Почему велосипеды почти никогда не скользят при торможении передним колесом?

Потому что, когда вы тормозите, ваш вес смещается к переднему колесу. Инерция в сочетании с гравитацией переносит ваш вес и вес велосипеда на переднее колесо. Больше веса ⇒ больше давления ⇒ больше трения/сцепления с землей.

В дополнение к ответу Алекса Доу: на скользких поверхностях действительно происходит снос передних колес. К сожалению, в этом режиме велосипед действительно нестабилен, поэтому вы очень скоро упадете (тогда как снос задних колес довольно стабилен и управляем).

Почему заднее колесо легко сносит?

Рассмотрим крутящий момент вокруг контакта переднего колеса с рамой велосипеда.

• Псевдосила, действующая на наездника, и цикл движется вперед.

• Таким образом, вес и, следовательно, нормальная сила, действующая на заднюю шину, имеет тенденцию к уменьшению.

• При этом меньше сила трения и велосипед начинает дрейфовать.

Почему переднее колесо редко сносит?

• Учитывая псевдосилу и тенденцию к вращению, нормальная сила на переднем колесе намного больше (из-за направленной вперед псевдосилы на центр тяжести). Таким образом, хват очень плотный.

это на самом деле не объясняет, почему колесо никогда не проскальзывает

Ну, это просто неправда. Передние колеса могут и буксовать. Однако, как правило, контакт между передним колесом и дорогой слишком хорош, чтобы пробуксовка наступила до того, как колеса заблокируются, и вы переедете через руль.

На самом деле все зависит от двух факторов:

• тормозная сила, которую ваше переднее колесо может передать дороге без проскальзывания

• угол между центром тяжести, точкой контакта колеса с дорогой и дорогой

Последний фактор - это только вопрос геометрии рамы. Когда ваше переднее колесо вот-вот заблокируется, действующая сила вашего центра тяжести находится именно под этим углом. Поскольку гравитация фиксирована, и этот угол фиксирован, то и тормозная сила, применяемая в этой ситуации, также является фиксированной.

Обратите внимание, что весь вес велосипеда и водителя приходится на переднее колесо, когда оно вот-вот заблокируется, поэтому вертикальная сила в точке контакта колеса с дорогой также фиксирована.

Теперь мы можем сравнить две силы:

• Максимальное тормозное усилие, которое материал вашего колеса может передать дороге в текущем состоянии, при условии, что колесо прижато к дороге всем весом.

• Сила торможения, необходимая для того, чтобы добраться до критической точки.

Если первое больше, ваше переднее колесо заблокируется, и вы переедете через решетку. Если последнее больше, ваше переднее колесо начнет проскальзывать.

Теперь, почему первая сила больше почти для всех велосипедов?

Что ж, хорошая шина позволяет передавать на сухую дорогу горизонтальную силу примерно такую ​​же, как и вертикальная сила, прикладываемая для ее прижатия к дороге. То есть угол между центром тяжести, точкой контакта и дорогой может достигать 45°, а переднее колесо по-прежнему способно блокироваться. Тем не менее, большинство велосипедов сконструированы таким образом, что этот угол значительно превышает 45°.

Итак, из-за геометрии большинства велосипедов вам нужны довольно скользкие дорожные условия, чтобы переднее колесо могло пробуксовывать. Чем длиннее рама и чем дальше центр тяжести от переднего колеса, тем труднее становится блокировать переднее колесо и преодолевать руль; до такой степени, что переход через решетку становится невозможным.

Краткий ответ на это: «потому что центр масс велосипеда находится высоко», и особенно высоко по сравнению с автомобилем, у которого часто могут скользить передние колеса.

Чтобы увидеть, как это работает, рассмотрим чрезвычайно упрощенную модель велосипеда: предположим, что конструкция велосипеда легкая по сравнению с его гонщиком, и представьте его гонщика в виде точечной массы (см. ниже, почему это работает, даже если это не так). . И нас будет интересовать момент, когда заднее колесо поднимается, поэтому мы можем полностью игнорировать заднее колесо и сосредоточиться только на переднем колесе, а именно на точке, в которой переднее колесо касается дороги. Итак, система выглядит примерно так:

Так вот,$c$точка, в которой переднее колесо касается дороги,$m$это всадник, а расстояние по горизонтали и вертикали между$c$и$m$находятся$l$&$h$соответственно. И велосипед тормозит на$a$. И я нарисовал силы, действующие на переднее колесо на дороге в$c$(помните, что заднее колесо, по предположению, просто поднимается, поэтому его можно игнорировать: оно ни на что не действует).

А пока предположим, что коэффициент трения между передним колесом и дорогой достаточно высок, чтобы колесо не скользило, и давайте вычислим точку, в которой велосипед только начинает переворачиваться через переднее колесо: это даст нам максимально возможную значение$a$, однако липкое переднее колесо.

