Блог им. mikeПочему велосипед не падает?

Один мой товарищ, серфя интернет наткнулся на сайт с вечными вопросами, наподобие, почему лед скользкий. Там же была министатья со ссылкой на оригинальное исследование, почему же велосипед едет. Оказывается, большие дяди от науки, отвлекаясь от элементарных частиц и от священной нанофизики, уделяют время и этому вопросу. Они создали модель велосипеда свободную от двух самых больших «помощников»  велосипедиста: гироскопического эффекта и наклона вилки переднего колеса (кастора)… и даже эта модель оказалась стабильна!





Что такое устойчивость и зачем она нужна?
 
Велосипедист на покоящемся велосипеде изначально находится в состоянии неустойчивого равновесия. Любое возмущение приведет к выходу из неустойчивого равновесия  – в нашем случае на землю, где он будет пребывать, сколько захочет. Внизу примеры неустойчивого и устойчивого равновесий.

Но все меняется, когда велосипед едет. В этом случае, если велосипед захочет упасть, его переднее колесо поворачивается так, чтобы восстановить вертикальное положение. Причем, это возвращение заложено в саму физику велосипеда, так что райдеру, на самом деле, и делать ничего не нужно. Велосипед, разогнанный до определенной скорости (в статье приводится значение в 15-20 км/ч), может ехать в стабильном вертикальном положении и без велосипедиста.
Из-за того, что велосипед стабилен лишь в движении, но не в покое, можно сказать, что эта система устойчива динамически.

Что помогает велосипеду возвращаться в изначальное положение?

Два эффекта, вносящих наибольший вклад – это гироскопический эффект и кастор переднего колеса.

Гироскопический эффект – эффект, возникающий во вращающихся системах, обладающих определенным угловым моментом, когда пытаются изменить направление оси вращения. Сила, возникающая в таком случае, называется гироскопической силой. Гироскопический эффект нетривиально объяснить, но его легко почувствовать. Самый простой эксперимент, который каждый из вас может поставить в домашних условиях, – это взять колесо велосипеда за ось, раскрутить и попробовать помахать им в воздухе. Вы почувствуете силу. Причем, чем больше раскрутите колесо, тем больше сила. На этой же силе основана тренировка с powerball, только система там немного оптимизированнее. Когда вы наклоняете велосипед – наклоняется и ось переднего колеса, колесо за счет гироскопического эффекта поворачивает в сторону наклона.
 
Кастор в нашей литературе – это угол наклона оси поворота автомобиля. Там это: casteeffect, castor и т.д. Наш угол наклона рулевой – тот же кастор.

Существование кастора приводит к тому, что точка контакта переднего колеса находится за воображаемой точкой пересечения линии вилки и земли. Это приводит к так называемому «следу» или trail переднего колеса. Эффект от такой геометрии вы можете наблюдать на тележках в ашанах: колесо всегда стремится волочиться за тележкой. При стабилизации это проявляется в том, что при наклоне велосипеда переднее колесо стремится «провалиться» в сторону наклона велосипеда, тем самым, поворачивая колесо в сторону

А что если?..

А что если убрать эти два эффекта? J. D. G. Kooijman, J. P. Meijaard, Jim M. Papadopoulos,  Andy Ruina, и A. L. Schwab собрали модель велосипеда, в которой оба эффекта отсутствуют – two-mass-skate (TMS).

Они сильно уменьшили след колеса и перевернули его задом наперед, уменьшили размеры колес и добавили вторичные, которые крутятся в другую сторону, чтобы исключить гироскопический эффект.

И как видно из видео, модель все еще оказывается стабильной! 



Выводы

А выводы достаточно размыты. Во-первых, если исключить кастор и гироскопический эффект, то силы, которые могут стабилизировать велосипед, должны возникнуть из взаимодействия колеса с поверхностью при движении. Во-вторых, хоть кастор и гироскопический эффект и не обязательны, их нельзя рассматривать изолированно, т.к. со слов авторов можно построить системы, которые при наличии только одного из эффектов окажутся нестабильными на любых доступных человеку скоростях. Т. е.  для стабильности важно взаимодействие этих двух эффектов. Это значит, что нет универсальных схем для всех типов байков, что дает большой простор для производителей и маркетинга.

Ps
. Когда разбирался в этой статье, наткнулся на обширную статью на EnWiki про вело- и мотодинамику, о том, какие силы влияют на движение байка, про разные эффекты, геометрии и т.д. с количеством ссылок > 50. При желании могу пересказать ее по частям сюда.
 
