La sfârșitul secolului al XIX-lea, când au început să fie folosite bicicletele, trebuia să obțineți o licență pentru ele. Un comitet de renume a fost înființat pentru a preda teoria și practica șofatului și pentru a emite plăcuțe de înmatriculare. Nimeni nu a fost lăsat să predea vehiculul. Motivul prudenței a fost explicat prin riscul crescut de a conduce un vehicul cu două roți. O persoană obișnuită nu poate înțelege de ce o bicicletă nu se răstoarnă atunci când se deplasează. În mod surprinzător, chiar și fizicienii care studiază funcționarea sistemelor pe roți nu pot răspunde fără echivoc la această întrebare simplă.
Analizele teoretice și experimentele fizice au arătat că impulsul giroscopic și cursa pozitivă a furcii nu sunt suficiente pentru stabilitatea bicicletei. În plus față de direcția controlată, există și direcția automată. Mai mult, distribuția încărcăturii joacă un rol esențial în menținerea echilibrului. După cum puteți vedea, având în vedere durata de viață destul de lungă a bicicletei, noi calități sunt încă descoperite și rafinate.
De ce nu cade o bicicletă când merge pe bicicletă
Pentru a explica sarcina ușoară, se folosește adesea o metaforă: „este la fel de elementar ca mersul pe bicicletă”. De fapt, trebuie să împiedicăm mijloacele de transport să cadă. La început s-a crezut că bicicleta merge în detrimentul biciclistului. O persoană simte înclinarea structurii, rotește ușor ghidonul în direcția de cădere și nivelează cursa. Dar, la viteză mare, bicicleta capătă stabilitate și nu va cădea, chiar dacă ghidonul este eliberat. Ulterior, au apărut ipoteze privind acțiunea giroscopică a roții din față și a direcției. Dar s-a dovedit că nici bicicletele neghidate și nici bicicliștii robotizați nu cad.
Întrebarea principală despre cauza stabilității este: ce determină relația adecvată între înclinare și viraj? Există un punct de vedere general acceptat: efectul apare ca o consecință a cuplului de rotație (giroscopic) și a deplasării pozitive a furcii. Acțiunea stabilizatoare a roții din față și forța centrifugă cauzată de devierea mișcării de la o traiectorie dreaptă sunt factori necesari pentru echilibrul bicicletei.
Din punct de vedere fizic
Oamenii de știință au identificat modelul care menține stabilitatea vehiculelor pe două roți. Furca față este în centrul atenției. Aranjamentul presupune înclinarea axei ghidonului în raport cu solul. Punctul de intersecție se află în fața liniei de contact a roții bicicletei cu drumul. În cazul în care unghiul timonului se abate de la valoarea setată, se generează o forță de reacție care aduce transportatorul înapoi în poziție. În acest fel, bicicleta însăși ajută la menținerea echilibrului.
Pentru a efectua un viraj, călărețul trebuie să își schimbe centrul de greutate. De exemplu, atunci când bicicleta este înclinată spre dreapta, puntea față este, de asemenea, înclinată spre dreapta, iar roata, care se rotește în sensul acelor de ceasornic (atunci când este privită de jos), transferă parțial cuplul reactiv către unitatea de direcție. Forța centrifugă tinde să rotească volanul spre dreapta. Pentru a efectua virajul, biciclistul se apleacă spre stânga, deviind bicicleta și roțile spre dreapta.
Cel de-al doilea factor utilizat pentru stabilitatea vehiculului este creșterea vitezei la încetinirea și la virare. Acțiunea de stabilizare readuce roțile în poziția corectă și împiedică bicicleta să cadă. Un biciclist experimentat își folosește mâinile pe punctele de fixare pentru a se îndrepta cu 2-3 mm în șosea.
Efectul giroscopic
Teoria echilibrului se bazează pe un fenomen fizic bine-cunoscut, utilizat în spațiu, aviație și navigație maritimă. Proprietatea unui obiect în rotație de a-și menține direcția de mișcare se numește forță giroscopică. Acțiunea este observată atunci când se merge pe bicicletă în timp ce aceasta este înclinată. Atâta timp cât roțile se învârt, vehiculul își menține echilibrul și nu se răstoarnă niciodată. De exemplu, un elicopter de Crăciun sau un elicopter pentru copii „funcționează” doar atunci când se învârte. Pentru a testa această ipoteză, fizicienii au creat un model special de bicicletă. O roată suplimentară a fost instalată în față, care nu atingea solul și se rotea în direcția opusă. Rezultatul experimentului i-a surprins pe oamenii de știință. Bicicleta s-a mișcat perfect și nu a căzut fără giroscop.
Astfel, după ce au fost confirmați principalii factori care influențează stabilitatea unui vehicul cu două roți în mișcare, oamenii de știință continuă să discute noi versiuni.
Date interesante
V.A. Iakubovici
- Teoria matematică care explică stabilitatea unei biciclete în mișcare a fost elaborată de doctorul în științe V.A. Yakubovich. Omul de știință a explicat de ce nu a fost creat niciodată un robot autonom care să controleze o bicicletă. Informațiile despre bicicliștii mecanici care circulau pe internet s-au dovedit a fi false. O privire mai atentă asupra ciberneticianului a scos la iveală o serie de trucuri. Inventatorii au atașat greutăți pentru a crește stabilitatea structurii, au coborât centrul de greutate și au accelerat bicicleta de echitație la viteze mari.
Adversarii omului de știință dovedesc contrariul. Robotul învață foarte repede. Acest lucru se datorează simplității relative a sarcinilor sale: trebuie doar să înveți cum să-ți păstrezi echilibrul. Acesta are o capacitate pe care oamenii nu o au: reacționează instantaneu și „mișcă” roata de 5 ori pe secundă.
- O bicicletă fără călăreț se poate dirija automat pentru a nu cădea”, susțin cercetătorii americani. Datorită calculelor de stabilitate liniarizată, cercetătorii au proiectat o bicicletă cu roți suplimentare care se rotesc în direcția opusă și o poziție negativă a ghidonului.
- Opinia diferă de ipotezele fizicienilor. Sursele de energie ale bicicletei se află în capul pilotului. Creierul uman lucrează din greu pentru a ne împiedica să cădem. Mintea subconștientă este cea care îl menține pe biciclist în echilibru.
Concluzie
Dovezile susțin importanța giroscopului și a rotiței în menținerea stabilității bicicletei în timp ce pedalați. Dar nu există o explicație clară a motivului pentru care o bicicletă nu se răstoarnă atunci când mergeți cu ea. Este posibil să existe o forță suplimentară, a cărei înțelegere este temporar dincolo de cunoștințele actuale.
Cu toate acestea, cred că bicicleta nu se răstoarnă atunci când merge pe bicicletă pentru că pilotul își păstrează echilibrul și îl corectează prin rotirea ghidonului în direcția de cădere. Efectul cuplului giroscopic asupra roții în timpul mersului este puțin probabil, viteza roții și masa roții nu sunt suficient de mari pentru a crea un cuplu reactiv.
Experimentul de dirijare nu a confirmat faptul că pilotul menține echilibrul. Împingeți bicicleta cu putere fără călăreț, aceasta va merge și nu va cădea, chiar dacă ghidonul este blocat.