Почему велосипед/велосипед не падает, если ехать с большой скоростью?

У нас есть серия статей как раз по теме этого обсуждения, но в более узком смысле. То есть, как и почему велосипед может балансировать сам себя?

Короче говоря, как уравновешивается движущийся велосипед ? По целому ряду сложных причин он движется в том же направлении, в котором падает. И, если вы извините за небрежный неформальный язык физики, из-за образующейся кривой траектории центробежные силы толкают ее обратно в вертикальное положение. Какие сложные причины? Частично из-за следов (или касторовых эффектов), частично из-за углового момента вращающихся колес и частично из-за других эффектов, связанных с геометрией и распределением массы. Но нет простого единого необходимого механизма, о котором мы знаем. Например, наша статья в журнале Science показывает, что велосипед может быть самоустойчивым без какого-либо колеса (без следа) и без углового момента вращения передних колес.

Мы написали несколько статей и сопроводительных документов. И у нас есть довольно исчерпывающий охват литературы. Так что, если вы хотите знать, что мы думаем, что думают другие и что мы думаем о том, что думают они, все это есть. Я не думаю, что вы узнаете о какой-то важной ссылке, которую мы не рассмотрели и не описали. Вы можете начать с моей веб-страницы http://ruina.tam.cornell.edu (или погуглить руина велосипед или погуглить велосипед schwabb.

Веб-сайт включает фотографии и видео, включая простые объяснения некоторых из этих вещей.

Удивительный ответ заключается в том, что устойчивость современного велосипеда практически не связана с центробежной силой, гироскопами или чем-то подобным. Поищите в гугле "устойчивость велосипеда". Эксперименты показывают, что угол наклона передней вилки очень важен, например, если вилка направлена ​​назад, очень трудно оставаться в вертикальном положении на любой скорости.

На более высоких скоростях очень легкий поворот рукояток перемещает велосипед под центр тяжести водителя быстрее, что улучшает динамическую устойчивость. Как обычно эксперимент корректирует теорию здесь.

См. ответ Тристана на Помогает ли наклон (банкинг) включить велосипед? а также для еще лучшего ответа

См. комментарий nibot ниже для ссылки на актуальную окончательную статью.

Сегодня в журнале Science появился отчет , посвященный именно этому вопросу: Kooijman et al., Science 332 (6027): 339-342, « Велосипед может быть самоустойчивым без гироскопического эффекта или эффекта кастера» .

Аннотация гласит:

Велосипед без водителя может автоматически управлять собой, чтобы восстанавливаться после падений. Распространено мнение, что это самоуправление вызвано гироскопической прецессией переднего колеса или контактом колеса, отстающим, как ролик, за осью рулевого управления. Мы показываем, что ни один из эффектов не является необходимым для самоустойчивости. Используя расчеты линеаризованной устойчивости в качестве ориентира, мы построили велосипед с дополнительными колесами, вращающимися в противоположных направлениях (что компенсирует угловой момент вращения колеса), и с контактом переднего колеса с землей впереди оси поворота (что делает заднее расстояние отрицательным). При боковом нарушении движения по прямой этот велосипед автоматически возвращается к вертикальному движению. Наши результаты показывают, что различные конструктивные параметры, такие как расположение передней массы и наклон оси рулевого управления, вносят свой вклад в стабильность сложными взаимодействующими способами.

В ScienceNOW также есть аннотация , которую вы можете прочитать без подписки.

Вот бесплатный препринт .

Извините, но то, как эта тема трактуется в обсуждении ниже, представляет собой полный и неловкий беспорядок. Некоторые из приведенных ниже ответов являются полной чушью, и, безусловно, самый компетентный ответ (от Энди Руины) имеет один из самых низких баллов, а ответ с наивысшим баллом в основном неверен.

Во-первых, прямым ответом на первоначальный вопрос является ослабляющий эффект стабилизации по закону сохранения углового момента при уменьшении скорости, и в этом вопросе больше ничего не нужно говорить.

Во-вторых, на более общий вопрос о том, что стабилизирует велосипед, наиболее полно отвечает материал на сайте Энди Руины (который, правда, опоздал со своим постом). Короче говоря, это нетривиальная тема, но строгий анализ возможен при определенных усилиях, и такой анализ был проведен, в первую очередь группой Руины в Корнелле. Их анализ устойчивости ясно показывает влияние ряда факторов геометрии велосипеда. И, да, конечно, угол поворота рулевого колеса и передний угол тоже играют роль, как и другие факторы.