  • Поделиться
  • добавить в избранное
    1
  • +48
  • Мнения

Комментарии (30)

+2
Очень интересно, а разве можно исключить гироскопический эффект применив два противоположно вращающихся колеса, закрепленных в одной обойме? По моему, если оси колес параллельны и вращаются они в одной плоскости, то все равно в каком направлении они вращаются — эффект гироскопа остается. Если я не прав, то где?
Ага, вроде сам нашел, где ошибся)
avatar

AlekseyBolhovitin

0
да, полностью исключить гироскопический эффект в их схеме не получится, но для них это достаточно. еще сильно влияет на эффект размер колес и масса. тут они по сравнению с самой системой вообще маленькие и легкие.
avatar

mike

0
На самом деле иногда полезна почитать такие статейки! Конечно не всё сразу укладывается в башке… ну всё равно информация я считаю полезная и нужная. Автору спасибо… почитал кое что уяснил для себя.
avatar

Jin1

+1
Я нихрена не понял. Пойду посплю.
avatar

DennyBurdo

+2
триалисты опровергают необходимость гироскопического эффекта ))
а вообще интересно посмотреть на, казалось бы, банальные вещи с научной точки зрения
avatar

TrialGroup

+3
триалисты вообще опровергают)
avatar

mike

+6
британскими учёными ещё в 1934 году было установлено, что велосипед, равно как и любое иное двухколёсное транспортное средство, не падает, потому что не хочет.
avatar

dimon_ra

+6
И это истина, аминь. И незачем мучать свой мозг никому не нужными обоснованиями — просто не хочет падать и не падает. Причем иногда велосипед не хочет падать даже больше, чем райдер)))
avatar

Kapusta

0
Что именно эти господа подразумевали под «кастором» неясно. Возможно им неправильно кто-то объяснил принцип действия такой стабилизирующей системы.
Гидроскоп-ий эффект то убрали, а вот так называемый «кастор» — нет.
Мало того, длинная трубка (я так понял имитация р/у) создаёт дополнительную прижимную силу благодаря своему весу, что так же стабилизирует вектор инерции. Чем больше веса на переднем колесе — тем больше сила стабилизации (в данном случае — сила, препятствующая повороту колеса).
avatar

IgorD

0
Прошу прощения, но вектор инерции это что-то самопальное, такого понятия среди общепринятых нет.
Длинная палка поднимает центр масс и смещает его в сторону переднего колеса, делая систему еще более неустойчивой. А вот что она имитирует — не знаю, мне кажется они экспериментировали с разным положением центра масс, и конструкция из соображений удобства в подстройке сделана такой.
avatar

m12sl

+1
бинго, two-mass-skate у них подразумевает две массы закрепленные одна между колес, другая на той самой палке спереди. по поводу разгрузки и загрузки переднего колеса: есть такая неустойчивость переднего колеса, как шимми или вобблинг
ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B1%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3
это тот же эффект, как на поломанной тележке ашана переднее колесо начинает жутко мотать из стороны в сторону при езде вперед.
тут конечно, нужно оригинальные статьи читать, но эта неустойчивость неоднозначно реагирует на загрузку перднего колеса.
avatar

mike

0
Похоже как раз для устранения вобблинга у них штанга с грузиками на переднем колесе.
Вообще забавная система с точки зрения теормеха)
avatar

m12sl

0
считай, кастор = угол наклона рулевой. влияние кастора они уменьшили почти до нуля примерно таким же образом, как если бы угол рулевой был 90 градусов
avatar

mike

0
Странно, что кастором объясняют, ну или пытаются объяснить, устойчивость, хотя есть примеры когда он не нужен. *унициклы и совсем старинные велики, которые еще с одним большим колесом*

Да и на маленьких скоростях гироскопических эффектов нет, однако все нормально ездит.
Странные ученые вобщем.
avatar

m12sl

0
Лех, наверное, чтобы нам это целиком разобрать, надо сесть и не один лист бумаги исписать, но факты таковы, что кастор работает. Машины проектируют так же с учетом кастора, но там этот угол на столько мал, что нам кажется, что оси перпендикулярны земле.
Я тут недавно катался на snake board, тот, что с двумя колесами, и там этот кастор чувствуешь собственными ногами! Там колесики от тележек поставлены под такими углами, что при наклонах доска не опрокидывается, а поворачивает, даже если не производить движений задницой, характерных для такого вида транспорта)
зы. да, кстати, в уницикле важно само пятно контакта с поверхностью. мне кажется, что и ответ на устойчивость велосипеда лежит там же, но это я понимаю только качественно, и то отдельно надо писать
avatar

