Что заставляет велосипед стоять прямо при движении?

Что заставляет велосипед стоять прямо, когда он находится в движении? Какова связь между скоростью и стабильностью? Это линейные отношения?

Я мог бы спросить об этом на сайте физики, однако я надеюсь на относительно простой ответ. Я взял вступительный класс по физике в университете, поэтому базовая физика ценится, но ничего слишком грубого.

Я думаю, что это не вращающаяся масса колеса, которая держит велосипед в вертикальном положении. Недавно я прочитал исследование, в котором говорится, что если у вас есть колесо с одинаковой массой, которое вращается назад рядом с велосипедом, мотоцикл не потеряет устойчивость. (Я не уверен, где я читаю исследование).

Почему велосипеды остаются в вертикальном положении на роликах?

Этот вопрос недавно был предметом большой статьи в журнале New Scientist. Обобщить:

«Почему этот велосипед управляет нужным количеством в нужное время, чтобы обеспечить самостабильность?» бумага спрашивает. «Мы не нашли простого физического объяснения».

http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html

В этой статье также цитируется исследование, которое вы не могли бы определить - гироскопические силы, которые долгое время считались основой и окончательной устойчивостью велосипеда, - научно доказано, что они не имеют последствий, широко представленных в народе.

Что касается того, чтобы стоять прямо на ролике, это не рассматривается в статье, тем не менее, в нем обсуждается, что происходит, когда вы отправляете велосипед по улице, когда на нем никого нет. делать с этим.

Я не думаю, что статья New Scientist - последнее слово по этому вопросу. Однако это недавно (несколько недель) и является хорошим введением в тайну. Наслаждайтесь!

Геометрия велосипеда обеспечивает некоторую степень самостабильности. Угол наклона и передний ход вилки создают ситуацию, когда переднее колесо будет склоняться к наклону, что устраняет тенденцию к падению в одну сторону.

Гироскопический эффект колес сам по себе, вероятно, не такой сильный, но гироскопический эффект на рулевое управление работает с углом наклона вилки, чтобы повернуть шину в направлении «падения» и обеспечить еще большую самостабилизацию.

Теоретически ролики ничем не отличаются от уличных - передняя шина будет поворачиваться в направлении наклона, либо до тех пор, пока край роликов не приведет к столкновению или пока велосипед не стабилизируется.

Велосипеды по своей природе устойчивы из-за своей геометрии. Геометрия заставляет велосипед всегда поворачиваться в направлении, в котором он начинает наклоняться, что удерживает его в вертикальном положении. Причина лучше всего иллюстрируется концепцией, известной как контр-рулевое управление.

Встречное рулевое управление - это то, как поворачиваются все двухколесные транспортные средства. Когда вы хотите повернуть налево, вы поворачиваете руль немного вправо. Трение колес тянет нижнюю часть велосипеда вправо, что вызывает наклон влево. Затем рукоятки начинают поворачиваться влево, чтобы проследить поворот.

Когда пришло время остановить поворот, вы поворачиваете руль еще немного влево. Это тянет нижнюю часть велосипеда дальше влево, что подводит нижнюю часть велосипеда непосредственно под центр тяжести и, таким образом, останавливает поворот.

На многих мотоциклах и на низких скоростях эффект встречного рулевого управления может быть незамечен многими гонщиками. Однако на высоких скоростях или с более тяжелыми транспортными средствами, такими как мотоциклы, это более важно.

Итак, как это работает, когда нет гонщика? Это из-за граблей в вилке и рельсе, которые это вызывает. Если вы проведете воображаемую линию через ось вилки к земле, она упадет на землю впереди того места, где колесо соприкасается с землей.

Поскольку колесо соприкасается с землей за рулевой осью, колесо всегда будет ощущать силу дороги, пытаясь привести его в центр и направить прямо вперед. Когда мотоцикл наклоняется в одну сторону, силы начинают толкать колесо в сторону, где мотоцикл наклонен.

Так что все эти силы складываются. Грабли на развилке заставляют мотоцикл идти прямо вперед. И когда он чувствует удар в одном или другом направлении, встречное рулевое управление будет склонять велосипед в другом направлении. Затем вилочные грабли начнут отталкивать переднее колесо дальше, что приведет к выпрямлению велосипеда из-за встречного рулевого управления.

Это как балансирующая метла на руке, ты двигаешься, чтобы двигать колеса под собой. Производители велосипедов помогают, проектируя геометрию рулевого управления так, чтобы велосипед оставался в вертикальном положении самостоятельно, если вы с ним не связываетесь.

Гироскопические силы помогают, но не являются необходимыми.

Было несколько более недавних исследований по этому вопросу: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

Ранее считалось, что вращающиеся колеса велосипеда обеспечивают устойчивость благодаря гироскопическим эффектам; и что «след» (расстояние, на которое точка контакта переднего колеса тянется за осью рулевого управления, играет важную роль).

