Co sprawia, że ​​rower porusza się w pozycji pionowej?

Co sprawia, że ​​rower pozostaje w pozycji pionowej, gdy jest w ruchu? Jaki jest związek między prędkością a stabilnością? Czy to relacja liniowa?

Mógłbym zadać to pytanie na stronie fizyki, jednak mam nadzieję na stosunkowo prostą odpowiedź. Wziąłem lekcję fizyki na uniwersytecie, więc podstawowa fizyka jest doceniana, ale nic nadzwyczajnego.

Myślę, że to nie wirująca masa koła utrzymuje rower w pozycji pionowej. Przeczytałem niedawno badanie stwierdzające, że jeśli koło o identycznej masie obraca się do tyłu obok roweru, rower nie straci stabilności. (Nie jestem pewien, gdzie czytam badanie).

Dlaczego motocykle stoją w pozycji pionowej na rolce?

To pytanie było ostatnio przedmiotem długiego artykułu w czasopiśmie New Scientist. Podsumowując:

„Dlaczego ten rower steruje odpowiednimi ilościami we właściwym czasie, aby zapewnić sobie stabilność?” papier pyta. „Nie znaleźliśmy prostego fizycznego wyjaśnienia”.

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

W tym artykule zacytowano również badanie, którego nie można było do końca przypisać - siły żyroskopowe, od dawna uważane za absolutną stabilność roweru - naukowo udowodniono, że nie są konsekwencją powszechnie wyobrażanych sobie konsekwencji.

Jeśli chodzi o trzymanie się pionowo na rolce, która nie jest objęta tym artykułem, omawia jednak to, co dzieje się, gdy wysyłasz rower z ulicy bez nikogo - najwyraźniej regulacja ciężaru i kierowania dokonywana przez rowerzystę nie ma nic do roboty zrób to.

Nie sądzę, aby artykuł New Scientist był ostatnim słowem na ten temat. Jest jednak nowy (kilka tygodni) i stanowi dobre wprowadzenie do tajemnicy. Cieszyć się!

Geometria roweru zapewnia pewną stabilność. Kąt i nachylenie widelca powodują sytuację, w której przednia opona ma skłonność do skręcania, a zatem koryguje tendencję do spadania na bok.

Sam żyroskopowy efekt kół prawdopodobnie nie jest tak silny, ale efekt żyroskopowy na kierowanie działa z kątem / nachyleniem widelca, aby obrócić oponę w kierunku „upadku” i zapewnić jeszcze większą samostabilizację.

Teoretycznie rolki nie różnią się od ulicy - przednia opona skręci w kierunku chudego, dopóki krawędź rolek nie spowoduje zderzenia lub rower ustabilizuje się.

Rowery są z natury stabilne ze względu na swoją geometrię. Geometria powoduje, że rower zawsze obraca się w kierunku, w którym zaczyna się pochylać, co utrzymuje go w pozycji pionowej. Przyczynę najlepiej ilustruje koncepcja zwana przeciw-kierowaniem.

Przeciwkrętem jest to, jak obracają się wszystkie pojazdy dwukołowe. Kiedy chcesz skręcić w lewo, obróć kierownicę nieco w prawo. Tarcie kół pociąga dolną część roweru w prawo, co powoduje pochylenie w lewo. Następnie paski uchwytów zaczynają się obracać w lewo, aby śledzić zakręt.

Gdy nadejdzie czas zatrzymania skrętu, kierownicę obróć nieco bardziej w lewo. To pociąga dolną część roweru bardziej w lewo, co powoduje, że spód roweru znajduje się bezpośrednio pod środkiem ciężkości, a tym samym zatrzymuje skręt.

Na wielu motocyklach i przy niskich prędkościach wielu kierowców nie zauważa efektu przeciwkrętu. Jednak przy dużych prędkościach lub cięższych pojazdach, takich jak motocykle, jest to bardziej znaczące.

Jak to działa, gdy nie ma kierowcy? Wynika to z grabi w widelcu i szyny, którą powoduje. Jeśli wyśledzisz wyimaginowaną linię przez oś widelca do ziemi, uderzy ona w ziemię przed miejscem, w którym koło styka się z ziemią.

Ponieważ koło styka się z podłożem za osią kierowania, koło zawsze będzie odczuwać siłę z drogi, która próbuje skierować ją na środek, wskazując na wprost. Kiedy rower jest przechylony na bok, siły zaczynają popychać koło w stronę, w której rower jest przechylony.

Wszystkie te siły się sumują. Grabie w widelcu sprawiają, że rower chce jechać prosto. A gdy poczuje nierówność w jednym lub drugim kierunku, przeciwne kierowanie będzie miało tendencję do skierowania roweru w innym kierunku. Następnie grabie widelca zaczną odsuwać przednie koło dalej, co następnie wyprostuje rower z powodu przeciwnego kierowania.

To jak balansowanie miotłą na dłoni, kierujesz, aby przesunąć koła pod sobą. Producenci rowerów pomagają, projektując geometrię układu kierowniczego tak, aby rower sam pozostawał w pozycji pionowej, jeśli się z tym nie zepsujesz.

Siły żyroskopowe pomagają, ale nie są niezbędne.

Przeprowadzono kilka najnowszych badań na ten temat: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicykl_stay-78139

Wcześniej uważano, że obracające się koła roweru zapewniają stabilność dzięki efektom żyroskopowym; i że „szlak” (odległość, o jaką punkt styku przedniego koła przechodzi przez oś kierującą, odgrywa ważną rolę).

