Моменты сила которые действующие для движения велосипеда. Физика велосипеда. Почему велосипед не падает? Также читать на эту тему
Если задавать вопрос "почему велосипед не падает?" всем подряд, то большинство, скорее всего, не смогут ответить на него. Просто пожмут плечами. Меньшая часть, считающая себя технически грамотными людьми, ответит, что это, вероятно, из-за эффекта гироскопа. И, наверно, будут удивлены, узнав, что гироскоп не имеет к этому никакого отношения, это показал эксперимент в котором нивелировали этот эффект, а велосипед продолжал ехать. И лишь незначительное меньшинство ответит правильно. Итак, почему не падают велосипедисты?
Велосипед не падает из-за центробежной силы
Для сохранения равновесия любого тела необходимо, чтобы перпендикуляр, опущенный из центра его тяжести, не выходил за площадь опоры. Чем меньше последняя, тем менее устойчиво положение.
Площадь опоры велосипеда предельно мала – по сути, она представляет собой прямую линию, проведенную между точками касания колесами земли. Поэтому велосипед (с велосипедистом или без него) не может стоять, находясь в неподвижном положении. Но при движении устойчивость чудесным образом возвращается к нему. Почему это происходит?
Все дело в центробежной силе, которая возникает при подруливании. Если движущийся велосипед начинает наклоняться в какую-нибудь сторону, велосипедист слегка поворачивает руль в сторону наклона, заставляя машину поворачиваться. При этом возникает центробежная сила, направленная в сторону, противоположную наклону. Она-то и возвращает велосипед в вертикальное положение. Двухколесный велосипед не способен ехать строго по прямой. Если его руль зафиксировать в неподвижном положении, он обязательно упадет, потому что исключается возможность подруливания.
Этот процесс – отклонение от вертикали и возвращение к ней – происходит непрерывно. Велосипедист даже не задумывается о том, что происходит. Его руки автоматически совершают подруливание, которое необходимо для сохранения вертикального положение. К слову сказать, именно в приобретении автоматизма подруливания и состоит обучение езды на велосипеде.
Конструкция велосипеда и поддержание равновесия
Конструкция рулевой колонки и передней вилки велосипеда облегчает автоматическое поддержание равновесия. Ось рулевой колонки (передней вилки) проходит не вертикально, а наклонно к земле. Точка ее пересечения с грунтом располагается впереди того места, где переднее колесо соприкасается с дорогой. Такая схема способствует тому, что если переднее колесо случайно отклоняется от среднего положения, сразу возникает момент реактивных сил, который возвращает его на место.
При наклоне велосипеда реакция опоры переднего колеса, которая приложена в точке его касания с землей и направлена вверх, автоматически поворачивает колесо в сторону наклона. Возникает центробежная сила и велосипед возвращается в вертикальное положение.
Для лучшего понимания этого процесса, нужно просто принять во внимание, что схема сил, действующих на переднее колесо велосипеда, является примерно такой же, как и у тележек с вращающимися колесами. В какую сторону тележку не толкать, колеса автоматически поворачиваются в нужном направлении. Кстати, именно эта особенность конструкции велосипеда обеспечивает возможность езды, не держась руками за руль. Велосипед самостоятельно поддерживает равновесие. А чтобы выполнить поворот, достаточно сместить центр тяжести своего тела в сторону.
Степень способности конкретного велосипеда поддерживать динамическое равновесие определяется конструкцией его рулевой колонки и вилки. Главный параметр здесь – расстояние от точки соприкосновения переднего колеса с землей, до точки пересечения оси рулевой колонки (передней вилки) с грунтом. Как уже говорилось, последняя находится впереди первой. Реактивный момент, действующий на колесо при его повороте, будет тем выше, чем больше это расстояние. Для оптимальных динамических характеристик велосипеда требуется не самый большой, а строго определенный реактивный момент. Слишком малый уменьшит автоматическое поддержание равновесия, чрезмерно большой – приведет к возникновению «шимми». Поэтому наклон оси рулевой колонки и параметры передней вилки при проектировании велосипеда выбираются очень тщательно.
Что такое «шимми»
При высокой скорости (выше 30 км/час) переднее колесо велосипеда может начать самопроизвольно вилять вправо-влево. Это явление, которое, кстати, имеет место и в авиации, называется «speed wobbles» или «шимми». Причина его заключается не в неисправности велосипеда (плохой сборке или ослаблении креплений), а в том, что возникает резонанс переднего колеса. «Шимми» очень опасно в том случае, когда велосипедист едет «без рук», то есть не держится за руль. Чтобы погасить возникший резонанс, нужно снизить скорость или изменить позу.
