Почему не падает велосипед в движении

Почему велосипед не падает

Почему велосипед не падает, не вполне понятно, особенно на первый взгляд. Площадь его опоры очень мала, даже если шины весьма широкие и слабо накачаны. Поставленный вертикально, он долго не простоит. Обычно он падает на бок через 2 — 4 секунды, но если его удачно толкнуть вперед, падение случится через 10 — 15 секунд. Именно этим велосипед решительно отличается от трёхколесного велосипеда и четырехколесного автомобиля. 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. 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. Подробно о полезных свойствах вилок и их влиянии на устойчивость можно посмотреть чуть ниже.

Вид сверху показывает, как эту линию шин можно сдвинуть в сторону поворачиванием руля из стороны в сторону. Это очень важно для баланса на низкой скорости.

1. Ось поворота на уровне земли
2. Линия через пятна контакта шин
3. Центральная линия

1. Вылет
2. Ось рулевой колонки на уровне земли
3. Боковая сила из-за угла скольжения
4. Наклон
5. Пятно контакта шины с дорогой
6. Отклонённое колесо

1. 1/2 дюйма
2. Ось рулевой колонки на уровне земли
3. Передний вылет
4. 7 — 10 грудусов
5. Задний вылет
6. 1/2 градуса
7. Линия движения

Какую скорость считать малой, а какую — большой? Это нетривиальный вопрос. Но все-таки можно получить приблизительную оценку минимальной скорости устойчивого движения велосипеда. Помогает этому теория движения твердого диска (обруча, колеса) по плоскости без проскальзывания. Согласно ней, для обеспечения устойчивости такого диска, близкого к диаметру велосипедного колеса, достаточно скорости около 1 м/сек, или 3,6 км/час.

Скорость ниже минимальной — это уже искусство балансирования, или сюрпляс на треке. Система, составленная из велосипеда и велосипедиста, конечно, очень далека от простого катящегося диска или обруча, но данное значение показывает порядок величины минимальной скорости, необходимой, чтобы устойчиво держаться на велосипеде. И, как каждому хорошо известно, имеет приближенное согласие с повседневным опытом.

Но ведь велосипед — это вам не какой-нибудь «Харлей». Велосипедист весит гораздо больше, чем велосипед, на котором он сидит. Поэтому чтобы держать равновесие на велосипеде в некоторых ситуациях, например, на узкой колее, тропинке, лыжне можно перемещать центр тяжести как вправо, так и влево, меняя положение тела велосипедиста относительно велосипеда. Нужно, как бы отталкиваясь от него в сторону, противоположную первоначальному отклонению, сохранять равновесие, продолжая неуклонное движение вперед. При этом более высокий центр тяжести велосипедиста сильнее воздействует на общий баланс системы велосипедист — велосипед и дает больший контроль над положением и движением велосипеда. Еще один полезный способ движения корпусом при рулении рассмотрим ниже.

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=(v 2 /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 α_l. 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 α_l, согласно формуле (1). Иначе выправить равновесие не удастся. Теперь подставим формулу (2) в формулу (1). И получим: sin β=(gGtgαl/2v 2 ) (3). Эта очень простая формула может рассказать много полезного.

Первое. Велосипедисту, катящемуся со скоростью v и отклонившемуся от вертикали на угол α_l, 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. 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. 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.

Почемучка: почему двухколёсный велосипед не падает, когда едет?

Учиться кататься на трёхколёсном и четырёхколёсном велосипеде не нужно — достаточно сесть и поехать. А вот с двухколёсным товарищем дело обстоит уже сложнее. Почти никому не удаётся сесть на него и сразу уехать далеко-далеко. Потребуется приложить много усилий и даже пережить кучу разбитых коленок и локтей!

Однако как только у человека появляются навыки езды на двухколёсном велосипеде, сразу возникает вопрос: странно, но почему же он не падает? И если задать этот вопрос самым разным людям, большинство из них, скорее всего, тоже задумаются и просто пожмут плечами.

