De ce bicicleta este stabilă
Mă duc în mișcare,
Și dacă mă ridic, voi cădea.
S. MARSHAK.
De fapt, de ce este stabil? Ce forțe mențin în mișcare în echilibru un design absolut instabil în imobilitate?
Pentru a clarifica acest lucru cu câțiva ani în urmă, obiectivul a fost stabilit de omul de știință britanic - chimistul și spectroscopul David Jones. El a decis să se abordeze prin verificarea explicațiilor existente pentru stabilitatea unei biciclete. Există mai multe teorii despre acest punct:
1. bicicleta trebuie să fie stabilă datorită acțiunilor "călărețului" său, care, simțind că echipajul său se îndoaie, rotește volanul spre cădere. Bicicleta începe să se deplaseze de-a lungul curbei, apare o forță centrifugă îndreptată spre partea opusă pantei. Este ea care îndreptă mașina. Acest punct de vedere explică de ce cade o bicicletă staționară, de ce este mai ușor să păstrați echilibrul, cu cât este mai mare viteza și de ce este imposibil să conduci o bicicletă care nu are volan.
Cu toate acestea, această teorie nu poate fi adevărată, sau cel puțin nu este adevărată până la sfârșit. Toți cei care au mers pe bicicletă au observat probabil că la viteză mare bicicleta este foarte stabilă și nu poate cădea, chiar dacă este dorită. În mișcare, bicicleta este în mare măsură stabilă în sine, iar sarcina călărețului nu este să oprească mașina să nu arate această stabilitate,
Jones arată că pe HB-1 - o bicicletă cu forțe giroscopice neutralizate - poți călători chiar și "fără mâini".
Se poate spune că învățătura cu privire la ciclism este aceea de a insufla încrederea elevului în stabilitatea mașinii și de a învăța să o mențină cu rotirea ușoară a volanului în timp util. Dacă împrăștiați bicicleta fără un călăreț, atunci va dura aproximativ douăzeci de secunde, trecând cu mult înainte de a cădea. Bicicleta staționară se va prăbuși imediat - nu poate rezista. Deci, acțiunile călărețului sunt importante, dar nu și singurul factor.
2. O teorie mai complexă a stabilității bicicletei ia în considerare acțiunea giroscopică a roții din față.
O bicicletă este stabilă dacă centrul său de greutate se află între suporturi - punctele de contact ale roților și ale solului, pe o linie dreaptă cu aceste puncte. Când bicicleta se înclină, centrul de greutate se află pe marginea acestei linii drepte, iar mașina începe să cadă. Cu toate acestea, simultan cu înclinația, apare o forță giroscopică, la fel încât să nu se poată cădea nici un vârf de rotație rotativ - iar roțile se rotesc! Deoarece roata din față este fixată astfel încât să se poată întoarce, această forță o întoarce spre înclinarea mașinii, punctul de atingere a terenului este deplasat în aceeași direcție, iar centrul de greutate este din nou între liniile de susținere.
A fost necesar să se elimine forța giroscopică - unul dintre factorii prin care bicicleta poate fi stabilă, pentru că acest lucru a fost făcut. „Modelul Neezdyaschy prima bicicletă“ - HB-1: Pe o furcă față de bicicletă convențională a fost roți care nu atinge solul, în greutate consolidat și mai mult, și egală cu diametrul roții din față. Atunci când derulat în direcția opusă rotației roții de evacuare, momentul giroscopic creat semn opus, astfel încât timpul total al ambelor roți devine zero.
Cu toate acestea, NV-1 a înșelat speranțele care i-au fost atribuite: era destul de ușor să o conduci. El a fost bine gestionat ca întoarcerea unei roți suplimentare în orice direcție, și la imobilitatea completă. A devenit clar că forțele giroscopice joacă un rol extrem de redus când conduc la viteze normale, normale. Când această "bicicletă de echitatie" a fost lansată fără un călăreț, el sa comportat foarte interesant. Dacă roata suplimentară sa rotit față de rotirea roții din față, aceasta a căzut aproape instantaneu. Și cu rotația roților într-o singură direcție, această bicicletă a demonstrat stabilitate uimitoare chiar și la viteză mică. Rezultatul a fost acela de a desăvârși ceea ce este evident: un gol, giroscop cu bicicleta stabilizată la lumină de impact, iar motocicleta grea cu călăreț - nu, este nevoie de o persoană la un efort continuu să-l păstrați în echilibru. Combinația a două teorii simple pare a fi o explicație destul de precisă a tuturor faptelor.
HB-2 - o bicicletă cu o furcă frontală inversată - a fost surprinzător de stabilă.
Dar rămâne întrebarea: de ce un ciclist simte o astfel de stabilitate a mașinii sale? Pentru a răspunde la această întrebare, a fost necesar pentru a încerca să călărească pe HB-1 fără mâini: singura teorie rezonabilă sugerează o unitate, în acest caz, un ciclist înclină cadru prin mișcarea corpului și acest lucru provoacă forțe giroscopice pe roata din față.
Sa dovedit că era foarte dificil să conduci fără brațe pe HB-1 chiar și cu forțe giroscopice compensate, dar este posibil!
Prin urmare, există și alte forțe care stabilizează bicicleta în mișcare. În plus față de cele două deja menționate, există încă trei teorii care iau în considerare diferitele motive posibile pentru stabilitatea sa.