Велосипед – энергоэффективней
По затратам энергии на единицу преодоленного расстояния велосипед эффективней не только ходьбы, но и езды на автомобиле. При движении велосипеда со скоростью 30 км/час тратится 15 ккал на 1 км. Ходьба со скоростью 5 км/час приводит к сжиганию 60 ккал на 1 км. То есть по энергозатратам на единицу расстояния движение на велосипеде в 4 раза эффективнее ходьбы.
… и функциональней
Если рассматривать езду на велосипеде с точки зрения спортивной нагрузки, то она тоже оказывается предпочтительней ходьбы. Катание на велосипеде отнимает 450 ккал в час, в то время как при ходьбе тратится только 300 ккал. Конечно, физическую нагрузку можно увеличить, перейдя с шага на бег. Но в этом случае возрастает нагрузка на колени и голеностопные суставы, что нежелательно, поскольку со временем может привести к травме этих проблемных мест.
Когда женщины быстрее
Тренированный мужчина, даже не будучи профессиональным спортсменом, может длительное время развивать мощность 250 Вт или 0,33 л. с. При езде на велосипеде по ровной дороге это примерно соответствует скорости 30 км/час. Женщины не могут развивать такой мощности, как мужчины, но в расчете на единицу веса их энергетические показатели превосходят мужские. При езде по ровной дороге, когда вся мощность тратится в основном на преодоление сопротивления воздуха, женщины едут медленнее, чем мужчины. Зато при езде в гору, когда энергия тратится на преодоление силы тяжести, они способны ехать быстрее сильной половины.
Моменты сил при движении велосипеда.
Двухколесный велосипед при движении не падает, потому что тот, кто на нём едет постоянно поддерживает равновесие. Площадь опоры велосипеда небольшая – это прямая, которая проведена через точки касания колёс велосипеда с землёй. Поэтому велосипед находится в состоянии динамического равновесия. Достигается это при помощи подруливания: при наклоне велосипеда, человек поворачивает руль в ту же сторону. После этого велосипед поворачивает, при этом центробежная сила возвращает велосипед в начальное вертикальное положение. Процесс подруливания, чтобы удержать равновесие происходит непрерывно, поэтому движение велосипеда не прямолинейное. Если руль зафиксировать, то велосипед упадёт. Существует зависимость скорости и центробежной силы. Чем выше скорость, тем большее значение у центробежной силы и соответственно меньше необходимо отклонять руль для поддержания равновесия.
Чтобы повернуть, необходимо наклонить велосипед в сторону так, чтобы сумма центробежной силы и силы тяжести проходила через линию опоры колёс. Если это не так, то центробежная сила опрокинет велосипед в другую сторону. Для облегчения поддержания равновесия конструкция рулевого управления велосипеда имеет свои особенности. Ось рулевой колонки наклонена назад, а не расположена вертикально. Она проходит ниже оси вращения колеса и впереди точки, где колесо велосипеда касается земли. Благодаря такому виду конструкции достигаются цели:
Устойчивость велосипеда при торможении.
Во время торможения при езде на велосипеде, главное сохранять равновесие. Торможение не менее важный момент, чем сама езда, а скорей всего самый важный, потому что от этого зависит здоровье велосипедиста. Если знать теорию поведения велосипеда в момент торможения можно намного уменьшить количество синяков и шишек (к сожалению без этого всё равно не обойтись).
Что такое торможение
С определением всё понятно. В энциклопедиях написано, что “тормозить – это замедлять движение с помощью тормоза”. Но ведь вся штука заключается в том, что обычно всех не очень интересует чем замедлять (хотя и об этом надо бы упомянуть), Обычно всех интересует, как замедлять движение (давишь на рычаг и всё), а не чем его замедлять в определённой конкретной ситуации на дороге. Можно попытаться расписать много теоретических советов на все возможные ситуации на дороге, но всегда есть исключения из правил и рано или поздно велосипедист оказывается в той ситуации, когда рекомендаций не хватает. Самое главное, чтобы торможение при езде на велосипеде было доведено до автоматизма, ведь в экстренных случаях размышлять как сделать правильно и вспоминать теорию просто нет времени. Принять правильное решение помогает интуиция, но также надо знать некоторые теоретические правила поведения велосипеда в момент торможения.
Накат велосипеда.
Накат велосипеда зависит от различных факторов: характеристик рамы, амортизаторов, диаметра колеса, покрышек, давления в камерах, общего веса велосипеда и многих других. Накат нельзя измерить цифрами. Опытные велосипедисты могут его прочувствовать и оценить. Для любителей разница особенно видна, если они меняют например недорогой велосипед на более дорогой и высококачественный.
Отчего зависит накат велосипеда
Рама. Есть выражение “накатистая рама”. Но, ощутить разницу между “ненакатистой” и “накатистой” рамой очень сложно, потому что явно заметные особенности характерны только очень дорогим моделям. Рамы, изготовленные из дорогих материалов, имеют свойство поглощать толчки и вибрации. Более удлиненные конструкции рам помогают велосипедисту занять на велосипеде более аэродинамичную посадку, что позитивно влияет на накат. Но, на обычном велосипеде накат от рамы зависит не так значительно, как от других компонентов.
