Физика велосипеда. Почему велосипед не падает?



  • Для того, чтобы двухколесный велосипед не упал, нужно постоянно поддерживать равновесие. Поскольку площадь опоры велосипеда очень мала (в случае двухколесного велосипеда это всего лишь прямая, проведённая через две точки, в которых колеса касаются земли), такой велосипед может находиться только в динамическом равновесии. Это достигается с помощью подруливания: если велосипед наклоняется, велосипедист отклоняет руль в ту же сторону. В результате велосипед начинает поворачивать и центробежная сила возвращает велосипед в вертикальное положение. Этот процесс происходит непрерывно, поэтому двухколесный велосипед не может ехать строго прямо; если руль закрепить, велосипед обязательно упадёт. Чем выше скорость, тем больше центробежная сила и тем меньше нужно отклонять руль, чтобы поддерживать равновесие.

    При повороте нужно наклонить велосипед в сторону поворота так, чтобы сумма силы тяжести и центробежной силы проходила через линию опоры. В противном случае центробежная сила опрокинет велосипед в противоположную сторону. Как и при движении по прямой, идеально сохранять такой наклон невозможно, и подруливание осуществляется точно так же, только положение динамического равновесия смещается с учётом возникшей центробежной силы. Конструкция рулевого управления велосипеда облегчает поддержание равновесия. Ось вращения руля расположена не вертикально, а наклонена назад. Кроме того, она проходит ниже оси вращения переднего колеса и впереди той точки, где колесо касается земли.

    Благодаря такой конструкции достигаются две цели:

    • При случайном отклонении переднего колеса от нейтрального положения возникает момент силы трения относительно рулевой оси, который возвращает колесо обратно в нейтральное положение.

    • Если наклонить велосипед, возникает момент силы, поворачивающий переднее колесо в сторону наклона. Этот момент вызван силой реакции опоры. Она приложена к точке, в которой колесо касается земли и направлена вверх. Из-за того, что рулевая ось не проходит через эту точку, при наклоне велосипеда сила реакции опоры смещается относительно рулевой оси.

    Таким образом, осуществляется автоматическое подруливание, помогающее поддерживать равновесие. Если велосипед случайно наклоняется, то переднее колесо поворачивается в ту же сторону, велосипед начинает поворачивать, центробежная сила возвращает его в вертикальное положение, а сила трения возвращает переднее колесо обратно в нейтральное положение. Благодаря этому, можно ехать на велосипеде «без рук». Велосипед сам поддерживает равновесие. Сместив центр тяжести в сторону, можно поддерживать постоянный наклон велосипеда и выполнить поворот.

    Можно заметить, что способность велосипеда самостоятельно сохранять динамическое равновесие зависит от конструкции рулевой вилки. Определяющим является плечо реакции опоры колеса, то есть длина перпендикуляра, опущенного из точки касания колеса земли на ось вращения вилки; или, что эквивалентно, но проще измерить – расстояние от точки касания колеса до точки пересечения оси вращения вилки с землёй. Таким образом, для одного и того же колеса возникающий момент будет тем выше, чем больше наклон оси вращения вилки. Однако для достижения оптимальных динамических характеристик нужен не максимальный момент, а строго определенный: если слишком малый момент приведёт к трудности удержания равновесия, то слишком большой – к колебательной неустойчивости, в частности – «шимми» (см. ниже). Поэтому положение оси колеса относительно оси вилки тщательно выбирается при проектировании; многие велосипедные вилки имеют изгиб или просто смещение оси колеса вперёд для снижения избыточного компенсирующего момента.
    Распространённое мнение о существенном влиянии гироскопического момента вращающихся колёс на поддержание равновесия является неправильным. На высоких скоростях (начиная примерно с 30 км/час) переднее колесо может испытывать т. н. скоростные виляния (speed wobbles), или «шимми» – явление, хорошо известное в авиации. При этом явлении колесо самопроизвольно виляет вправо и влево. Скоростные виляния наиболее опасны при езде «без рук» (то есть когда велосипедист едет, не держась за руль). Причина скоростных виляний – не в плохой сборке или слабом креплении переднего колеса, они вызваны резонансом. Скоростные виляния легко погасить, снизив скорость или изменив позу, но если этого не сделать, они могут быть смертельно опасными.

