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

В.А. Якубович

1. 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.

2. 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.
3. 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.

Анна Дворцова

Велолюбитель и по совместительству автор статей. Занималась велоспортом.