Довольно распространенный вопрос, который волнует и детей, и взрослых – это почему велосипед не падает. Действительно, езда на велосипеде и умение держать равновесие видятся как некоторая фантастическая супер-способность. Устойчивость велосипеда объясняется несколькими фундаментальными физическими законами. Однако, всё ли так просто, как кажется на первый взгляд?
Содержание статьи
Постановка вопроса
Любой велосипедист начинает свой путь с того, что учится ездить на велосипеде. Велосипед сам по себе очень неустойчив. Даже самая широкая резина не придаст ему большей устойчивости. Для того, чтобы научиться кататься, нужно научиться держать равновесие на велосипеде. Что это значит? Это значит, что юный (или не очень) велосипедист должен настолько хорошо научиться взаимодействовать с великом, что в момент отклонения от точки баланса организм автоматически выполнит необходимое действие и велосипед поедет дальше. Если такое действие выполнено не будет, то велосипед вместе с ездоком упадет. Организм человека сам подбирает необходимый набор действий, что в результате некоторого количества тренировок приводит к формированию уверенного навыка катания на велосипеде.
Навык этот формируется в результате стандартных упражнений – крути педали, подруливай в сторону падения, держи руль крепче и т.д.
Если проанализировать каждое действие велосипедиста при движении, то каждое движение имеет глубокий физический смысл. Например, когда человек на велосипеде чувствует, что велосипед заваливается на бок, он начинает отклоняться в противоположный бок. Когда происходит замедление, при котором сохранять устойчивость сложнее, велосипедист набирает скорость. Этот цикл действий, которые порой остаются за гранью нашего сознания и держатся на рефлексах и позволяют велосипеду не падать.
Почему велосипед не падает с физической точки зрения
Если проанализировать всё, что было перечислено выше, то можно сделать вывод — велосипедист во время движения следует некоторым подсознательным установкам. Это и позволяет сохранять состояние равновесия. Как канатоходец с шестом, велосипедист держит баланс. В основе устойчивости велосипеда лежит два основных физических понятия. Если рассматривать вопрос с физической точки зрения, то велосипед не падает именно благодаря этим явлениям.
Первое физическое явление – это гироскопический момент. Для того, чтобы не влезать в сложную теорию и малопонятные формулировки, описание можно сильно упростить. Вспомните, что чем меньше скорость движения велосипеда, тем сложнее сохранять равновесие. Физика объясняет это появлением момента инерции на колесах велосипеда, которое способствует сохранению вертикального положения. Явление аналогично сохранению вертикального положения вращающегося волчка – юлы. Юла сохраняет равновесие пока вращается её «юбка».
Второе явление, которым объясняют устойчивость велосипеда – это подсознательное подруливание в сторону падения. Вспомните, как учат кататься на велосипеде. Учитель всегда говорит, что если вы падаете, то нужно поворачивать в сторону падения. Если проанализировать движение взрослого опытного велосипедиста, то и он постоянно подруливает рулем при движении. Только в отличие от ученика, это подруливание составляет всего 2-3 мм. Когда велосипед начинает подруливать, центробежная сила возвращает колёса в их обычное положение и велосипедист сохраняет равновесие. Стабилизирующий эффект оказывает особенность расположения рулевого стакана. Из статьи про раму велосипеда вы узнали, что рулевой стакан расположен под углом, отличным от прямого. В итоге, если ось вращения руля продлить до земли, то она упрется в поверхность земли чуть раньше, чем землю касается само колесо. Между этими осями образуется так называемый угол. Этот угол называется кастор.
Термин кастор используется во всей механике и автомобилестроении. Благодаря такой ориентации, поворот велосипедного руля практически выталкивает падающее колесо из крена и возвращает в положение равновесия. Образно это можно представить, как постоянное «выдергивание» руля с последующим перемещением колеса в нужное направление.
Классическая теория не объективна. Велосипед не падает из-за магии?
Казалось бы, описанная теория вполне состоятельна с логической точки зрения и имеет подтверждение. Однако, не так давно коллектив независимых исследователей провёл ряд экспериментов, которые заставили усомниться в полноте имеющегося объяснения.
Они создали специальный стенд – аналог велосипеда. Ему сделали совсем маленькие колёсики, момент инерции которых минимален, и свели «на нет» влияние кастора, т.е. расположили рулевую под перпендикулярным углом к земле. Кроме того, стендовый велосипед был оборудован двумя колесами, которые вращаются в противофазе с основными и тем самым заставляют нивелировать эффект гироскопа. По классическим представлением, катание на таком велосипеде невозможно. Однако, на опытном образце было вполне возможно передвигаться. Нельзя сказать, что пилот-испытатель был сильно рад таким конструктивным особенностям. Ехать и правда было значительно сложнее и удержаться в седле оказалось непросто. Но физически это было возможно. Следовательно, имеющаяся теория не объясняет в полной мере весь физический процесс.
Ученые предположили, что помимо описанных явлений гироскопа и специфического расположения рулевой, в устойчивость велосипеда вносит вклад и развесовка. Большая часть массы ездока приходится на заднее колесо, а переднее подруливает. Значит факт наличия кастора не столь принципиален, т.к. «морда» не полностью нагружена и легко поддается управлению.
Соответственно, не сегодняшний день ответить в полном объеме на вопрос «почему велосипед не падает» нельзя. Известно, что огромный вклад в устойчивость велосипеда действительно вносят эффект гироскопа и стабилизирующий эффект подруливания. Помимо этого, важна правильная развесовка. Сосредоточение большей части массы на заднем колесе делает велосипед легко управляемым. Кроме того, велосипедист своими сложными движениями, которые не всегда заметны со стороны, поддерживает равновесие всей конструкции.
Сочетание умения велосипедиста найти точку баланса и описанных физических принципов позволяет велосипедисту держать равновесие.
