Балансиране: Защо велосипедите просто не паднат?

Съдържание:

Балансиране: Защо велосипедите просто не паднат?
Балансиране: Защо велосипедите просто не паднат?
Anonim

Засега науката не е в състояние да даде окончателен отговор. Но наближава…

Каране на колело. Това е точно като карането на колело, нали? Е, не и ако сте професор от университета Корнел Анди Руйна.

Той, заедно със съавторите Jim Papadopoulos, Arend Schwab, Jodi Kooijman и Jaap Meijaard, е написал документ, озаглавен „Велосипедът може да бъде самостабилен без жироскопични или касторови ефекти“, който предполага, че цитираните по-рано условия за стабилност не са достатъчно обясняват – и дори не са необходими за – феномена на самостабилния велосипед.

„Забележително е, че хората изобщо могат да стоят на колело. Но едно от най-невероятните неща за велосипедите е, че те могат да се балансират сами“, казва Руина.

Като даде пример с прочутата сцена във филма на Жак Тати от 1949 г. Jour de Fête, където непохватният пощальон Франсоа преследва избягалия си кон, който се вие ​​без ездач по селски път, Руина и неговите колеги учени се заеха да изследват общоприетата мъдрост, че две необходими условия, за да може велосипедът да остане изправен, са или жироскопичният въртящ момент на въртящите се колела, или колелцето на предното колело.

„Можеш да държиш велосипед изправен само когато се движи“, казва Руина. „Добре известно е, че управлението ви дава баланс. Можем да покажем това, ако заключим кормилното управление на велосипед без водач, бутнем го напред и след това го пуснем. Велосипедът бързо ще се преобърне по същия начин, по който пада, когато е неподвижен.’

Ruina оприличава ефекта с балансирането на метла върху ръката. Когато вертикалната метла започне да се накланя наляво, балансьорът също премества ръката си наляво, връщайки дъното на метлата обратно под падащия й връх, като по този начин възстановява баланса.Но като изключим колоездача от уравнението, защо това се случва с велосипед?

‘Хората естествено смятат, че ако нещо се върти бързо, то става твърдо поради жироскопичния ефект, така че когато го завъртите, то иска да се завърти на другата страна. Това е едно често срещано обяснение. Другото е, че велосипедът се държи като колелце на пазарска количка.

Точка за контакт

Хората приемат, че действителната контактна точка на предното колело със земята е пред оста на управление поради ъгъла на главата и наклона на вилицата. Но всъщност колелото контактува с пода точно зад тази ос.’

Резултатът е, че като колело, което може да се движи на 360° около вертикална ос (представете си, че слушалките са лагерът на колелцето, а главината е неговата ос), предното ви колело „следва“кормилото ви. Подобно на количка за пазаруване, бутнете велосипеда си напред и предното колело непременно се прибира и остава зад посоката на движение.

Въпреки това, изчисленията на изследователите показват, че нито жироскопичният ефект, нито ефектът на колелото всъщност са отговорни за склонността на велосипеда да управлява и да се самостабилизира.

За да докажат това, Руина и неговият екип конструираха това, което наричат ​​„двумасов скейт“(TMS). Изглеждайки нещо като сгъваем скутер, TMS има същите свойства като велосипед – две колела и предна и задна част от маса, свързани с панта (т.е. слушалките) – но е направен по такъв начин, че не склонни към жироскопични или ролкови ефекти.

За да се постигне това, две малки колела контактуват със земята, всяко с докосващо се и следователно противоположно въртящо се колело с еднаква маса отгоре, което отменя всеки жироскопичен ефект с противоположно движение (колелата на TMS функционират по-скоро като кънки). И контактната точка на предното колело е пред оста на управление, а не отзад, както при колело.

Когато бъде бутнат и освободен, този „велосипед“без колелца и следи остава изправен, дори се коригира, когато бъде блъснат отстрани.

Следователно това доказва, че нещо друго, различно от жироскопичните или колелцата, трябва да е отговорно за склонността на велосипеда да се самостабилизира чрез управление под себе си.За да обяснят това, изследователите твърдят, че разпределението на масата, особено върху кормилния механизъм, е ключово.

Връщайки се към примера с метлата, Ruina предлага: „TMS има маса, която е пред оста на управление, както и маса в рамката. Когато предната част на велосипеда падне, той пада по-бързо, точно както ако балансирате молив на ръката си, той ще падне по-бързо от метла.

Така че предната маса пада по-бързо от задната маса, но те са свързани една с друга чрез оста на управление. Така в опит да падне по-бързо, предният край предизвиква завиване и връща мотора обратно под себе си.’

Ruina посочва, че това все още не решава въпроса за стабилността на велосипеда, не на последно място що се отнася до велосипед без водач. Но това, което прави, е да повдига нови въпроси за това как оставаме изправени на велосипед, което един ден може да доведе до фундаментални промени в дизайна.

Както се изразяват изследователите: „Тези резултати подсказват, че еволюционният процес, който е довел до обичайните настоящи дизайни на велосипеди, може все още да не е проучил потенциално полезни региони в дизайнерското пространство.“И така.

Популярна тема