mike

+1
они британские небось ;)
avatar

kuzlich

+7
я не совсем понимаю дуремарства особей от науки:
у моего сына есть самокат — колеса маленькие => г эффект минимален на малых скоростях вращения; рулевая колонка перпендикулярна земле => этого их к эффекта нет. чем не объект для исследования? нет — надо какую то вундервафлю делать.
кстати на том самокате без рук я ехать не могу;)
avatar

dogmeat

+1
вот это кстати интересно будет, можно ли будет разогнать самокат так, чтобы он сам поехал и не падал некоторое время)
по поводу вундервафли: часто бывает легче сделать заново, чем переделать готовое… а часто наоборот) но тут видимо кому-то нужно было защищать степень и для этого нужно было создать эффект занятости, что чел что-то сам сделал. это прибавит вес словам. плюс, настроечки, дополнительные степени свободы и т.д.
avatar

mike

+1
Тоже хотел написать про унисайкл.
Согласен, странные учёные.
Про вектора — учите физику.
Вообще, любое колесо, как система, устойчиво, при условии, что сила инерции больше внешних сил, действующих на колесо (ветер, толчок. сопр. качению и т.д.) и вектор совпадает с направлением движения.

А что до кастора — анализируя фото (с ногами на заднем плане), сразу видно — кастор присутствует. Трапецеидальный профиль стабилен всегда.
avatar

IgorD

0
говорить «учите физику» преподавателю физики немного ржачно:)
avatar

misterdx

0
Про физику адресовано было автору комментария.
Читайте внимательно впредь.
avatar

IgorD

0
ну я вообще-то и говорю про автора комментария)
avatar

misterdx

0
Не хочу обижать, но давайте договоримся что есть что?

Сила инерции — фиктивная сила, возникающая при переходе из одной системы отсчета в другую, двигающуюся с ускорением.
(фиктивная, ибо нет тела которое ее создает и для нее не выполняется третий закон Ньютона, т.е. нет равной и противоположно направленной силы противодействия и бла-бла-бла)

Давайте рассмотрим подвешенное за покоющуюся ось колесо. У колеса есть только одно выделенное направление — вдоль оси (ну или против). Момент инерции связанный с вращением колеса направлен вдоль этого направления.
Какой вектор же движения у вращающегося колеса?
Представьте и попробуйте нарисовать, но только осмысленно, все-таки у вектора движения есть некоторый смысл.

Однако наклонить ось раскрученного колеса трудно — вам что-то будет мешать. Вот только не сила (от того что колесо крутится или нет никаких дополнительных сил не возникает), а момент инерции. А наклонять ось вы будете тоже не силой, а создавая момент сил.

Если интересно, давайте в личке пообсуждаем, дабы тут не разводить безвелосипедный околошкольный спор.
avatar

m12sl

0
Хлеба и зрелищ!
Скандалы, интриги, расследования!

За одно и окружающие «прокачаются».
avatar

KPAnuBA

0
Спрашивайте свои ответы!

Не люблю людей тыкать в откровенные ошибки.
А вот побеседовать в ключе «Что такое, откуда берется и к чему приводит» можно)
avatar

m12sl

0
О, сколько нам открытий чудных… Кстати, новость старая, они это месяца два или даже раньше опубликовали.
avatar

AleksandrSimonov

0
А как же летающие тарелки-инерциоиды третьего рейха?)
avatar

AlekseyMotokot

+3
Кстати, эта статья (аррригинал, имеется в виду), яркий пример информационной избыточности. Проще провести свое исследование, чем искать в пыльных (интернет-) архивах работы предшественников, если не ошибаюсь, то же британских(?!?)
И грант, заодно можно получить. В 1970 году была опубликована известная работа David E. H. Jones про стабильность велосипеда. Он, аналогично, устанавливал дополнительные колеса и вращал их всяко, менял параметры вилки и т.д. и т.п.
Вообще про устойчивость и эксперименты с ней можно посмотреть в книжках: Любовицкий «Гоночные велосипеды» — несколько мудренная и устаревшая и новая — «Современный велосипед», 2009г., 2е издание, стр.217-235 — подробно и логично
avatar

Zimovik

0
оо, спасибо за наводку, почитаю
avatar

mike

комментарий был удален

Комментировать


Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь. Сделайте что-нибудь.