    Езда на велосипеде эффективнее (по затратам энергии на километр) как ходьбы, так и езде на автомобиле. При езде на велосипеде со скоростью 30 км/ч сжигается 15 ккал/км (килокалорий на километр), или 450 ккал/ч (килокалорий в час). При ходьбе со скоростью 5 км/ч сжигается 60 ккал/км или 300 ккал/ч, то есть езда на велосипеде в четыре раза эффективнее ходьбы по затратам энергии на единицу расстояния. Поскольку при езде на велосипеде расходуется больше калорий в час, она также является лучшей спортивной нагрузкой. (При беге затраты калорий в час ещё выше, но вибрация травмирует колени и голеностопный сустав). Тренированный мужчина, не являющийся профессиональным спортсменом, может в течение длительного времени развивать мощность 250 ватт, или 1/3 л.с. Это соответствует скорости 30-50 км/час по ровной дороге. Женщина может развивать меньшую мощность, но большую мощность на единицу веса. Поскольку на ровной дороге почти вся мощность расходуется на преодоление сопротивления воздуха, а при езде в гору основные затраты – на преодоление силы тяжести, женщины, при прочих равных условиях, едут медленнее по ровному месту и быстрее в гору.
    Источник



  • @IrekNNN:

    Для того, чтобы двухколесный велосипед не упал, нужно постоянно поддерживать равновесие. Поскольку площадь опоры велосипеда очень мала (в случае двухколесного велосипеда это всего лишь прямая, проведённая через две точки, в которых колеса касаются земли), такой велосипед может находиться только в динамическом равновесии.

    вранье!!! тут унициклы не падают :D :D :D
    Wheel of life (36er unicycling) – 01:47
    — Terry Peterson

    по идее такой агрегат вообще должен ехать только прямо… :)

    динамическое равновесие?? не, не слышал :D
    munich 6 day hoy and wolf 6 min track stand!! – 05:42
    — Karl Rahn

    теперь берем велосипед (или колесо) ставим его и от пускаем, он падает… следовательно равновесие держит человек за счет своего вестибулярного аппарата… Теперь фиксируем у велосипеда руль и толкаем, он проезжает несколько метров и падает (кроме видео ниже) обусловлено это изменением положения точки равновесия и отсутствия его поправки.
    Gyrowheel Demonstration – 01:18
    — sloadedca

    @IrekNNN:

    аким образом, осуществляется автоматическое подруливание, помогающее поддерживать равновесие. Если велосипед случайно наклоняется, то переднее колесо поворачивается в ту же сторону, велосипед начинает поворачивать, центробежная сила возвращает его в вертикальное положение, а сила трения возвращает переднее колесо обратно в нейтральное положение. Благодаря этому, можно ехать на велосипеде «без рук».

    крайне неверно, езда без рук обусловлена гироскопическим эффектом + вестибулярный аппарат человека, который поправляет огрехи управления, я вот к примеру в режиме “без рук” могу ездить не только по прямой но и змейкой, поворачивая то влево то вправо, только за счет перемещения корпуса тела, юнициклы так же поворачивают)))

    @IrekNNN:

    Можно заметить, что способность велосипеда самостоятельно сохранять динамическое равновесие зависит от конструкции рулевой вилки. Определяющим является плечо реакции опоры колеса, то есть длина перпендикуляра, опущенного из точки касания колеса земли на ось вращения вилки; или, что эквивалентно, но проще измерить – расстояние от точки касания колеса до точки пересечения оси вращения вилки с землёй. Таким образом, для одного и того же колеса возникающий момент будет тем выше, чем больше наклон оси вращения вилки. Однако для достижения оптимальных динамических характеристик нужен не максимальный момент, а строго определенный: если слишком малый момент приведёт к трудности удержания равновесия, то слишком большой – к колебательной неустойчивости, в частности – «шимми» (см. ниже). Поэтому положение оси колеса относительно оси вилки тщательно выбирается при проектировании; многие велосипедные вилки имеют изгиб или просто смещение оси колеса вперёд для снижения избыточного компенсирующего момента.

    имеем 2 рулевых стакана, один перпендикулярен, второй парралелен земле, в первом случае крутанул приложив минимум сил и повернул, во втором случае, как ни крути руль, повернешь не скоро…
    следовательно следующие выводы проектирования наклона рулевой^

    1. угол удовлетворяющий не выходе Ц.Т. велосипедиста при приземлении на наклонную поверхность + отработка вилки…
      2)эффективная работа вилки при приземлении под углом, обеспечивающий вывод выше…
      таким образом у ДХ велов угол наклона рулевой менее вертикальный. чем у шоссе… (шоссерам чтобы увеличить устойчивость реакции опоры колеса, как раз и увеличивают вылет оси, путем изгиба концов вилки или всей вилки )

    @IrekNNN:

    Езда на велосипеде эффективнее (по затратам энергии на километр) как ходьбы, так и езде на автомобиле. При езде на велосипеде со скоростью 30 км/ч сжигается 15 ккал/км (килокалорий на километр), или 450 ккал/ч (килокалорий в час). При ходьбе со скоростью 5 км/ч сжигается 60 ккал/км или 300 ккал/ч, то есть езда на велосипеде в четыре раза эффективнее ходьбы по затратам энергии на единицу расстояния. Поскольку при езде на велосипеде расходуется больше калорий в час, она также является лучшей спортивной нагрузкой.