Размер колёс. Один из главных определяющих факторов, влияющих на накат велосипеда. Колёса больших размеров на 28 или 29 дюймов проходят расстояние быстрее, чем 26 дюймовые, поэтому велосипед с ними более накатистый. Популярные сейчас найнеры, с 29 дюймовыми колёсами обладают этим качеством.
Протектор покрышки. Лучше всего катится гладкая узкая резина без протектора. Хуже всего широкая агрессивная покрышка с высоким рисунком протектора.
Физические силы, действующие при езде на велосипеде
Так как классический велосипед имеет два колеса, то велосипедисту для того, чтобы он ехал, постоянно необходимо поддерживать равновесие и преодолевать различные силы, которые возникают в процессе движения. То, что конструкция велосипеда несложная, это не значит, что всё так просто. Физические силы, действующие при езде на велосипеде основаны на фундаментальных законах науки. Рассмотрим основные силы, которые действуют при езде на велосипеде.
Внешние силы.
1. Сила тяжести (гравитация). Гравитация – одно из четырёх фундаментальных явлений в природе. Объясняется законом Ньютона. Сила, с которой она действует, прямо пропорциональна массе тела велосипедиста. Чем больше вес велосипедиста, тем сильней сила гравитации. Она действует на велосипедиста и компоненты велосипеда перпендикулярно к поверхности земли. Сила её действия возрастает при подъёме на велосипеде в гору и соответственно уменьшается при спуске.
2. Сила сопротивления воздуха. Аэродинамические силы, действующие на велосипедиста в основном складываются из сопротивления воздуха и встречного или бокового ветра. При средней скорости и движении по ровной поверхности аэродинамическое сопротивление является наибольшей силой, которая препятствует движению вперёд. При дальнейшем увеличении скорости, аэродинамическое сопротивление становится подавляющим, и своей величиной намного превосходит все остальные силы, которые препятствуют движению вперёд.
Аэродинамические тесты в велоспорте
Когда усовершенствование технических характеристик велосипеда достигло определённого предела и разницы в показателях отдельных компонентов различных производителей практически не стало, обратили внимание на сопротивление воздуха, которое велосипедист преодолевает при езде. Этот показатель имел внушительное цифровое значение, поэтому здесь было над чем поработать. Как в самолётостроении и автомобильной промышленности для тестов, как встречный поток воздуха действует на велосипедиста используют аэродинамическую трубу. Это дорогостоящее устройство помогает определить взаимодействие объекта (велосипедиста) с потоком вохдуха, а также определить действующую силу в численном значении. Во время тестов определяется оптимальная посадка велосипедиста, а также коэффициент сопротивления встречному потоку воздуха отдельных частей велосипеда и экипировки спортсмена.
Конструкция аэродинамической трубы представляет собой комнату, с одной стороны которой установлены вентиляторы большой производительности, они и создают поток воздуха, имитирующий встречный ветер, скорость которого регулируется изменением мощьности электродвигателей, вращающих лопасти вентилятора
Долговечность рамы велосипеда
В процессе эксплуатации велосипеда на раму действуют нагрузки, которые многократно повторяются. Эти циклические нагрузки возникают от неровностей дорожного полотна: ямы, кочки, выбоины в асфальте и др. Когда в различных конструкциях начали использовать алюминиевые сплавы (особенно в авиации и космонавтике), то проведённые исследования показали, что однократная нагрузка не вызывает деформаций и разрушения материала, но определённое количество циклов нагрузок в материале конструкций вызывало деформацию, трещины и последующее за этим разрушение. Это явление характеризуется термином “усталостное разрушение“. Количество циклов нагружения, которое приводит к разрушению назвали “усталостной долговечностью“.
Те же исследования показывали, что наличие трещин, вмятин, отверстий, сварных швов в наиболее нагруженных местах конструкции снижает долговечность самой конструкции на порядок. Такая тенденция называется “локальная концентрация напряжения“. Даже небольшое отверстие в конструкции способствует увеличению напряжения рядом с собой как минимум в 2 раза, а царапина достаточной глубины в 5-6 раз. Трещина повышает локальное напряжение до предела текучести и поэтому планомерно увеличивается с возрастающей скоростью.
Велосипед становится всё более популярным транспортным средством в наши дни, когда автомобилей стало настолько много, что они мешают существованию друг друга. Велосипеды имеют многочисленные преимущества по сравнению с автомобилями, посему во многих европейских странах считаются едва ли не основным средством передвижения. Растёт популярность двухколёсных друзей и в нашей стране.