Я отмечаю, что Ruina даже предоставляет часть программного обеспечения ( JBike6 ), которое люди могут использовать для самостоятельного выполнения такого анализа стабильности. Вот пример его вывода:

Хорошо видно, как одно из собственных значений переходит в неустойчивую область при уменьшении скорости велосипеда. В этом случае байк становится неустойчивым на «скорости плетения» около$5.3\,\mbox{m/s}$.

В общем случае возможны различные режимы неустойчивости. Например, дополнительные модальности нестабильности могут возникнуть, когда велосипедист управляет велосипедистом. Например, некоторые шоссейные велосипеды также испытывают неустойчивость на высоких скоростях (так называемое «высокоскоростное колебание»), возникающее из-за взаимодействия гонщика с велосипедом. В этом случае гибкость рамы является важным фактором. Один из моих шоссейных велосипедов сделал это на скорости выше примерно$40\,\mbox{mph}$. Не смешно...

Когда вы ходите на ходулях или на коньках, вы не балансируете, будучи очень осторожными. Ты даже не балансируешь. Вы постоянно теряете равновесие и продолжаете перемещать точку опоры так, что останавливаете свое падение в одном направлении и начинаете падать в другом.

Если вы едете на велосипеде очень медленно, вы делаете то же самое. Вы продолжаете перемещать точку опоры влево или вправо, чтобы остановить падение в этом направлении. Если вы двигаетесь медленно, для этого требуется большее движение руля, поэтому вы «раскачиваетесь». На более высокой скорости для этого требуется меньше движений руля. Это работает даже при отсутствии гироскопической прецессии, кастера или угла наклона. Просто посмотрите на самокат с крошечными колесами, лыжный велосипед или одноколесный велосипед.

Теперь добавьте передний угол. Поворот руля вправо перемещает точку опоры влево, даже если вы двигаетесь очень медленно, так что это помогает.

Теперь переключитесь на скоростной мотоцикл с красивым, тяжелым, гироскопическим передним колесом. Когда он движется с хорошей скоростью, эта штука прецессирует, что бы там ни говорили люди, и ее прецессия идет в правильном направлении, чтобы мощно поддерживать стабильность.

Так что это не сделка по принципу «все или ничего» с одним объяснением.

Источник

Важные части для доступа в случае сбоя ссылки:

Велосипед остается в вертикальном положении, даже если пользователь убирает руки с руля, фактически теряя способность управлять им. На самом деле, велосипеду вообще не нужен водитель: велосипеды прекрасно балансируют без посторонней помощи, при условии, что они движутся достаточно быстро (где-то от 8 до 13 миль в час — расслабленная скорость).

Второе объяснение может прийти на ум тем, кто изучал физику в средней школе: вращающиеся колеса не дают велосипеду упасть.

Вращающиеся объекты, такие как колеса велосипеда, устойчивы, и чем быстрее они вращаются, тем стабильнее они становятся. Этот гироскопический эффект, как его называют физики, объясняет, почему волчки и йо-йо ведут себя именно так.

Однако это не объясняет устойчивость велосипеда. Велосипедные колеса довольно легкие и не создают достаточной инерции, чтобы преодолеть даже небольшой наклон. Кроме того, велосипед может оставаться стабильным без водителя, но только при движении вперед. Толкните его назад с той же скоростью, и он быстро опрокинется. Если бы гироскопический эффект был основным фактором, этого, вероятно, не произошло бы.

Чтобы убедиться, что в этом эффекте нет необходимости, группа ученых из Корнельского университета построила велосипед с двумя дополнительными колесами. Они не касались земли; они просто вращались в направлении, противоположном основным колесам велосипеда, что устраняло любые гироскопические эффекты.

Этот негироскопический велосипед, больше напоминающий самокат, оставался самоустойчивым. Более того, как только велосипед пришел в движение, экспериментаторы оттолкнули его в сторону, пытаясь опрокинуть. Они не могли; мотоцикл исправился.

Частично благодаря этому исследованию физики нашли объяснение тому, почему велосипеды не опрокидываются: они всегда поворачиваются в том же направлении, в котором падают. Когда велосипед начинает наклоняться в одну сторону, переднее колесо поворачивается в том же направлении, что предотвращает падение велосипеда. Это можно проверить, заблокировав руль так, чтобы велосипед не мог повернуться. Когда вы делаете это и толкаете велосипед, он опрокидывается. Итак, эта самоустойчивость связана с тем, как велосипед поворачивается в направлении падения. Но почему это происходит?

Вот где все становится действительно сложно. Вместо простого объяснения ученые разработали формулу, которая определяет, будет ли конструкция велосипеда обладать этим важным свойством. Насколько это было проверено, формула работает. К сожалению, это не простое уравнение с двумя или тремя переменными: для предсказания требуется 25 различных характеристик велосипеда.

