Почему едущий велосипедист не падает?
Почему когда велосипедист или мотоциклист когда едет не падает, а стоит ему остановится, упадет на бок?
Это так называемое "динамическое равновесие".
Дело в том, что крутящееся колесо велосипеда или мотоцикла представляет собой тот же гироскоп, характерным свойством которого является сохранение направления в пространстве вектора момента количества движения. И чем больше величина этого момента (больше скорость вращения и/или масса колеса), тем тяжелее "сдвинуть" этот вектор. Например, на большой скорости можно ехать на велосипеде "без рук" — он всё равно будет держать выбранное направление движения.
Велосипедист не падает при езде , потому что он умеет держать с помощью руля равновесие таким образом , чтобы никакие боковые силы , возникающие при движении за счёт кручения педалей для продвижения колёс вперёд ,не смогли систему "ездок — велосипед" завалить на какой-то бок .Очень много зависит от того , насколько велосипедист умеет балансировать каждую секунду , и на сколько он умеет принимать решение в момент обнаружения помехи в виде кочки , или какой — то другой , только чтобы удержаться в равновесном состоянии.
Я вот так и не сумела это сделать . Поэтому сейчас освоила взрослый трёхколёсный велосипед.
Суть данного явления кроется в равновесии и инерции, как по мне. Не пользуясь никаким материалом, а исключительно логикой я предполагаю, что человек, едущий на велосипеде, не может упасть из-за того, что он не может резко остановиться без дополнительных усилий — он едет по инерции силы, которую он приложил для разгона и если впереди нет резко противоречащей силы, типа, столба, то движение будет продолжаться до того момента, когда скорость снизится до уровня, при котором динамическое равновесие переходит в разряд статического и поддается дейтствию гравитации — вот тут-то и можно упасть.
Вытягивает либо толкающая сила, либо сила инерции. Если велосипед даже без ездока и с зафиксированным рулем толкнуть с силой, то он может проехать очень большое расстояние в случае если он сразу стоял вертикально и дорога ровная, например хороший асфальт. Постепенно скорость будет снижаться и он сначала наклонится в какую-либо сторону и уже не вернется, как в случае с велосипедистом, а быстро упадет. Так же ракета отличается от самолета, она может долго лететь горизонтально и без крыльев за счет тяги двигателя и снижение ее по отношению к горизонтальному перемещению будет очень мало. Артисты цирка могут ездить и на одном колесе, любые отклонения от вертикальности они компенсируют толкающим импульсом силы, который вытягивает отклонения центра тяжести на вертикаль.
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.
mike — Почему велосипед не падает?
Один мой товарищ, серфя интернет наткнулся на сайт с вечными вопросами, наподобие, почему лед скользкий. Там же была министатья со ссылкой на оригинальное исследование, почему же велосипед едет. Оказывается, большие дяди от науки, отвлекаясь от элементарных частиц и от священной нанофизики, уделяют время и этому вопросу. Они создали модель велосипеда свободную от двух самых больших «помощников» велосипедиста: гироскопического эффекта и наклона вилки переднего колеса (кастора)… и даже эта модель оказалась стабильна!
Что такое устойчивость и зачем она нужна?
Велосипедист на покоящемся велосипеде изначально находится в состоянии неустойчивого равновесия. Любое возмущение приведет к выходу из неустойчивого равновесия – в нашем случае на землю, где он будет пребывать, сколько захочет. Внизу примеры неустойчивого и устойчивого равновесий. 
Но все меняется, когда велосипед едет. В этом случае, если велосипед захочет упасть, его переднее колесо поворачивается так, чтобы восстановить вертикальное положение. Причем, это возвращение заложено в саму физику велосипеда, так что райдеру, на самом деле, и делать ничего не нужно. Велосипед, разогнанный до определенной скорости (в статье приводится значение в 15-20 км/ч), может ехать в стабильном вертикальном положении и без велосипедиста.
Из-за того, что велосипед стабилен лишь в движении, но не в покое, можно сказать, что эта система устойчива динамически.
Что помогает велосипеду возвращаться в изначальное положение?
Два эффекта, вносящих наибольший вклад – это гироскопический эффект и кастор переднего колеса.
Гироскопический эффект – эффект, возникающий во вращающихся системах, обладающих определенным угловым моментом, когда пытаются изменить направление оси вращения. Сила, возникающая в таком случае, называется гироскопической силой. Гироскопический эффект нетривиально объяснить, но его легко почувствовать. Самый простой эксперимент, который каждый из вас может поставить в домашних условиях, – это взять колесо велосипеда за ось, раскрутить и попробовать помахать им в воздухе. Вы почувствуете силу. Причем, чем больше раскрутите колесо, тем больше сила. На этой же силе основана тренировка с powerball , только система там немного оптимизированнее. Когда вы наклоняете велосипед – наклоняется и ось переднего колеса, колесо за счет гироскопического эффекта поворачивает в сторону наклона.
Кастор в нашей литературе – это угол наклона оси поворота автомобиля. Там это: caste r effect , castor и т.д. Наш угол наклона рулевой – тот же кастор. 
Существование кастора приводит к тому, что точка контакта переднего колеса находится за воображаемой точкой пересечения линии вилки и земли. Это приводит к так называемому «следу» или trail переднего колеса. Эффект от такой геометрии вы можете наблюдать на тележках в ашанах: колесо всегда стремится волочиться за тележкой. При стабилизации это проявляется в том, что при наклоне велосипеда переднее колесо стремится «провалиться» в сторону наклона велосипеда, тем самым, поворачивая колесо в сторону
А что если убрать эти два эффекта? J. D. G. Kooijman, J. P. Meijaard, Jim M. Papadopoulos, Andy Ruina, и A. L. Schwab собрали модель велосипеда, в которой оба эффекта отсутствуют – two- mass — skate ( TMS ). 
Они сильно уменьшили след колеса и перевернули его задом наперед, уменьшили размеры колес и добавили вторичные, которые крутятся в другую сторону, чтобы исключить гироскопический эффект. 
И как видно из видео, модель все еще оказывается стабильной!
А выводы достаточно размыты. Во-первых, если исключить кастор и гироскопический эффект, то силы, которые могут стабилизировать велосипед, должны возникнуть из взаимодействия колеса с поверхностью при движении. Во-вторых, хоть кастор и гироскопический эффект и не обязательны, их нельзя рассматривать изолированно, т.к. со слов авторов можно построить системы, которые при наличии только одного из эффектов окажутся нестабильными на любых доступных человеку скоростях. Т. е. для стабильности важно взаимодействие этих двух эффектов. Это значит, что нет универсальных схем для всех типов байков, что дает большой простор для производителей и маркетинга.
Ps . Когда разбирался в этой статье, наткнулся на обширную статью на EnWiki про вело- и мотодинамику, о том, какие силы влияют на движение байка, про разные эффекты, геометрии и т.д. с количеством ссылок > 50. При желании могу пересказать ее по частям сюда.
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.