Почему велосипед не падает?

Сообщение №11989 от drevnij 09 июля 2002 г. 10:49
Тема: Почему велосипед не падает?

Почему двухколесный велосипед устойчив при движении, хотя площадь опоры очень мала? Если бы я никогда не видел велосипедов, то, пожалуй, не поверил бы в их существование.


Отклики на это сообщение:

> Почему двухколесный велосипед устойчив при движении, хотя площадь опоры очень мала? Если бы я никогда не видел велосипедов, то, пожалуй, не поверил бы в их существование.

Сохранение момента импульса вращающихся колёс.


Takie temy na etom forume chasto razrastajut'sia iz-za togo chto mnogie liudi ne ponimajut dostatochno prostyh voprosov i vsegda rady potrepat' jazykom.

Chtob zaviazat' s etoj temo srazy, otsylaju na dostatochno detal'noe ob'jasnenie dinamicheskoj ustojchivosti velosipeda, kotoroe javliaet'sia pravil'nym (anglijskij jazyk). Nado vybrat' topik "bicycles".
http://howthingswork.virginia.edu/

http://howthingswork.virginia.edu/


> Почему двухколесный велосипед устойчив при движении, хотя площадь опоры очень мала? Если бы я никогда не видел велосипедов, то, пожалуй, не поверил бы в их существование.

Потому, что вращающиеся колеса являются гироскопами и препятствуют изменению ориентации осей.
В случае падения должна измениться именно ориентация осей колес.
Именно по этому на скорости не возможно осуществить поворот велосипеда с помощью руля. А поворот осуществляется наклоном корпуса, с приложением усилия велосипедиста.
В политехническом музее демонстрируется опыт вращения велосипедного колеса, подвешенного за один конец оси.
При вращении, колесо само переходит в вертикальное положение.

Группа Естественной Физики


U kole"s otnositel'na malen'kij moment poetomu izmenenie kineticheskogo momenta ne dobavliaet mnogo ustojchivosti.

>Именно по этому на скорости не возможно осуществить поворот велосипеда с помощью руля

I na skorosti, i ne na skorosti velosipedist povorachivaet _rule"m_.

Poniat' kak proishodit povorot "bez ruk" tiazhelee. Chelovek izmeniaet uslovija dinamicheskoj ustojchivosti naklnoniaj velosiped (no ne sdvigaja centra mass). Pri etom ochen' vazhna naklone"nnaja vilka. Bez naklone"nnoj vilki nikto ezdit' "bez kuk" ne mozhet

Idi chitaj ssylku.


> U kole"s otnositel'na malen'kij moment poetomu izmenenie kineticheskogo momenta ne dobavliaet mnogo ustojchivosti.

> >Именно по этому на скорости не возможно осуществить поворот велосипеда с помощью руля

> I na skorosti, i ne na skorosti velosipedist povorachivaet _rule"m_.

> Poniat' kak proishodit povorot "bez ruk" tiazhelee. Chelovek izmeniaet uslovija dinamicheskoj ustojchivosti naklnoniaj velosiped (no ne sdvigaja centra mass). Pri etom ochen' vazhna naklone"nnaja vilka. Bez naklone"nnoj vilki nikto ezdit' "bez kuk" ne mozhet

> Idi chitaj ssylku.

1. Не "иди", а "идите".
2. Где численное обоснование? Неужели так сложно прикинуть?

Группа Естественной Физики


> > Почему двухколесный велосипед устойчив при движении, хотя площадь опоры очень мала? Если бы я никогда не видел велосипедов, то, пожалуй, не поверил бы в их существование.

> Сохранение момента импульса вращающихся колёс.

Велосипед не падает точно по той причине , почему вы не падаете, стоя на одной ноге, напрмер!


> Велосипед не падает точно по той причине , почему вы не падаете, стоя на одной ноге, напрмер!

V osnovnom da. No ismenenie kinteicheskogo momenta igraet rol', no ne bol'shuju, dlia velosipeda. Dlia motocikla bol'she. Eto pridae"t nemnogo stabil'nosti.

Tak zhe otlichie velosipeda ot stojanija na noge v tom chto vremmennye harakteristiki drugie. Dlia kontrolia velosipeda mozhno namnogo rezhe podavat' kompensirujuschie signaly, osobenno na skorosti.

Voobsche naverno dinamicheskoj stabiol'nosti na skorosti net (pro stojanii tem bolee) - na tom web-sajte oshibka. Tak kak velosiped vse" ravno padaet bez velosipedista, no ochen' medlenno.


> Почему двухколесный велосипед устойчив при движении, хотя площадь опоры очень мала? Если бы я никогда не видел велосипедов, то, пожалуй, не поверил бы в их существование.