Гироскопический эффект
Ребята, которые увлекаются физикой, могут сказать, что велосипед не заваливается на бок при езде из-за эффекта гироскопа . Что же это такое?

Если говорить простым языком, без терминов, то гироскопический эффект (эффект гироскопа) — это особая способность всех крутящихся вещей (например, колёс) сохранять ровное положение просто так, без дополнительного воздействия со стороны. То есть, если позволить колёсам крутиться с огромной скоростью, они просто продолжат ехать по одной линии, даже если специально их не выравнивать.

Кстати, эффект гироскопа можно не только увидеть, но и почувствовать! Возможно, вы не раз замечали, что двухколёсный велосипед едет более прямо и ровно по одной линии, если скорость движения большая. Но как только скорость замедляется, велосипед начинает вилять из стороны в сторону и даже заваливаться на бок. Приходится соскакивать на землю или тормозить!

Точно по такому же принципу, с гироскопическим эффектом, двигается детская игрушка — юла. Когда мы заводим её, игрушка стоит на одной ножке, быстро-быстро вращается вокруг своей оси и не падает. Но стоит ей замедлить скорость — и она сразу начинает ложиться на бок и тормозить. То же самое происходит и с велосипедом!

Тем не менее велосипед не падает во время езды не только из-за гироскопического эффекта. Оказывается, на него воздействует ещё один фактор.

Почему во время движения велосипед не падает
Способность кататься на двухколёсном транспортном средстве многими детьми воспринимается как суперспособность. И в этом действительно есть что-то магическое! Ведь любой учёный скажет, что велосипед не падает в процессе движения ещё и благодаря нашему мозгу. Что же это значит?

Учёные выяснили, что эффект гироскопа только немножко помогает велосипедисту ехать ровно, правильно. Но за умение ездить на нём отвечает человеческий мозг.

Проверить это очень просто даже без дополнительных инструментов. Попробуйте приподняться на цыпочках на одной ноге и удержать равновесие, пытаясь балансировать руками. Скорее всего, сделать это будет очень сложно. Тело постоянно будет наклоняться то в одну, то в другую сторону. Если же попеременно прыгать с одной ноги на другую, ситуация изменится. Сохранять баланс тела станет намного проще.

С велосипедом происходит почти так же. Когда мы едем, велосипед, конечно, следует не по ровной линии, а немного отклоняясь в разные стороны (по-другому ездить с такими узкими колесами просто невозможно!). Но велосипедист, управляющий рулем, то и дело контролирует движение. Если велосипед немного отклоняется вправо — велосипедист чуть-чуть наклоняет руль влево. Если же велосипед потянуло вправо — велосипедист немного тянет руль вправо.

Такое выравнивание положения руля происходит неосознанно. То есть человек просто едет, а не производит никаких специальных математических вычислений. За него это делает головной мозг и вестибулярный аппарат — орган, который помогает нам сохранять баланс тела. В физике такое явление называется «эффектом кастора» или «подсознательным подруливанием в сторону падения».

Кстати, этот эффект можно увидеть вживую. Попробуйте сесть на двухколёсный велосипед и посмотреть на руль в первые секунды движения. Скорее всего, он будет дрожать или вилять, а мы будем стараться его выровнять, чтобы не упасть.

Наиболее заметен этот эффект у малышей, которые только учатся кататься на велосипеде без дополнительных колёс по бокам. А вот у опытных велосипедистов его почти не видно, хотя даже у них велосипед движется с небольшими колебаниями.

Благодаря этому можно сделать вывод, что велосипед не падает, когда едет, только благодаря нашему сознанию. А научиться кататься на велосипеде — это значит в совершенстве овладеть эффектом подруливания . И для этого человеку почти ничего не нужно делать. Главное — постоянно практиковаться!

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 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.