняли повышенным риском при управлении двухколесником. Простому человеку невозможно понять, почему велосипед не падает при движении. Удивительно, но и физики, изучающие работу колесных систем, не могут однозначно ответить на простой вопрос.
Теоретический анализ и физические эксперименты показали, что для устойчивости байка гироскопический момент и положительный вынос вилки не являются достаточными. Кроме управляемого подруливания, существует также автоматическое управление. Более того, ключевую роль в сохранении баланса играет распределение нагрузки. Как видим, при достаточно длинной жизни велосипеда до сих пор открываются и уточняются новые его качества.
По каким причинам велосипед не падает, когда едет
Для объяснения легкого задания часто используют метафору: «это так же элементарно, как ехать на велосипеде». На самом деле, человек должен удержать средство передвижения от падения. Сначала считали, что велосипед едет за счет седока. Человек чувствует наклон конструкции, немного поворачивает руль в сторону падения и выравнивает движение. Но при большой скорости байк обретает устойчивость и не упадет даже при отпущенном руле. Позже появились гипотезы о гироскопическом действии переднего колеса и рулевом управлении. Но оказалось, что неуправляемые байки и роботы-велосипедисты тоже не падают.
Главный вопрос о причине устойчивости состоит в следующем: что вызывает соответствующую связь между наклоном и поворотом? Существует общепринятая точка зрения: эффект возникает как следствие вращающего (гироскопического) момента и положительного выноса вилки. Стабилизирующее действие переднего колеса, центробежная сила, возникающая при отклонении движения от прямой траектории, − необходимые факторы для равновесия велосипеда.
С точки зрения физики
Ученые определили схему, поддерживающую устойчивость двухколесного транспорта. Главное место занимает передняя вилка. Устройство предусматривает наклонное положение оси руля по отношению к грунту. Место перекрещивания расположено впереди линии соприкосновения колеса велосипеда с дорогой. Если угол кастора отклоняется от заданной величины, образуется реактивная сила, возвращающая транспортник на место. Таким образом байк сам помогает держать равновесие.
Для осуществления поворота наездник должен изменить центр тяжести. Например, когда велосипед наклонен вправо, передняя ось также наклонена вправо, и колесо, вращаясь по часовой стрелке (если смотреть снизу), частично переносит реактивный крутящий момент к рулевому узлу. Центробежная сила стремится повернуть руль направо. Чтобы совершить поворот, велосипедист наклоняется влево, отклоняя велосипед и колеса направо.
Второй фактор, используемый для устойчивости транспортного средства − набор скорости при замедлении движения и подруливание. Стабилизирующее действие возвращает колеса в правильное положение и удерживает байк от падения. Опытный велосипедист, держась руками за места креплений, подруливает при движении всего на 2-3 мм.
Гироскопический эффект
Теория равновесия основана на известном физическом явлении, применяемом в космической отрасли, авиации, морской навигации. Свойство вращающегося предмета сохранять направление движения называется гироскопической силой. Действие проявляется при езде на велосипеде во время наклона. Пока колеса крутятся, средство передвижения держит равновесие и никогда не упадет. Например, юла или детский вертолет «работают» только при раскручивании. Для проверки гипотезы, физики создали специальную конструкцию байка. Впереди установили дополнительное колесо, которое не касалось земли и вращалось в обратную сторону. Результат эксперимента удивил ученых. Велосипед прекрасно двигался и не падал без гироскопа.
Таким образом, подтвердив основные факторы, влияющие на устойчивость двухколесника при движении, ученые продолжают обсуждать новые версии.
Интересные факты
- Математическую теорию, объясняющую устойчивость велосипеда при движении, выдвинул доктор наук В.А. Якубович. Ученый объяснил, почему так и не удалось создать автономного робота, управляющего байком. Информация о механических велосипедистах, распространенная в интернете, оказалась фейком. При внимательном рассмотрении кибернетик выявил ряд ухищрений. Изобретатели закрепляли груз, повышающий устойчивость конструкции, понижали центр тяжести, разгоняли едущий велосипед до высоких скоростей.
Оппоненты ученого доказывают обратное. Робот обучается очень быстро. Это происходит вследствие относительной простоты его задач: нужно только научиться выдерживать равновесие. При этом у робота есть недоступные для человека возможности: он обладает мгновенной реакцией и «дергает» руль 5 раз в секунду.
- Велосипед без наездника может автоматически управлять собой, чтобы не упасть, − утверждают американские ученые. Благодаря вычислениям линеаризованной устойчивости исследователи сконструировали байк с дополнительными колесами, вращающимися в обратную сторону, и отрицательным выносом руля.
- Мнение психологов отличается от гипотез физиков. Источники питания энергии велосипеда находятся в голове наездника. Мозг человека напряженно работает над тем, чтобы мы не упали. Навык и лежит в подсознательных установках, которые держат баланс велосипедиста, сохраняя состояние равновесия.
Вывод
Факты подтверждают значение гироскопа и кастора для поддержания устойчивости байка во время движения. Но не существует однозначного объяснения, почему велосипед не падает при езде. Возможно, существует дополнительная сила, понимание которой временно находится за пределами современных знаний.
Почему велосипед не падает при езде
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. 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.
Почему велосипед под нами не падает? Эффект гироскопа тут ни при чем
Об очень легком задании британцы говорят, что это "просто, как кататься на велосипеде". Но как нам удается удерживать этот самый велосипед от падения?