Начнем с того, что обыкновенное колесо катится само по себе достаточно устойчиво: при наклоне в какую-либо сторону оно не падает под действием силы тяжести, а поворачивает в сторону наклона и едет по дуге. Этот эффект называется гироскопическим (Подробнее в книге: Кл.Э.Суорц "Необыкновенная физика обыкновенных явлений", том 1, М., Наука, 1986, глава 8.).
Существует много гипотез, объясняющих устойчивость движения системы гонщик - велосипед. Остановимся на некоторых из них.

Гипотеза 1. Гипотеза предполагает обеспечение устойчивости движения только за счет принудительного перемещения центра масс системы путем изменения положения тела гонщика относительно точек опоры колес. Типичными примерами, подтверждающими эту гипотезу, служат езда на велосипеде с заклиненной рулевой колонкой или цирковой трюк езды на велосипеде по жесткому прямолинейному профилю под куполом цирка с применением поперечно-расположенного шеста, гантелей и других массивных вспомогательных средств.

Наиболее достоверно подтверждают данную гипотезу приемы обеспечения устойчивости при движении велосипеда в узкой колее разбитой дороги или при попадании колес велосипеда во время гонки в желоб трамвайного рельса. При этом система выходит из равновесия и отклоняется от вертикальной плоскости. Для возвращения системы в равновесие и обеспечения устойчивости движения гонщик выполняет маневр, состоящий в том, что он преднамеренно отталкивается от велосипеда в сторону, противоположную первоначальному отклонению, перенося центр масс в плоскость, в которой расположена точка опоры.

Гипотеза 2. Эта гипотеза предлагает обратное действие, т. е. изменение положения точек опоры системы гонщик - велосипед на поверхности дороги.

Аналогов подобного действия в практике повседневной жизни встречается немало. Например, для обеспечения устойчивости карандаша, вертикально стоящего на кончике пальца, достаточно сместить точку его опоры. Обеспечение устойчивости такого вертикально стоящего стержня является полной аналогией сюрпляса, когда за счет разворота переднего колеса гонщику удается находить для него такое положение на полотне трека, что центр масс системы остается в вертикальной плоскости, проходящей через точки контакта переднего и заднего колес с поверхностью трека.

Гипотеза 3. Эта гипотеза связана с особенностью конструктивного решения узла передней вилки велосипеда и диаметром переднего колеса. Практические испытания различных конструкций показали, что из всего их многообразия можно выделить такие решения, которые определяют устойчивость направленного движения системы гонщик-велосипед. Принципиально важным для конструкции рамы велосипеда является угол наклона оси рулевой колонки и изгиб передней вилки.

Устойчивость системы достигается почти во всех случаях, за исключением тех, когда совпадают точка пересечения оси рулевой колонки с поверхностью дороги (точка А) и точка пересечения плоскости дороги и вертикали, проходящей через ось переднего колеса (точка В), или точка В находится спереди точки А по направлению езды велосипеда.

Езда без рук на таком велосипеде невозможна, а нормальная управляемая рулем езда крайне затруднительна. Минимальное внешнее воздействие выводит систему из равновесия, и быстро нарастающий опрокидывающий момент приводит к падению.

Гипотеза 4. Устойчивость системы обеспечивается гироскопическим эффектом. Первое правило при обучении езде на велосипеде гласит: поддерживай скорость движения и поворачивай руль в сторону падения. Этот эффект наблюдается при езде на велосипеде, когда руки убраны с руля, особенно это становится очевидным при спуске по извилистой дороге, когда для входа в очередной вираж достаточно наклонить корпус в сторону центра кривизны виража - и велосипед будет двигаться по криволинейной траектории, соответствующей скорости движения и наклону велосипеда.

Обобщая, можно сказать, что если под понятием "устойчивость движения" иметь в виду способность системы гонщик-велосипед сохранять заданную форму движения, то рассматриваемая система неустойчива в статике, а ее абсолютно прямолинейное движение невозможно. Траектории движения точек опоры (точек контакта колес с поверхностью дороги) колеблются относительно некоторой прямой линии, выбранной в качестве основного направления движения системы. Хорошо подтверждают это положение безуспешные попытки езды с заклиненной рулевой колонкой, хотя, казалось бы, именно при заклиненной колонке велосипед должен двигаться прямолинейно.

Источник:
В.П.Любовицкий "Гоночные велосипеды", Л., Машиностроение, 1989, глава 8.

http://www.nature.ru/db/msg.html?mid=1173494&uri=node7.html#2057
http://www.nsu.ru/materials/ssl/distance/Physics/Archives/044.html
http://www.realbiker.inc.ru/Interesting_Bike_Science.shtml


Трековые гонщики перед стартом НЕ ПАДАЮТ и сохраняют равновесие на "неподвижных" велосипедах.


Физика в анимациях - Купить диск - Тесты по физике - Графики on-line

Реклама:
Rambler's Top100