Техническият курс изисква добри умения за завой. Но според физиката колко далеч можеш да наклониш мотора си, преди да удариш палубата?
Учените се озадачават какво прави велосипедната везна от дните на старите пени фартинги. Много експерти предполагат, че тези въртящи се обръчи карат велосипеда да се държи като жироскоп, но не е толкова просто. Група инженери от Нотингамския университет идентифицира 25 отделни променливи, които влияят на движението на велосипеда, цитирайки, че „едно просто обяснение не изглежда възможно, тъй като накланянето и завиването са съчетани от комбинация от ефекти, включително жироскопична прецесия, странични сили на реакция на земята на предното колело, контактна точка със земята, която се движи зад оста на кормилното управление, гравитация и инерционни реакции…'
Това, което се знае е, че докато велосипедът се движи със скорост около 14 км/ч (9 мили/ч), той може да остане изправен без присъствието на ездач. Но отново учените не могат да обяснят защо.
На този фон, добавете добавеното измерение на завой и изчисляването на ъгъла, който можете да наклоните, докато завивате, преди да ударите асфалта, очевидно е сложно нещо. При правилните условия е възможно да видите ъгли от 45°, но как да стигнем до тази точка?
„Ние знаем, че има три реални сили, действащи върху велосипеда и ездача“, казва Рет Алан, запален колоездач и доцент по физика в Югоизточния университет на Луизиана в САЩ.
‘Има гравитационна сила, която бута мотора и ездача надолу; има път, който се избутва нагоре, което наричаме „нормална“сила, и има сила на триене, която избутва велосипеда към центъра на кръговия път, по който се движи.“
Фалшивата сила
Има и центробежна сила.„Това наистина оказва влияние, но е фалшива сила“, казва Ален. Много физици твърдят, че центробежната сила не съществува и е просто липса на центростремителна сила – дърпаща навътре сила, която гарантира, че велосипедът се движи в кръг, подобен на гравитацията, дърпаща навътре върху сателит, за да го задържи в орбита.
Изчислява се чрез уравнението F=mv2/r, където F е центростремителната сила (нютони), m е масата на велосипеда и водача (kg), v е скорост (m/s) и r е радиусът на ъгъла в метри.
„Физическият принцип на карането на завой е, че го правите чрез ускоряване радиално навътре, което се свежда до центростремителна сила“, казва Дейвид Уилсън, почетен професор по инженерство в Масачузетския технологичен институт.
‘Силата трябва да идва от гумите. Моторът трябва да се наклони, така че комбинацията от реакцията от гумата и радиалната сила да е в съответствие с резултантната сила на мотора плюс водача.“
Също така ключът към това колко можете да се наклоните е коефициентът на триене, който е съотношението на силата на триене между две тела и силата, приложена върху тях – в този случай гумата и асфалта.
Повечето сухи материали имат стойности на триене между 0,3 и 0,6, докато гумата в контакт с асфалта може да произведе цифра между едно и две. Когато повърхностите се движат една спрямо друга – според цикъла – тази цифра леко намалява.
За да може велосипедът да остане изправен, страничната сила (центростремителна) трябва да е равна на коефициента на триене и тази цифра може да бъде изненадващо голяма. Например, 70-килограмов ездач на 10-килограмов велосипед, който се движи с 20 мили в час около завой с радиус 20 метра, изпитва центростремителна сила от 316 нютона.
Тази сила трябва да се генерира от гумите и ако силата не съществуваше, мотоциклетът и мотоциклетистът просто щяха да се движат по права линия.
Използвайки някои впечатляващи тригонометрични изчисления, които биха запълнили цяла книга, коефициентът на триене е равен на тангенсната функция на максималния ъгъл на наклон.
„Колелото ще се плъзга, когато коефициентът на триене е надвишен“, казва Марко Аркестейн, преподавател по спортни науки в университета Абъристуит. „Това може да се дължи на увеличаване на силата на триене [поради затягане на линията през ъгъл например] или нормално намаляване на силата [поради, да речем, вдлъбнатина на пътя].“
Коефициентът на триене също може да се промени поради промяна на повърхността. Ето защо завиването на бяла линия може да бъде опасно. „Това е особено вярно на мокро“, казва Аркестейн. „Боята е по-малко пореста, така че водата не се разпръсква.“
Тегло на ездача
Допълнително усложняване на нещата е проблемът с теглото на ездача. „От гледна точка на физиката по-малките момчета трябва да могат да се опират повече“, казва Аркестейн. „Те обикновено са и по-пъргави, което помага.“
Ален не е толкова категоричен, предполагайки, че докато теглото на водача има „малко значение“, по-важно е центърът на масата на водача плюс велосипеда.
„В крайна сметка това е най-важният фактор“, казва той. По-тежките ездачи са склонни да бъдат по-високи ездачи, особено в професионалния пелотон, което означава, че техните размери на рамката са по-големи и техният център на масата е по-висок. Трябва да вземете предвид и пътните условия. Ако сте на предела, неравност на пътя може да доведе до загуба на сцепление и падане.
Пътищата в Обединеното кралство понякога са по-здрави от тези на нашите братовчеди в континентална Европа, защото са по-порести, за да абсорбират дъжда и да предотвратят хлъзгава повърхност. Затова нашите пътища са по-груби. Но те често са по-неравни и в по-лошо състояние поради щети от замръзване, затова карането на велосипед и шофиране във Франция е абсолютно удоволствие, когато е сухо.
В края на краищата, какъв е максималният ъгъл на наклон? За професора по механика и инженерство Джим Пападопулос, това не може да бъде отговорено, докато не добавите един последен фактор – следа.
Това е въображаема линия, която се проектира надолу по кормилната тръба към земята. Ако тази точка е пред точката на контакт на колелото със земята, тя се счита за „положителна“и е по-стабилна. Отзад и моторът е по-вероятно да се преобърне. Следата намалява колкото повече се накланяте.
„Велосипедистите са склонни да останат в положителния регион на пътеката и не надвишават 45° наклон“, казва той. „Обикновено е по-малко, но когато радиусът на завоя е по-голям от 5 метра, можете да достигнете 45°. Това е така, защото пътеката става по-малко проблем – тогава се връщаме към проблема със сцеплението.“
Така че 45° са възможни при бърз, широк завой с добра настилка, но с толкова много променливи в игра, за съжаление няма окончателен отговор. Колко далеч можете да се облегнете е случай на проба и (надявам се, не твърде болезнена) грешка.