3. Bicicleta este fixată direct de grosimea anvelopei (reprezentând un fel de compactor îngust de asfalt).
4. Când bicicleta este înclinată, anvelopa roții din față începe să atingă solul nu la mijloc, ci în lateral. Datorită frecarii, există o forță de rotire a roții în direcția înclinării. Motocicleta începe să se deplaseze de-a lungul curbei și, în plus, tot conform teoriei numărul 1.
5. Această teorie atrage atenția asupra geometriei direcției. Rețineți că pentru toate bicicletele, axa cârmei este înclinată înapoi, iar capătul furcii frontale este îndoit înainte. Dacă prelungim mental axa cârmei la intersecția cu solul, vom vedea că punctul de atingere al solului de către roata din față se află în spatele acestei intersecții (vezi Fig.). Acest dispozitiv al roții din față oferă, atunci când bicicleta este înclinată, aspectul unei forțe care rotește această roată spre panta și restabilește stabilitatea. Caracteristicile "autoreglabile" ale roților cu această suspensie sunt utilizate pe scară largă în tehnologie, de la roți de pian la șasiul frontal al aeronavei.
Teoria lui 3 nu este în mod evident gravă. Teoria 4 este foarte îndoielnică, deoarece forța de frecare este foarte scăzută și, de asemenea, depinde de cât de mult este umflat pneul. Jones a decis să testeze a cincea teorie. Pentru a face acest lucru, a "răsturnat" furca frontală, obținând HB-2. La această bicicletă, punctul de contact cu roata din față a pământului este redus mai puternic decât de obicei. NV-2 a fost destul de ciudat, dar surprinzător de stabil, mai ales fără rider și cu viteză mare. Când sa înclinat, el nu a mers doar de-a lungul curbei, ci și la niveluri active, fără să-și fie frică de lovituri și lovituri. Dar, pe măsură ce viteza a scăzut atunci când începea fără un călăreț, el a început să se leagă, înclinându-se din ce în ce mai mult într-unul. cealaltă parte. Gama de oscilații a crescut și. în cele din urmă HB-2 a căzut. Toate acestea se explică prin faptul că forțele sale de stabilizare cu un astfel de dispozitiv al furcii frontale erau prea mari. Bicicleta a reacționat prea mult la deviații, dând prea multă abatere la partea opusă, care în absența unui călăreț a dus în cele din urmă la o cădere. HB-2 este remarcabil în control, dar este dificil de condus: este prea stabil pentru a fi condus. O astfel de mașină ar fi foarte mulțumită de călărețul flegmatic, care nu are un sentiment de echilibru și nu alege drumuri. Este interesant faptul că așa este făcută furca frontală pentru biciclete pentru curse pentru lider, unde este nevoie de stabilitate specială la viteză mare, dar nu este necesară manevrabilitatea.
A devenit clar faptul că ipoteza 5 este corectă: stabilizarea bicicletei se datorează proprietăților "auto-aliniere" ale roții din față. Pentru a fi convins de acest lucru, am fost facut noua motocicleta neezdyaschy, HB-3, axa roții din față, care a fost deplasat înainte de zece centimetri (cm. Foto). Ca rezultat, punctul de contact cu roata pământului era mult mai departe de intersecția axei cârmei cu solul. El era, așa cum era de așteptat, extrem de instabil. Dacă el a fost împins fără un călăreț, a căzut imediat.
Adevărat, plimbare toate la fel a fost posibil, dar că Jones a trebuit să demonstreze miracole de dexteritate, ceea ce demonstrează doar calitatea înaltă a sistemului de control adaptiv atât uman. Astfel, întrebarea prezentată în titlul articolului pare să primească un răspuns. Dar adevărul este mult mai complicat și nu a fost încă priceput de noi. Inginerii americani Witt și Wilson în cartea "Bicycle Science", publicată în 1974, afișează aproximativ cincisprezece factori care afectează stabilitatea bicicletei. Aici și menționează shiesya în acest articol - reacția biciclistului, efectul giroscopic dispozitivului furcă față și altele care nu au fost investigate Jones, - masa mașinii și raportul de masă a biciclistului la greutatea bicicletei, distanța dintre roțile (în caz de manevrabilitate ridicată scurtă, stabilitate redusă, cu o mare, cum ar fi tandemuri - dimpotrivă), elasticitatea cadrului și chiar rigiditate călăreț datorită cu mașina (dacă există clipuri pe pedale pentru picioare - tuklipsy dacă scaunul este încărcat de primăvară). Reflectă interacțiunea tuturor acestor factori într-o singură "formulă de bicicletă", poate niciodată. Teoria matematică a unei biciclete este departe de a fi completă. Această mașină simplă păstrează cu siguranță unele rezerve pentru cercetătorii săi.
Schema de suspendare a roții din față a unei biciclete convenționale. Se alocă distanța dintre punctul de contact al roții cu drumul (A) și intersecția axei extinsă mental a cârmei cu drumul (B). Dacă segmentul AB este îndreptat înainte, bicicleta are stabilitate și flexibilitate normală în control. În dispozitivul de mijloc al roții din față a motocicletei pentru a concura în spatele liderului. Această roată avea JB-2 Jones. Aici segmentul AB este, de asemenea, îndreptat în față, dar este foarte mare, ceea ce dă stabilitate excesivă. În figura dreaptă - dispozitivul pentru furcă frontală în HB-3. Segmentul AB este îndreptat înapoi, toată stabilitatea este absentă.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: