1.    
  2.    
  3.     Чому людина не падає з велосипеда?

Чому людина не падає з велосипеда?

 

Звичайне колесо котиться саме по собі досить стійко: при нахилі в яку-небудь сторону воно не падає під дією сили тяжіння, а повертає в бік нахилу і їде по дузі. Цей ефект називається гіроскопічним.

Існує багато гіпотез, що пояснюють стійкість руху системи гонщик – велосипед. Зупинимося на деяких з них.

Гіпотеза 1. Гіпотеза припускає забезпечення стійкості руху тільки за рахунок примусового переміщення центру мас системи шляхом зміни положення тіла гонщика щодо точок опори коліс. Типовими прикладами, що підтверджують цю гіпотезу, служать їзда на велосипеді, з заклиненной рульовою колонкою або цирковий трюк їзди на велосипеді жорсткого прямолінійним профілем під куполом цирку з застосуванням поперечно-розташованого жердини, гантелей і інших масивних допоміжних засобів.

Найбільш достовірно підтверджують цю гіпотезу прийоми забезпечення стійкості при русі велосипеда у вузькій колії розбитої дороги або при попаданні коліс велосипеда під час гонки в жолоб трамвайної рейки. При цьому система виходить з рівноваги і відхиляється від вертикальної площини. Для повернення системи в рівновагу і забезпечення стійкості руху гонщик виконує маневр, який полягає в тому, що він навмисно відштовхується від велосипеда в бік, протилежний первинному відхиленню, переносячи центр мас в площину, в якій розташована точка опори.

Гіпотеза 2. Ця гіпотеза пропонує зворотну дію, тобто зміна положення точок опори системи гонщик-велосипед на поверхні дороги. Аналогів подібної дії в практиці повсякденного життя зустрічається чимало. Наприклад, для забезпечення стійкості олівця, вертикально стоїть на кінчику пальця, досить змістити його точку опори. Забезпечення стійкості такого вертикально стоїть стрижня є повною аналогією сюрпляса, коли за рахунок розвороту переднього колеса гонщику вдається знаходити для нього таке становище на полотні трека, що центр мас системи залишається у вертикальній площині, що проходить через точки контакту переднього і заднього коліс з поверхнею треку.

Гіпотеза 3. Ця гіпотеза пов’язана з особливістю конструктивного рішення вузла передньої вилки велосипеда і діаметром переднього колеса. Практичні випробування різних конструкцій показали, що з усього їх розмаїття можна виділити такі рішення, які визначають стійкість спрямованого руху системи гонщик-велосипед. Принципово важливим для конструкції рами велосипеда є кут нахилу осі кермової колонки і вигин передньої вилки.

Стійкість системи досягається майже у всіх випадках, за винятком тих, коли збігаються точка перетину осі кермової колонки з поверхнею дороги (точка А) і точка перетину площини дороги і вертикалі, що проходить через вісь переднього колеса (точка В), або точка В знаходиться спереду точки А по напрямку їзди велосипеду.

Їзда без рук на такому велосипеді неможлива, а нормальна керована кермом їзда вкрай скрутна. Мінімальна зовнішня дія виводить систему з рівноваги, і швидко наростаючий дестабілізуючий момент призводить до падіння.

Гіпотеза 4. Стійкість системи забезпечується гіроскопічним ефектом. Перше правило при навчанні їзді на велосипеді говорить: підтримуй швидкість руху і повертай кермо в бік падіння. Цей ефект спостерігається при їзді на велосипеді, коли руки прибрані з керма, особливо це стає очевидним при спуску по звивистій дорозі, коли для входу в черговий віраж досить нахилити корпус у бік центру кривизни віражу – і велосипед буде рухатися по криволінійній траєкторії, що відповідає швидкості руху і нахилу велосипеда.

Узагальнюючи, можна сказати, що якщо під поняттям «стійкість руху» мати на увазі здатність системи гонщик-велосипед зберігати задану форму руху, то розглянута система нестійка у статиці, а її абсолютно прямолінійний рух неможливо. Траєкторії руху точок опори (точок контакту коліс з поверхнею дороги) коливаються відносно деякої прямої лінії, обраної в якості основного напрямку руху системи. Добре підтверджують це положення безуспішні спроби їзди з заклиненной рульовою колонкою, хоча, здавалося б, саме при заклиненной колонці велосипед повинен рухатися прямолінійно.

 

06.01.2017

Написати коментар