Тем не мение:

Новое исследование в науке утверждает, что решило проблему - гироскопические эффекты и помощь в следах, говорит исследователь доктор Аренд Шваб из 3mE факультета в Университете Делфта, но они не нужны выше определенной скорости. В статье 2007 года, посвященной материалам Королевского общества (doi: 10.1098 / rspa.2007.1857), в то время была разработана математическая модель с примерно 25 физическими параметрами, которая, по-видимому, предсказывала, будет ли и с какой скоростью определенная конструкция велосипеда стабильный.

Авторы спроектировали и сконструировали велосипед Two Mass Skate с маленькими и вращающимися в противоположных направлениях колесами, что означает отсутствие гироскопического эффекта и небольшой отрицательный след (другими словами, где точка контакта переднего колеса является незначительно впереди оси рулевого управления). Тем не менее, велосипед оставался устойчивым при движении.

В этом 7-минутном видео дается объяснение стабильности велосипеда, обсуждаются гироскопические, заклинательные и рулевые эффекты. В частности, он показывает примеры велосипедов (без наездников), которые могут балансировать, даже если один или несколько источников стабильности исключены. Таким образом, есть несколько конструктивных особенностей, которые обеспечивают стабильность, включая гонщика.

В настоящее время существует три основных фактора, влияющих на устойчивость велосипеда:

1. Количество следов переднего колеса (т. Е. Конструкция колеса рицинуса)
2. Распределение массы перед рулевой осью переднего колеса
3. Гироскопическая прецессия

В современном велосипеде все три устройства работают вместе, чтобы велосипед автоматически падал, демонстрируя тем самым самостабилизирующее поведение. Такое автоматическое управление рулем позволило бы велосипеду быть устойчивым на роликах или двигаться по земле.

Поскольку стабильность достигается за счет баланса нескольких факторов, слишком много любого одного фактора может сделать проект нестабильным (например, из-за чрезмерной коррекции). Кроме того, не все факторы оказывают одинаковое влияние. Отдельных факторов может быть достаточно, чтобы сделать велосипед устойчивым в одиночку при отсутствии других факторов (например, распределение массы перед рулевой осью ).

Наличие множества факторов также означает, что разные стабильные конструкции могут использовать разные количества каждого фактора. Например, в 1940-х годах велосипеды рандоннеров использовали намного меньше следов , но добавили массу перед осью рулевого управления (т. Е. Передние сумки, несущие снаряжение), чтобы создать устойчивый велосипед.

У MinutePhysics есть хорошее короткое видео, разбивающее воздействие этих эффектов. Я считаю, что в большинстве стабильных конструкций гироскопическая процессия (3) будет иметь самый слабый эффект.

Как отмечалось выше, благодаря характеристикам самостабильности основная причина, по которой велосипед остается в вертикальном положении во время езды, заключается в том, что вы активно балансируете, удерживая точки контакта велосипеда под своим центром масс. Когда вы едете, вы совершаете тонкие повороты, чтобы держать велосипед под собой - когда велосипед падает влево, вы поворачиваете налево, что приводит в движение переднее колесо и ставит велосипед обратно под себя. На роликах вы можете видеть это как велосипед, движущийся назад и вперед через ролик - и когда он не может этого сделать, вы падаете.

Вы можете сделать это настолько бессознательно после того, как научитесь ездить, что ездить на велосипеде с перевернутым рулевым управлением будет непросто.

Основной ответ, не вдаваясь слишком много в физику - это момент импульса . В основном вращающийся объект (ваши колеса) прилагает усилие в противоположном направлении, если вы пытаетесь «наклонить» их. Чтобы попробовать это дома, снимите переднее колесо. Держитесь за ось обеими руками и вращайте колесо. Теперь попробуйте опрокинуть колесо. Обратите внимание, как колесо тянет назад. Попробуйте то же самое, когда колесо не вращается, и обратите внимание, как оно не тянет назад. Чем быстрее колесо вращается, тем сильнее оно тянет назад. Я не уверен, линейны ли отношения или нет. Посмотрите здесь для более общего взгляда на момент импульса . Это показывает видео, демонстрирующее использование велосипедной шины.

Это должно быть так просто:

• действие = реакция Если мотоцикл находится в вертикальном положении, он останется в вертикальном положении, если нет боковых сил. Это верно даже тогда, когда велосипед не движется.
• если есть какая-то сила, которая нарушает равновесие, то для поддержания равновесия должно быть равное количество противодействующей силы.
• когда мотоцикл движется, рулевое управление преобразует часть движения вперед в боковое усилие, поэтому рулевое управление можно использовать для уравновешивания велосипеда.
• на ролике велосипед может двигаться в сторону, чтобы уравновесить.
• перемещение веса водителя не должно создавать боковое усилие, потому что для движения в одну сторону водителю нужно толкать велосипед в другом направлении с той же силой. Любой успех с этим может быть связан с неэффективностью в системе.

Тогда есть гироскопический эффект колес, который может изменить количество и направление к силам, которые воздействуют на систему.