    если откинуть все лишний значения, сопротивление воздуха и д.т из формулы. то изменение скорости квадратична затрачиваемым силам, **проще говоря, чтобы перемещаться в 2 раза быстрее, энергии надо затратить в 4 раза больше, если в 3 раза, то энергия будет расходоваться в 9 раз больше
    **с другой стороны на велосипеде нету затрат сил чтоб приподнять свой вес как это будет при беге/ходьбе…



  • Езда без рук возможна не на любом велосипеде.

    Например, на велосипедах специально рассчитанных на условия города - то есть на велосипедах с искусственно повышенной поворотливлситью вроде моих “Веги” и “Энигмы” - езда без рук крайне затруднительна, тогда как на шоссейных необорот, очень легка но зато у них затруднительны повороты. Во всяком случае, развернуться например на велосипеде “Урал” на 180 на ширине городского тротуара удается только после длительной тренировки, тогда как такой разворот как на “Веге” так и на “Энигме” не вызывает никаких затруднений. А вот езда без рук на “Урале” очень легка тогда как на тех двух - почти невозможна.

    Изгиб вилки переднего колеса в продольном направлении у “Урала” таков что если на велосипед нагрузить мешок картошки и толкать его за седло вперед, то руль сам собой устанавливается в положение “прямо”. А вот при таком же опыте с “Вегой” и с “Энигмой” руль тут же попорачивает набок и переднее колесо становится перпендикулярно движению. Вот и поездий на таком без рук!
    Велосипед “Энигма”:

    Насчет сопротивления езде. Если бы не было сопротивления воздуха, то на хорошей дороге сопротивление езде возрастало бы только от трения в подшипниках -а оно мало того что само по себе мало, так и возрастает только прямо пропорционально оборотам. То есть при увеличении скорости вдвое и сопротивление росло бы вдвое, при увеличении в три раза - втрое и т.д. Но сопротивление воздуха портит все дело: оно требует при увеличении скорости вдвое увеличивать потребную мощность в восемь раз - пропорционально кубу скорости.

    Энигма2.jpg



  • Почитал тему, старые журналы

    В дополнение к тому что написал IrekNNN в теме Физика велосипеда. Почему велосипед не падает?

    • Журнал “Наука и жизнь” №1 за 1984 год:

    и понял, что ничего не понял. Все это напомнило мне отрывок вот из этого видео:

    ! http://www.youtube.com/watch?v=3Kj6DH5sZFM
    ! полная версия http://vk.com/cnhufa?z=video6268031_165736862%2Ffdb28a404a0cab5c05



  • Вот здесь:
    http://forum.veloufa.ru/viewtopic.php?f=6&t=114&start=555

    я выложил фото и видео велосипеда который сразу по проекту предназначен для езды без рук потому что у него отдельно от руля устроен привод для работы руками в помощь ногам. Чтобы езда на такой странной затее не превратилась в цирковой фокус - у него сделана передняя вилка таким образом чтобы велосипед страдал сверхустойчивостью. Если на такой велосипед положить мешок картошки и толкнуть под уклон то он не упадет а вполне себе нормально поедет и будет ехать пока в кого-нибудь не въедет или пока спуск не кончится.

    Такое свойство достигается такии устройством передней вилки чтобы при наклоне вбок переднее колесо сильно стремилось повернуть так чтобы велосипед поворачивал в строну наклона. Это позволяет, как хорошо видно на видео, ехать не держась за руль - крутя руками привод, а повороты достигаются небольшим наклоном в нужную сторону. Правда, зато поворачивать нормальным образом - с помощью руля - становится очнеь тяжело так что этот велосипед не для города.

    Такой велосипед, между прочим, можно использовать в качестве грузового прицепа только не совсем понятно как устроить на нем тормоз. На раму навьючить груз, а сверху для красоты посадить собаку чтобы передние лапы были на руле - вот уж зрелище будет! Или наоборот, никого не сажать а в качестве буксира использовать прозрачную леску - и будет казаться что едет велосипедист-невидимка… ночью можно посадить скелет, покрасив его светящейся краской…



  • Вот здесь в районе 1,20-1,30 можно видеть велосипед такой же конструкции - способный устойчиво ехать без седока:

    http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=-HBbnEwYqGI



  • Вот еще один такой же велосипед. Хорошо видно что преедняя вилка у него имеет некоторый наклон назад а не вперед как у обычных велосипедов:



  • еще одна теория наклона вилки:
    имеем к примеру наклон вилки 45 градусом, для чистоты исследования, на выходе получаем если руль повернуть на 15 градусов, колесо уже повернется на 20 градусов за счет проекции угла наклона… то есть соотношение будет составлять 75%



Похоже, подключение к veloufa было разорвано, подождите, пока мы пытаемся восстановить соединение.