Основная концепция (по крайней мере, насколько я слышал) — угловой момент. Когда велосипедное колесо вращается, оно имеет угловой момент, пропорциональный его скорости вращения, связанной с плоскостью вращения колеса. Это заставляет его действовать в основном как гироскоп: он «сопротивляется» любому изменению величины или направления этого углового момента в том же смысле, что масса «сопротивляется» любому изменению величины или направления ее скорости. Это в основном замедляет опрокидывание велосипеда до такой степени, что вы можете предотвратить его, нажав на педаль с противоположной стороны.

Ответ: «Центробежная сила».

Чем больше ваша скорость, тем больше эта сила.

Вы можете заметить, что когда вы поворачиваете налево, ваш велосипед наклоняется влево. А противоборствующая сила не даст вам упасть (при постоянном угле поворота руль в конце байк сделает круг). Затем, когда вы заставляете свой велосипед поворачивать влево, ваш велосипед возвращается к равновесию, потому что вы увеличиваете эту силу (это происходит из уравнения).

Когда ваша скорость меньше, противодействующая сила меньше, и велосипедом труднее управлять, поэтому вы можете легче упасть.

ответ oneat правильный (я бы прокомментировал, но думаю, мне понадобится больше места)

Представьте себе вектор (линию), начинающуюся в вашем центре тяжести. Линия представляет все силы, действующие на вас. Когда вы стоите на месте, линия направлена ​​прямо вниз (гравитация — это единственная присутствующая сила).

Чтобы не упасть, когда вы стоите на велосипеде, вы должны удерживать точку пересечения линии с землей (назовем ее точкой А ) между двумя колесами велосипеда. Если вы этого не сделаете, вы начнете опрокидываться.

Когда вы стоите на месте, единственный способ воздействовать на эту точку — сместить центр тяжести, что вы и делаете, перемещая свой вес.

Теперь предположим, что вы переезжаете. Если вы движетесь по прямой линии с постоянной скоростью, все то же самое, единственная сила, действующая на вас, — это гравитация. Но если вы измените направление, вы получите центробежную силу (как правильно заметил один из них), такую ​​же, как если вы делаете крутой поворот в автомобиле, движущемся на большой скорости. Значение этой силы пропорционально вашей скорости, вашему весу и скорости поворота.

Эта центробежная сила добавляется к гравитации и меняет направление результирующей силы, действующей на вас.

Помните точку А ? Если вы едете на своем велосипеде, и он начинает наклоняться вправо, точка А начинает двигаться вправо, и велосипеды наклоняются еще больше и так далее. Но вы инстинктивно знаете, что нужно повернуть велосипед направо. Это вызывает появление центробежной силы, направленной влево). Если точка А все еще находится между вашими колесами, то все в порядке.

Если вы двигаетесь медленно, центробежная сила мала, поэтому вам нужно более резко поворачивать, чтобы компенсировать это. Если вы двигаетесь быстро, вам может понадобиться лишь немного подтолкнуть велосипед, чтобы компенсировать это.

Более подробно это объясняется здесь . (На самом деле я подумал о поиске в Википедии только после того, как написал этот ответ, сейчас у меня нет времени читать статью, надеюсь, я не слишком ошибаюсь)

Ответ очевиден при осмотре. К сожалению, исследователи не утруждают себя изучением объекта исследования, а создают математические модели с предположениями, которые определяют результат. Наиболее распространенным предположением является центробежная сила, движимая велосипедным рулевым управлением по переменным дугам. Кроме того, есть крайнее высокомерие физиков, которые не будут изучать силы в шинах. Это инженерная проблема, и физика не может на нее ответить. Когда велосипед опрокидывается, боковая сила развала создается на обеих шинах, подталкивая велосипед к падению. Это боковое движение добавляется к движению вперед, что приводит к смещению вектора направления в сторону опрокидывания. Когда плоскость колеса не совпадает с направлением его движения, образуется угол скольжения и, как следствие, сила. Силы угла увода противодействуют силам развала, но на переднем колесе. сила угла скольжения направляет колесо по траектории выравнивания с вектором направления. Это позволяет силе развала подталкивать передний конец к падению, в то время как заднее колесо зажато между силой развала и угла увода. Эти силы сохраняются до тех пор, пока колеса не выровняются с направлением движения. По мере увеличения скорости углы увода становятся меньше и менее важны, поскольку мотоцикл остается в вертикальном положении без рулевого управления и поддерживается только развалом.