В кінці 19 століття, коли в побут увійшли велосипеди, на них потрібно було отримувати права. Збиралася авторитетна комісія, щоб навчити теорії і практики водіння, видати номерні знаки. Передавати транспортний засіб нікому не дозволялося. Причину обережності пояснювали підвищеним ризиком при управлінні двухколесником. Простій людині неможливо зрозуміти, чому велосипед не падає при русі. Дивно, але і фізики, які вивчають роботу колісних систем, не можуть однозначно відповісти на просте питання.
Теоретичний аналіз і фізичні експерименти показали, що для стійкості байка гіроскопічний момент і позитивний винос вилки не є достатніми. Крім керованого підрулення, існує також автоматичне керування. Більш того, ключову роль у збереженні балансу відіграє розподіл навантаження. Як бачимо, при достатньо довгій життя велосипеда досі відкриваються і уточнюються нові його якості.
З якихось причин велосипед не падає, коли їде
Для пояснення легкого завдання часто використовують метафору: «це так само елементарно, як їхати на велосипеді». Насправді, людина повинна утримати засіб пересування від падіння. Спочатку вважали, що велосипед їде за рахунок вершника. Людина відчуває нахил конструкції, трохи повертає кермо в бік падіння і вирівнює рух. Але при великій швидкості байк набуває стійкість і не впаде навіть при відпущеному кермі. Пізніше з’явилися гіпотези про гироскопическом дії переднього колеса і рульовому управлінні. Але виявилося, що некеровані байки і роботи-велосипедисти теж не падають.
Головний питання про причини стійкості полягає в наступному: що викликає відповідну зв’язок між нахилом і поворотом? Існує загальноприйнята точка зору: ефект виникає як наслідок обертаючого (гіроскопічного моменту і позитивного виносу вилки. Стабілізуючу дію переднього колеса, відцентрова сила, що виникає при відхиленні руху від прямої траєкторії, − необхідні фактори для рівноваги велосипеда.
З точки зору фізики
Вчені визначили схему, підтримує стійкість двоколісного транспорту. Головне місце займає передня вилка. Пристрій передбачає похиле положення осі керма по відношенню до грунту. Місце перехрещення розташоване попереду лінії дотику колеса велосипеда з дорогою. Якщо кут кастора відхиляється від заданої величини, утворюється реактивна сила, яка повертає транспортник на місце. Таким чином байк сам допомагає тримати рівновагу.
Для здійснення повороту наїзник повинен змінити центр ваги. Наприклад, коли велосипед нахилений вправо, передня вісь також нахилена вправо, і колесо, обертаючись за годинниковою стрілкою (якщо дивитися знизу), частково переносить реактивний крутний момент до рульового сайту. Відцентрова сила прагне повернути кермо праворуч. Щоб зробити поворот, велосипедист нахиляється вліво, відхиляючи велосипед і колеса направо.
Другий фактор, який використовується для стійкості транспортного засобу − набір швидкості при уповільненні руху і підрулення. Стабілізуючу дію повертає колеса в правильне положення і утримує байк від падіння. Досвідчений велосипедист, тримаючись руками за місця кріплень, підрулює при русі всього на 2-3 мм.
Гіроскопічний ефект
Теорія рівноваги заснована на відомому фізичному явищі, яке застосовується в космічній галузі, авіації, морської навігації. Властивість обертається предмета зберігати напрям руху називається гироскопической силою. Дія проявляється при їзді на велосипеді під час нахилу. Поки колеса крутяться, засіб пересування тримає рівновагу і ніколи не впаде. Наприклад, дзига або дитячий вертоліт «працюють» тільки при розкручуванні. Для перевірки гіпотези, фізики створили спеціальну конструкцію байка. Попереду встановили додаткове колесо, яке не торкалося землі і оберталося у зворотний бік. Результат експерименту здивував дослідників. Велосипед чудово рухався і не падав без гіроскопа.
Таким чином, підтвердивши основні фактори, що впливають на стійкість двоколісника при русі, вчені продовжують обговорювати нові версії.
Цікаві факти
В. А. Якубович
- Математичну теорію, що пояснює стійкість велосипеда при русі, висунув доктор наук В. А. Якубович. Вчений пояснив, чому так і не вдалося створити автономного робота, керуючого байком. Інформація про механічних велосипедистів, поширена в інтернеті, виявилася фейком. При уважному розгляді кібернетик виявив ряд хитрощів. Винахідники закріплювали вантаж, що підвищує стійкість конструкції, знижували центр тяжкості, розганяли їде велосипед до високих швидкостей.
Опоненти вченого доводять зворотне. Робот навчається дуже швидко. Це відбувається внаслідок відносної простоти його завдань: потрібно тільки навчитися витримувати рівновагу. При цьому у робота є недоступні для людини можливості: він має миттєвої реакцією і «смикає» кермо 5 разів в секунду.
- Велосипед без наїзника може автоматично управляти собою, щоб не впасти, − стверджують американські вчені. Завдяки обчислень линеаризованной стійкості дослідники сконструювали велосипед з додатковими колесами, що обертаються у зворотний бік, і негативним виносом керма.
- Думку психологів відрізняється від гіпотез фізиків. Джерела живлення енергії велосипеда перебувають в голові наїзника. Мозок людини напружено працює над тим, щоб ми не впали. Навик і лежить в підсвідомих установках, які тримають баланс велосипедиста, зберігаючи стан рівноваги.
Висновок
Факти підтверджують значення гіроскопа і кастора для підтримки стійкості байка під час руху. Але не існує однозначного пояснення, чому велосипед не падає при їзді. Можливо, існує додаткова сила, розуміння якої тимчасово перебуває за межами сучасних знань.