Большинство скажет, что дело в эффекте гироскопа. Но в действительности дело обстоит совсем иначе.
Иными словами, гироскопический эффект объясняется тем, что вращающееся колесо стремится продолжить вращение вокруг своей оси (так остаются на своей оси вращения волчок и даже планета Земля).
Этот эффект заметен мотоциклистам, ведь колеса у мотоциклов большие, массивные и вращаются быстро. Но простой велосипедист с ним не сталкивается — колеса велосипеда намного легче, а на прогулочной скорости они крутятся недостаточно быстро.
Если бы в педальном велосипеде использовался эффект гироскопа, то любому новичку было бы достаточно оттолкнуться ногой — все остальное сделали бы за него законы природы.
Но на самом деле вам придется учиться кататься на велосипеде так же, как вы в свое время учились ходить.
За умение ездить на велосипеде отвечает исключительно ваш мозг.
Представьте себе, что вам нужно проехать по абсолютно прямой линии, нарисованной на совершенно ровной поверхности. Конечно, это же очень просто! А вот и нет.
По узкой прямой линии проехать почти невозможно — точно так же, как даже в трезвом состоянии вам вряд ли удастся пройти по ней, не оступившись. Попробуйте сами.
Проведите еще один маленький эксперимент: попробуйте устоять на одной ноге на цыпочках, используя руки, чтобы удержать равновесие.
Трудно, правда? А теперь попробуйте то же самое, но перепрыгивая с ноги на ногу. Сохранять равновесие станет намного легче.
Автор фото, Tejvan Pettinger
Конструкция велосипеда позволяет управлять им без рук, наклоняясь влево или вправо
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
Конец истории Реклама подкастов
Именно так вы бегаете. Ваш мозг научился вносить маленькие коррективы при каждом прыжке: например, если вы отклонились вправо, то на следующем шаге сдвинетесь чуть влево.
Точно так же происходит езда на велосипеде: с каждым оборотом педалей вы немного меняете направление.
Начиная падать вправо, вы неосознанно поворачиваете руль в ту же сторону, чтобы изменить положение колеса, а затем так же неосознанно возвращаетесь на прежнюю траекторию движения.
Такое "виляние" совершенно нормально. Оно более заметно у новичков (особенно у детей), которые ездят по довольно крутой "синусоиде", и практически незаметно у опытных велосипедистов.
Тем не менее эти небольшие колебания являются частью процесса и объясняют, почему так сложно пройти (или проехать) по совершенно прямой линии — в этом случае вы лишены возможности совершать те самые необходимые движения из стороны в сторону.
Кроме того, в конструкции велосипеда есть несколько полезных решений, облегчающих езду.
Самое важное из них — наклон рулевой колонки (или так называемого рулевого стакана), благодаря которому переднее колесо касается земли в точке, находящейся сзади от точки проекции рулевой оси на землю. Расстояние между этими точками называется выкатом.
Автор фото, Thinkstock
Велосипед сконструирован очень умно, его даже носить удобно
Выкат в значительной степени помогает сохранять равновесие, когда вы едете без рук: если вы, например, наклонитесь вправо, сила, действующая на так называемое пятно контакта с землей, повернет переднее колесо направо.
Это свойство облегчает управление и позволяет рулить без рук, слегка наклоняясь влево или вправо.
Но существуют и велосипеды с вертикальными рулевыми колонками, на которых также можно отлично ездить. На самом деле, сделать велосипед, на котором будет невозможно ездить, весьма сложно, хотя многие и предпринимали такие попытки.
Дело в том, что велосипед не падает только благодаря вам и вашему сознанию, и доказать это просто.
Попробуйте, например, перекрестить руки. Вы не сможете даже тронуться с места, а если сделаете это на ходу, то рискуете сразу же упасть. Если бы велосипед удерживался вертикально с помощью эффекта гироскопа, этого бы не произошло.
Клоуны и уличные артисты ездят на велосипедах с обратным рулем. На то, чтобы научиться этому, уходят месяцы тренировок: ведь нужно полностью разучиться ездить на обычном велосипеде. Просто поразительно, как работает наш мозг!
А что же с эффектом гироскопа, о котором я упоминал выше? Помогает ли он хоть немного? Нет, если только вы не разгонитесь до очень большой скорости.
Существует известный эксперимент, якобы доказывающий влияние этого эффекта на колесо велосипеда, однако расчеты показывают, что его сила далека от того значения, которое могло бы удержать вас в вертикальном положении во время езды.
Чтобы доказать, что эффект гироскопа не имеет значения, я построил велосипед со вторым передним колесом, вращающимся в противоположном направлении. Эта идея не нова: такое же устройство сделал в 1970 году Дэвид Джонс. Нам обоим пришла в голову одна и та же идея.
Если объяснить вкратце, то вращающееся в обратную сторону колесо уничтожает эффект гироскопа для переднего колеса и доказывает, что на самом деле единственное, что удерживает вас от падения, — это деятельность вашего мозга.
Это еще и забавный эксперимент, проделать который может каждый.
Итак, какой же способ обучения езде на велосипеде является наилучшим? Знаете, мне не нравится, когда дети учатся кататься с тренировочными маленькими колесиками по бокам: каждый раз, касаясь ими земли, они утрачивают навык сохранения равновесия.
Ваш мозг должен научиться корректировать курс, так что снимите тренировочные колесики — и чем больше вы будете вилять, тем лучше.
За умение ездить на велосипеде на самом деле отвечает только ваша голова.