Что заставляет велосипед оставаться в вертикальном положении при движении?
Что заставляет велосипед оставаться в вертикальном положении во время движения? Какая связь между скоростью и стабильностью? Это линейная зависимость?
Я мог бы спросить об этом на сайте физики, однако я надеюсь получить относительно простой ответ. Я прошел вводный курс по физике в университете, так что базовая физика приветствуется, но не слишком корявая.
Я думаю, что не вращающаяся масса колеса удерживает мотоцикл в вертикальном положении. Недавно я читал исследование, в котором говорится, что если у вас есть колесо с одинаковой массой, вращающееся назад рядом с велосипедом, велосипед не потеряет устойчивости. (Я не уверен, где я прочитал исследование).
Почему велосипеды остаются в вертикальном положении на роликах?
Недавно этот вопрос был предметом большой статьи в журнале New Scientist. Обобщить:
«Почему этот велосипед поворачивает правильно в нужное время, чтобы обеспечить устойчивость?» — спрашивает газета. «Мы не нашли простого физического объяснения».
http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html
В этой статье также цитируется исследование, которое вы не могли точно определить - гироскопические силы, которые так долго считались основой и концом устойчивости велосипеда, - научно доказано, что они не имеют последствий, которые обычно представлялись.
Что касается удержания в вертикальном положении на ролике, это не рассматривается в статье, однако в ней обсуждается, что происходит, когда вы отправляете велосипед по улице, когда на нем никого нет - по-видимому, вес и настройки рулевого управления, сделанные гонщиком, не имеют значения. делать с этим.
Я не думаю, что статья в New Scientist является последним словом по этому вопросу. Однако это недавнее (несколько недель назад) и является хорошим введением в тайну. Наслаждаться!
Геометрия велосипеда обеспечивает некоторую степень самоустойчивости. Угол и передний угол вилки создают ситуацию, когда передняя шина имеет тенденцию становиться наклонной и, таким образом, корректирует тенденцию к падению на одну сторону.
Гироскопический эффект колес сам по себе, вероятно, не так силен, но гироскопический эффект на рулевое управление работает с углом / наклоном вилки, чтобы повернуть шину в направлении «падения» и обеспечить еще большую самостабилизацию.
Теоретически ролики ничем не отличаются от уличных — переднее колесо будет поворачиваться в сторону наклона либо до тех пор, пока край роликов не вызовет столкновение, либо велосипед не стабилизируется.
Велосипеды по своей природе устойчивы из-за своей геометрии. Геометрия заставляет велосипед всегда поворачиваться в том направлении, в котором он начинает наклоняться, что удерживает его в вертикальном положении. Причина лучше всего иллюстрируется концепцией, известной как противодействие.
Контрруление — это способ поворота всех двухколесных транспортных средств. Когда вы хотите повернуть налево, вы поворачиваете руль немного вправо. Трение колес тянет нижнюю часть велосипеда вправо, что вызывает наклон влево. Затем руль начинает поворачиваться влево, чтобы отслеживать поворот.
Когда пришло время остановить поворот, вы поворачиваете руль еще немного влево. Это тянет нижнюю часть велосипеда дальше влево, в результате чего нижняя часть велосипеда оказывается прямо под центром тяжести и, таким образом, останавливает поворот.
На многих велосипедах и на низких скоростях эффект противодействия рулевому управлению может быть незаметен многими гонщиками. Однако на высоких скоростях или с более тяжелыми транспортными средствами, такими как мотоциклы, это более существенно.
Итак, как это работает, когда нет всадника? Это из-за грабель в вилке и рельса, который она вызывает. Если вы проведете воображаемую линию через ось вилки до земли, она упадет на землю раньше, чем колесо соприкоснется с землей.
Поскольку колесо касается земли за осью поворота, колесо всегда будет ощущать силу дороги, пытающуюся привести его в центр, направляя прямо вперед. Когда велосипед наклонен в одну сторону, силы начинают толкать колесо в ту сторону, в которую наклонен велосипед.
Так что все эти силы складываются. Грабли в вилке заставляют мотоцикл двигаться прямо вперед. И когда он чувствует удар в том или ином направлении, встречное рулевое управление будет стремиться направить мотоцикл в другом направлении. Затем грабли вилки начнут толкать переднее колесо дальше, что затем выпрямит велосипед из-за противодействия рулевому управлению.
Это как балансировать метлой на руке, вы рулите, чтобы колеса двигались под вами. Производители велосипедов помогают, разрабатывая геометрию рулевого управления так, чтобы велосипед оставался в вертикальном положении сам по себе, если вы не возитесь с ним.