Довольно легко увидеть, что сила на$m$состоит из двух компонентов: вертикального компонента, который$-mg$, куда$g$ускорение свободного падения и горизонтальная составляющая,$ma$, куда$a$это горизонтальное ускорение. И велосипед будет кувыркаться, когда этот вектор указывает на переднее колесо. Ну, просто нарисовав соответствующие компоненты, вы можете увидеть, что это верно, когда

или другими словами, чтобы велосипед не кувыркался

или же

Вы можете убедить себя, что это правильно: очень высокий велосипед ($h \gg l$) будет очень легко кувыркаться, а полностью плоский велосипед ($h \ll l$) почти никогда не упадет. И велосипед в очень низкой гравитации будет падать легче, чем в высокой гравитации. Итак, (1) говорит нам, насколько большой$a$может быть, каким бы липким ни было переднее колесо.

Теперь рассмотрим коэффициент трения на переднем колесе. Коэффициент трения,$\mu$определяется как сила, с которой колесо пытается скользить по дороге, и сила, с которой оно прижимается к дороге в точке, где колесо только что проскальзывало. Так что очевидно, что,

куда$a_\text{slip}$точка, в которой колесо проскальзывает. Другими словами

И теперь мы можем использовать (1) и (2), чтобы получить ответ, который мы ищем: велосипед упадет до того, как его занесет, если$a_\text{slip} \gt a_\text{max}$, другими словами, если

И теперь вы можете увидеть проблему здесь: велосипеды довольно короткие и довольно высокие, поэтому$l/h$имеет тенденцию быть довольно небольшой, а это означает, что велосипед перевернется через переднее колесо с более низким критическим значением$\mu$. А современные шины на сухих дорогах имеют значения$\mu$который может быть довольно близок к$1$(Я думаю$0.8$к$0.9$правдоподобно), в то время как$l/h$обычно значительно меньше, чем$1$.

Вот почему велосипеды кувыркаются перед тем, как дрейфовать.

Это приближение можно использовать, даже если велосипед (или другое транспортное средство) не легче по сравнению с водителем: вам просто нужно определить, где находится центр масс транспортного средства, и использовать это. Для автомобилей с подвеской (конечно, у некоторых велосипедов она есть, и даже у велосипедов, у которых вилка не прогибается при торможении) вы также должны учитывать изменение геометрии при торможении.

Не могу ответить почему, но могу сказать, что это свойство многоколесных машин. Возьмите игрушечную машинку и заблокируйте задние колеса, чтобы они не двигались, толкните ее по гладкой поверхности, и вы увидите, что заблокированные задние колеса всегда будут переключаться на передние. Вот почему возможен «бутлег-поворот» с использованием заднего аварийного тормоза, чтобы заблокировать их, и автомобиль поменяет направление, не сильно изменив исходный вектор. Вот почему передние тормоза автомобиля обеспечивают 90% торможения и почему тормоза на переднем колесе мотоцикла помогают сохранить контроль в гораздо большей степени, чем на заднем.

Дело в том, что сила трения примерно пропорциональна двум вещам:

• " Коэффициент трения " между двумя поверхностями (т.е. насколько они липкие)
• «Вес» или нормальная сила (перпендикулярная сила) между двумя поверхностями.

Последнее означает, например, что если вы удвоите вес салазок, то вы более или менее удвоите трение между салазками и землей.

Если вы переместите весь (или большую часть) своего веса с заднего колеса на переднее колесо велосипеда, то:

• Сила трения на переднем колесе более или менее удваивается (т. е. вам потребуется в два раза больше боковой или задней силы, чтобы заставить его скользить).
• Сила трения на заднем колесе стремится к нулю (т. е. оно легче скользит, когда начинает отрываться от земли).

В переднем колесе у вас гораздо более сильный вертикальный компонент, когда вы используете тормоза из-за импульса, вызванного инерцией. При распределении сил и веса нормального человека заднее колесо будет стремиться подняться, увеличивая трение переднего колеса и останавливая вас все сильнее и сильнее. Чтобы дрейфовать, вам нужна инерция на заднем колесе, но когда вы останавливаетесь вот так, вся энергия высвобождается, останавливая вас и поднимая заднее колесо.

Когда вы используете тормоз только заднего колеса, импульс, вызванный инерцией, стремится поднять заднее колесо, как в случае выше. Это снижает трение. Я заднее колесо, и поэтому энергия не высвобождается внезапно, что позволяет вам дрейфовать.

Я считаю, что если вы использовали колесо с плохим сцеплением с передним колесом, вы должны быть в состоянии дрифтовать.

Я думаю, это потому, что вы можете повернуть руль под оптимальным углом, чтобы центр тяжести оставался ближе к телу.

При этом заднее колесо не может повернуться, поэтому оно теряет сцепление с дорогой, потому что центр тяжести выходит за пределы вашего тела во время заноса.