Велосипед - это не только средство передвижения, но и сложная механическая система, которая работает по фундаментальным законам физики. Все велосипеды , вне зависимости от типа, марки, модели и стоимости, заставляют своих наездников преодолевать различные силы. Во время езды велосипедист сталкивается с двумя основными силами - это гравитация и аэродинамика. Сила земного притяжения прижимает велосипедиста с его транспортным средством к земле. При этом вектор действия силы направлен строго перпендикулярно поверхности земли. Сила гравитации тем больше, чем тяжелее весит велосипед вместе со своим наездником. Она оказывает большое влияние на те усилия, которые приходится прикладывать велосипедисту при езде на своём двухколёсном транспортном средстве. Если масса тела и вес велосипеда меньше, то и ездить будет гораздо проще, а, значит, езда подарит больше приятных ощущений. Хотя, для кого-то велосипед - это тренажёр для сжигания калорий.
Второй фундаментальной физической силой, которую приходится преодолевать велосипедисту во время движения, является аэродинамика. В сущности, это сила сопротивления встречного воздушного потока, которая нарастает по мере увеличения скорости движения. Чем быстрее движется велосипедист, тем больше сила сопротивления воздуха. Помимо встречных воздушных потоков на велосипед могут действовать и боковые ветра, что ещё больше усложняет движение и заставляет прикладывать дополнительные силы. Преодолевать аэродинамические силы при езде на большой скорости по ровной дороге не просто - для этого нужна отличная физическая подготовка. Если таковой нет, то лучше приобрести велосипед с электроприводом, который позволит ездить на двух режимах - механическом и автоматическом. Надо отметить, что при механической езде тратится гораздо больше энергии и сил, чем на автоматическом режиме. С целью экономии заряда аккумулятора ездить на электроприводе лучше не постоянно, а только на тех участках, которые особенно трудно преодолевать своими силами (подъёмы вверх, пересечённая местность и так далее).
Одним из наиболее излюбленных видов активного отдыха является прогулка на велосипеде. Кроме того, что велосипед позволяет укрепить и развить различные мышцы (мышцы ног, рук, спины и живота), это ещё и средство увидеть местные достопримечательности или, просто, поднять себе настроение, катаясь на нем всей семьёй или с друзьями. Однако, велосипед при неумелой езде может служить причиной получения синяков и ссадин. Особенно при езде на большой скорости во время поворота. Давайте попробуем разобраться, что нужно делать, чтобы безопасно проходить повороты во время езды на велосипеде.
При вращении педалей велосипеда усилие велосипедиста передаётся колёсам, поэтому они начинают вращаться. Шины велосипеда взаимодействуют с поверхностью дороги. Силами этого взаимодействия являются сила реакции опоры и сила трения, именно последняя является причиной движения велосипеда, а также оберегает велосипед от заноса во время поворота. Чем больше сила трения между шинами велосипеда и дорожным покрытием, тем уверенней и надёжней будет езда, особенно на поворотах. Максимальная сила трения – сила трения скольжения, она определяется формулой:
где – коэффициент трения, а N – сила реакции опоры, направленная вертикально вверх.
Во время поворота велосипед движется по дуге, имеющей некоторый радиус R (см. вид сверху). При этом скорость велосипеда направлена по касательной к траектории, а центростремительное ускорение и сила трения , удерживающая велосипедиста, направлены к центру дуги. Согласно второму закону Ньютона:
Учитывая, что сила тяжести направлена вертикально вниз, а центростремительное ускорение равно,
получим, что минимальный возможный радиус дуги рассчитывается по формуле:
Коэффициент трения резины находится в интервале от 0,5 до 0,8 для сухого асфальта и в интервале от 0,25 до 0,5 для мокрого асфальта. Поэтому при движении со скоростью 15 км/ч (примерно 4,2 м/с) безопасным будет поворот по дуге радиуса R= 4,2 2 / (0,5·9,8) = 3,6 м (сухой асфальт) и R= 4,2 2 / (0,25·9,8) = 7,2 м (мокрый асфальт).
Следует также отметить, что для сохранения равновесия при повороте нужно немного наклонять велосипед в сторону поворота.
По предложенному методу мы предлагаем вам рассчитать:
- радиус дуги безопасного поворота при скорости 24 км/ч на сухой грунтовой дороге (коэффициент трения 0,4) и на льду (коэффициент трения 0,15);
- угол α наклона велосипеда для сохранения равновесия при повороте на той же скорости, учитывая, что центробежная сила приложена к центру масс велосипеда.
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 движущегося велосипеда 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/ч) 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 езды 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. Необходимо учитывать, что ударные нагрузки при беге, а также неправильная езда на велосипеде (например, езда в гору на высоких передачах, переохлаждение коленей, отсутствие достаточного количества жидкости и т.д.) могут травмировать 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/ч по ровной дороге. Женщина может развивать меньшую абсолютную 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.
По материалам Википедии