Jednak:

Nowe badanie w Science twierdzi, że rozwiązało ten problem - efekty żyroskopowe i pomoc szlaku, mówi badacz Dr Arend Schwab z wydziału 3mE w TU Delft, ale nie są konieczne powyżej określonej prędkości. W artykule Proceedings of the Royal Society z 2007 r. (Doi: 10.1098 / rspa.2007.1857) opracowano model matematyczny z około 25 parametrami fizycznymi w czasie, który wydawał się przewidywać, czy i przy jakich prędkościach będzie określony projekt roweru stabilny.

Autorzy zaprojektowali i zbudowali rower Two Mass Skate, z małymi i przeciwbieżnymi kołami, co oznacza, że ​​nie ma efektu żyroskopowego, o którym można mówić, oraz niewielki ślad ujemny (innymi słowy, gdzie punkt styku przedniego koła jest marginalnie przed osią kierowania). Jednak rower pozostał stabilny podczas ruchu.

Ten 7-minutowy film objaśnia stabilność roweru, omawiając efekty żyroskopowe, kółkowe i kierownicze. W szczególności pokazuje przykłady rowerów (bez jeźdźca), które mogą się równoważyć, nawet jeśli jedno lub więcej źródeł stabilności zostanie anulowanych. Tak więc istnieje kilka cech konstrukcyjnych, które umożliwiają stabilność - w tym kierowcy.

Obecnie uważa się, że na stabilność roweru wpływają trzy główne czynniki:

1. Wielkość śladu koła przedniego (tj. Konstrukcja kółka samonastawnego)
2. Rozkład masy przed osią kierującą przedniego koła
3. Precesja żyroskopowa

W nowoczesnym rowerze wszystkie trzy współpracują ze sobą, umożliwiając rowerowi automatyczne skręcenie w upadek, a tym samym zachowanie samostabilizujące się. Takie zachowanie automatycznego kierowania pozwoliłoby, aby rower był stabilny na rolkach lub poruszał się po ziemi.

Ponieważ stabilność osiąga się dzięki równowadze wielu czynników, zbyt duża ilość jednego z czynników może spowodować niestabilność projektu (np. Przez nadmierną korektę). Ponadto nie wszystkie czynniki mają taki sam wpływ. Niektóre czynniki w oderwaniu mogą wystarczyć, aby sam rower był stabilny przy braku innych czynników (np. Rozkład masy przed osią kierowania ).

Istnienie wielu czynników oznacza również, że różne stabilne konstrukcje mogą wykorzystywać różne ilości każdego z czynników. Na przykład w latach czterdziestych motocykle randonneur zużywały o wiele mniej śladów , ale dodawały masy przed osią kierowania (tj. Przednie torby z wyposażeniem), aby stworzyć stabilny rower.

MinutePhysics ma dobre krótkie wideo przedstawiające wpływ tych efektów. Wierzę, że w najbardziej stabilnych konstrukcjach procesja żyroskopowa (3) będzie miała najsłabszy efekt.

Wspomniana powyżej cecha samostabilności, podstawowym powodem, dla którego rower pozostaje w pozycji pionowej podczas jazdy, jest to, że aktywnie się balansujesz, utrzymując punkty styku roweru pod środkiem ciężkości. Podczas jazdy wykonujesz subtelne ruchy obrotowe, aby utrzymać rower pod sobą - kiedy rower opada w lewo, skręcasz w lewo, co porusza przednim kołem i odkłada rower z powrotem pod tobą. Na rolkach możesz to zobaczyć, gdy rower porusza się do przodu i do tyłu po rolce - a kiedy nie może tego zrobić, przewracasz się.

Możesz to zrobić tak nieświadomie po nauce jazdy, że jazda na rowerze z odwróconym układem kierowniczym jest dużym wyzwaniem.

Podstawową odpowiedzią bez zbytniego wchodzenia w fizykę jest moment pędu . Zasadniczo wirujący przedmiot (twoje koła) wywiera siłę w przeciwnym kierunku, jeśli spróbujesz je „przechylić”. Aby wypróbować to w domu, zdejmij przednie koło. Trzymaj oś obiema rękami i zakręć kołem. Teraz spróbuj przechylić koło. Zauważ, jak koło się cofa. Spróbuj tego samego, gdy koło się nie obraca i zauważ, jak się nie odjeżdża. Im szybciej koło się obraca, tym mocniej się cofa. Nie jestem pewien, czy związek jest liniowy czy nie. Spójrz tutaj, aby uzyskać bardziej podstawowe spojrzenie na moment pędu . Pokazuje wideo pokazujące demonstrację z użyciem opony rowerowej.

Powinno być tak proste:

• akcja = reakcja. Jeśli rower jest w pozycji pionowej, pozostanie w pozycji pionowej, chyba że wystąpią siły boczne. Dzieje się tak nawet wtedy, gdy rower się nie porusza.
• jeśli jest jakaś siła, która zakłóca równowagę, musi istnieć taka sama siła przeciwdziałająca, aby utrzymać równowagę.
• gdy rower się porusza, układ kierowniczy przełoży część pędu na siłę boczną, dzięki czemu można go wykorzystać do zrównoważenia roweru.
• na rolce rower może przesuwać się na boki, aby wyważyć.
• przesunięcie ciężaru rowerzysty nie powinno generować siły bocznej, ponieważ aby przejść na jedną stronę, rowerzysta musi popychać rower w drugą stronę z taką samą siłą. Każdy sukces z tym można przypisać nieefektywności w systemie.

Następnie istnieje efekt żyroskopowy kół, który może zmieniać ilość i kierunek sił działających na układ.