Что заставляет велосипед оставаться в вертикальном положении при движении?

шестидесятифутовыйчувак

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?

Моав

Одним словом, велосипедные БОГИ.

Дэниел Р. Хикс

Маленькие секретные антигравитационные модули под сиденьем. Поэтому места такие дорогие.

Моав

@ Даниэль, я думал, что это гель "космической эры", который поднял цену ... Я думаю, что сделаю свое следующее сиденье из скорлупы кокосового ореха, это привлечет некоторые головы.

Прощай, биржа стека

Мои велосипеды держат в вертикальном положении тщеславие и чувство собственной важности.

дзенбайк

Думаю, это можно назвать педалированием.

папарацци

Только как колесо с одинаковой массой, вращающееся назад рядом с велосипедом, сделает что-нибудь? Это второе колесо прикреплено к велосипеду?

пользователь2320464

У Minute Physics есть отличное видео на эту тему.

ʍǝɥʇɐɯ

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!

Моав

Забавно, чем больше ученые что-то изучают, тем меньше они знают, они находят больше вопросов, чем ответов.

Mסž

@ʍǝɥʇɐɯ: за исключением того, что исследование, о котором говорится в статье, повторяет аналогичную работу в 1980-х годах, и есть изображения эквивалентного аппарата 1930-х годов. Так что это скорее случай «в очередной раз ученые заново обнаружили, что городская легенда ложна». Я бы не стал причислять его к IG-Nobel, но это совсем не так захватывающе, как они утверждают. Мне сказали, что, например, использование уравнений Билла Васиснейма на их тестовых мотоциклах дает ответы, которые согласуются с их экспериментами.

ʍǝɥʇɐɯ

@Мסž - Я прочитал статью несколько недель назад, и она немного пахла «популярной наукой», но заставила меня задуматься и поговорить с соседом-велосипедистом. Лично я считаю, что это джедайская «Сила» (менее описываемая как «страх гонщика, испытывающего гравийную сыпь»), которая удерживает мотоцикл в вертикальном положении.

Mסž

@ʍǝɥʇɐɯ: что меня раздражает, так это то, что они, похоже, не опубликовали свое решение (уравнения), поэтому я не могу сравнить их результаты с результатами Билла «Lords of the Chainring», так что это все просто пух. Это не наука, если вы не можете воспроизвести результаты.

МарковЧ1

New Scientist, безусловно, НЕ является заслуживающим доверия источником научной информации.

Дэниел Р. Хикс

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.

митинг25rs

+1. Естественная способность велосипеда оставаться в вертикальном положении, когда вы «призрачно едете» на нем или отправляете его в движение без наездника, в значительной степени связана с наклоном (или роликом) переднего колеса. Если бы он был установлен вертикально (ось вашего колеса находилась прямо под рулевой колонкой, а рулевая колонка была вертикальной), то велосипед довольно легко упал бы. Это похоже на кастер передних колес автомобиля, который помогает устойчивости и самостоятельно центрировать руль (отпустите руль автомобиля в повороте, и он возвращается к центру), и двугранный угол крыла самолета, который помогает ему не перевернуться.

как зовут

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.

Энди Моррис

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.

шестидесятифутовыйчувак

Отличный пример. Я думаю, что ваше описание «рулить, чтобы держать велосипед под собой» очень интересно.

Вилка

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.

Р. Чанг

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.

Арон

Нашел видео получше youtube.com/watch?v=PfIschuo520 Оно на японском, но можно включить субтитры.

Rider_X

В настоящее время считается, что на устойчивость велосипеда влияют три основных фактора:

  1. Величина следа переднего колеса (т. е. конструкция самоустанавливающегося колеса)
  2. Распределение массы перед осью управления передними колесами
  3. Гироскопическая прецессия

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.

ланций

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.

Кибби

Но тогда почему так труднее балансировать, когда велосипед неподвижен (т. е. делать стойку на треке), чем когда вы едете по дороге.

Мак

+1 за упоминание велосипеда с обратным рулевым управлением. Я пробовал один просто не мог оставаться в вертикальном положении.

Мак

@Kibbee Я думаю, что главное отличие заключается в том, как быстро вступают в силу внесенные вами исправления. На скорости небольшое изменение угла наклона переднего колеса приводит к тому, что велосипед меняет угол за очень короткий промежуток времени. Однако при медленном движении изменение угла наклона велосипеда занимает больше времени, и это время, когда велосипед должен преувеличивать свой текущий угол наклона.

Стивен Тусет

-1, потому что физики показали (согласно ответу Мэтью), что гонщик, делающий тонкие исправления, не является обязательным условием для самобалансировки велосипеда.

Джахазиил

Это не обязательное условие, когда байк едет по свободному пути, но он нужен, когда вы хотите, чтобы байк ехал по произвольному пути или преодолевал препятствие...

Кибби

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.

как зовут

-1. Было убедительно показано, что гироскопические силы (от углового момента) существенно не влияют на устойчивость велосипеда.

imel96

Это должно быть так просто:

  • действие = реакция. Если велосипед находится в вертикальном положении, он останется в вертикальном положении, если не будет боковых сил. Это верно, даже когда велосипед не движется.
  • если есть какая-то сила, нарушающая баланс, должна быть равная противодействующая сила для поддержания баланса.
  • когда велосипед движется, рулевое управление преобразует часть импульса вперед в боковую силу, поэтому рулевое управление можно использовать для балансировки велосипеда.
  • на роликах велосипед может двигаться вбок для балансировки.
  • перемещение веса гонщика не должно создавать боковую силу, потому что для движения в одну сторону гонщик должен толкать велосипед в другом направлении с такой же силой. Любой успех в этом можно объяснить неэффективностью системы.

Кроме того, существует гироскопический эффект колес, который может изменить количество и направление сил, действующих на систему.