Гироскопические силы помогают, но не являются существенными.
Недавно было проведено несколько исследований по этому поводу: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139
Ранее считалось, что вращающиеся колеса велосипеда обеспечивают устойчивость за счет гироскопических эффектов; и что «след» (расстояние, на которое точка контакта переднего колеса отстает от оси рулевого управления, играет важную роль).
Однако:
Новое исследование в Science утверждает, что решило проблему - гироскопические эффекты и помощь в движении, говорит исследователь доктор Аренд Шваб из факультета 3mE Делфтского технического университета, но они не нужны выше определенной скорости. В статье Proceedings of the Royal Society 2007 года (doi:10.1098/rspa.2007.1857) в то время была разработана математическая модель с примерно 25 физическими параметрами, которая, по-видимому, предсказывала, будет ли конкретная конструкция велосипеда и при каких скоростях стабильный.
Авторы спроектировали и сконструировали велосипед Two Mass Skate с маленькими колесами, вращающимися в противоположных направлениях, что означает отсутствие гироскопического эффекта и небольшой отрицательный след (другими словами, точка контакта переднего колеса с незначительно перед осью рулевого управления). Тем не менее, велосипед оставался устойчивым при движении.
В этом 7-минутном видеоролике объясняется устойчивость велосипеда, обсуждаются гироскопические эффекты, кастер и рулевое управление. В частности, он показывает примеры велосипедов (без водителя), которые могут балансировать, даже если один или несколько источников устойчивости устранены. Таким образом, есть несколько конструктивных особенностей, которые обеспечивают устойчивость, включая райдера.
В настоящее время считается, что на устойчивость велосипеда влияют три основных фактора:
В современном велосипеде все три работают вместе, позволяя велосипеду автоматически управлять при падении, тем самым демонстрируя самостабилизирующееся поведение. Это автоматическое поведение рулевого управления позволило бы велосипеду быть устойчивым на роликах или двигаться по земле.
Поскольку стабильность достигается за счет баланса множества факторов, слишком большое количество одного фактора может сделать конструкцию нестабильной (например, из-за чрезмерной коррекции). Кроме того, не все факторы оказывают одинаковое влияние. Некоторых изолированных факторов может быть достаточно, чтобы велосипед стал устойчивым сам по себе в отсутствие других факторов (например, распределение массы перед осью рулевого управления ).
Существование нескольких факторов также означает, что в разных стабильных конструкциях может использоваться разное количество каждого фактора. Например, в 1940-х годах рандоннерские велосипеды использовали намного меньше следов , но добавляли массу перед осью рулевого управления (т. е. передние сумки, несущие снаряжение), чтобы сделать велосипед более устойчивым.
У MinutePhysics есть хорошее короткое видео , в котором рассказывается о влиянии этих эффектов. Я полагаю, что в большинстве стабильных конструкций гироскопический процесс (3) будет иметь самый слабый эффект.
Благодаря характеристикам самоустойчивости, как отмечалось выше, основная причина, по которой велосипед остается в вертикальном положении, пока вы на нем едете, заключается в том, что вы активно балансируете, удерживая точки контакта велосипеда под своим центром масс. Когда вы едете, вы делаете тонкие поворотные движения, чтобы удержать велосипед под собой — когда велосипед падает влево, вы поворачиваете налево, что приводит в движение переднее колесо и возвращает велосипед под вас. На роликах вы можете увидеть это, когда велосипед движется вперед и назад по ролику, а когда он не может этого сделать, вы падаете.
Вы можете делать это настолько бессознательно после того, как научились ездить верхом, что ездить на велосипеде с обратным рулем довольно сложно.
Основной ответ, не слишком углубляясь в физику, — угловой момент . В основном вращающийся объект (ваши колеса) оказывает силу в противоположном направлении, если вы пытаетесь «наклонить» их. Чтобы попробовать это дома, снимите переднее колесо. Держитесь обеими руками за ось и вращайте колесо. Теперь попробуйте наклонить колесо. Обратите внимание, как колесо тянет назад. Попробуйте то же самое с не вращающимся колесом и обратите внимание, как оно не тянет назад. Чем быстрее крутится колесо, тем сильнее оно тянет назад. Я не уверен, линейная связь или нет. Взгляните сюда для более общего взгляда на угловой момент . В нем показано видео с демонстрацией использования велосипедной шины.
Это должно быть так просто:
Кроме того, существует гироскопический эффект колес, который может изменить количество и направление сил, действующих на систему.
Моав
Дэниел Р. Хикс
Моав
Прощай, биржа стека
дзенбайк
папарацци
пользователь2320464