Гироскопические эффекты почти не имеют отношения к вашей способности ездить на велосипеде

2024 Автор: Sherilyn Boyd | [email protected]. Последнее изменение: 2023-12-16 09:37

Сегодня я обнаружил, что гироскопические эффекты почти не имеют никакого отношения к вашей способности ездить на велосипеде.

Проблема с силами, создаваемыми гироскопическим эффектом на типичном велосипеде, заключается в том, что они просто не очень эффективны, если рассматривать физику, участвующую в том, что большая часть центра массы велосипеда наверху (с вами на нем). Вы в основном формируете перевернутый маятник, который намного сложнее сбалансировать, чем наоборот.

Чтобы проиллюстрировать, какая сила нужна здесь, попросите человека попасть на велосипед, который полностью неподвижен. Теперь попробуйте держать велосипеда и человека в центре, просто держась за ось одного из шин. Чтобы сравнить эту силу с количеством, полученным от гироскопических эффектов, возьмите отдельную велосипедную шину с колышками по бокам и подвешивайте к ним. Теперь у кого-то очень быстро спина шина; как только он вращается, постарайтесь наклонить шину так или иначе.

В этом более позднем случае вы почувствуете гироскопические эффекты, но вы сможете сделать это несколько легко, так как сила, которую вы почувствуете здесь, вероятно, всего несколько килограммов или 5-10 фунтов (хотя это может показаться больше с ваши руки вытянуты и прямо перед вами). В предыдущем случае, с человеком, сидящим на велосипеде, если только они не были слишком легкими, или вы Геракл, я предполагаю, что вы даже не могли приблизиться к тому, чтобы держать их сбалансированными, особенно если ваши руки полностью вытянуты.

Если это вас не убедит, давайте посмотрим на математику (пример доктора Хью Ханта из Кембриджского университета):

При езде довольно быстро со скоростью 12 миль / ч (около 6 м / с) типичное велосипедное колесо (диаметр 600 мм, окружность 2 м) вращается 3 раза в секунду, что является скоростью вращения вес = 20 радианов в секунду.

Его периферийная масса вокруг м = 1 кг, концентрируется на ободе, то есть в радиусе р = 300 мм. Момент инерции J следовательно является J = Мистер² = 0,1 кг м² (достаточно близко).

Предположим, я падаю, и я пытаюсь использовать гироскопический эффект, чтобы снова подтолкнуть меня. Рассмотрим довольно неистовое колебание рулей взад и вперед синусоидально со скоростью, скажем, е_{справиться}= 1,6 колебания в секунду (что эквивалентно угловой частоте колебания вес _{справиться}= 2 p е_{справиться} = 10 радиан в секунду) и с амплитудой, например, +/- 6 градусов (т. Е. M_{справиться}= 6/180 * p = 0,1 радиан).

Таким образом, колебательное движение T_{справиться} = M_{справиться}грех (вес_{справиться} T), и дифференцируя это, это дает максимальную скорость качания ручки Q = вес_{справиться.}M _{справиться} = 10 * 0,1 = 1 рад / с. Это вынужденная скорость прецессии переднего колеса, действующего как гироскоп. На своем пике пара, необходимая для достижения этого прецессионного движения, из-за гироскопических эффектов, M = J вес Q = 0,1 * 20 * 1 = 2 Н м. Велосипед и я верим, скажем, 100 кг = 1000 Н, поэтому гироскопический эффект поможет мне, если я не наклоняю более 2 мм от совершенно вертикального (1000 Н * 0,002 м 2 Н м).

Таким образом, гироскопический эффект на велосипеде, даже на скорости 12 миль / ч, практически не имеет ничего общего с тем, что потребовалось бы, чтобы держать вас в вертикальном положении. Итак, как вы не падаете каждые две секунды на своем велосипеде?

Частично это объясняется просто вашей способностью балансировать. Тем не менее, вы, наверное, заметили, что трудно оставаться на велосипеде, когда он стоит на месте. Когда вы начинаете идти очень медленно, вы заметите, что вы, естественно, делаете большие корректировки руля, чтобы сбалансировать себя. Это, по сути, является основной вещью, которая фактически держит вас вертикально на велосипеде с любой скоростью, а именно с корректирующим рулевым управлением. Поскольку вы чувствуете дисбаланс в одном направлении, это заставит вас управлять велосипедом в этом направлении, чтобы компенсировать, получающаяся центростремительная сила заканчивается уравновешиванием вас назад, предполагая, что ваша настройка была правильной величиной хода с учетом вашей скорости и других таких факторов, Если вы перевернулись, вам придется сделать еще одну коррекцию, чтобы компенсировать дисбаланс, созданный из-за вашего исправления. Чем быстрее вы идете, тем меньше коррекция, необходимая для поддержания равновесия.

В начале эти корректирующие движения имеют тенденцию быть относительно большими и часто с вами сверхкомпенсируют, потому что ваше тело все еще учится ездить на велосипеде. Вот почему вы, как правило, немного шатаетесь и сильно крушась, когда впервые учитесь. Со временем эти исправления будут становиться все меньше и меньше и точнее, пока вы не заметите, что делаете их вообще, пока вы едете на велосипеде над сверх медленными скоростями (очевидно, вы все равно заметите их, едва двигаясь на своем велосипеде и как указано выше).

Бонусные факты:

Многие думают, что если бы вы взяли две шины и развернули их в противоположных направлениях, то у вас был бы такой же гироскопический эффект, как если бы они вращались в одном направлении. Фактически, что произойдет, так это то, что если колеса вращаются в противоположных направлениях, они будут взаимно компенсировать друг друга с точки зрения гироскопического эффекта. Этот факт был использован для демонстрации людям, что они могут ездить на велосипеде без проблем без гироскопического эффекта, устанавливая дополнительные колеса, слегка приподнятые с земли, счетчик которых вращает фактические шины.
Чем дальше вперед центр масс для велосипеда + человек, едущий на велосипеде, тем меньше движение передних колес, которое необходимо для поддержания равновесия. Это, вероятно, наиболее заметно при определенных пользовательских мотоциклах, когда переднее колесо отлично уходит от велосипеда.
Еще один менее известный фактор в езде на велосипеде - это нечто вроде «тропы». Проще говоря, это показатель того, насколько расстояние от точки переднего колеса доходит до земли, отслеживает контактную точку оси рулевого колеса, в которой шарнирно поворачивается весь рулевой механизм (вилка, руль, переднее колесо и т. Д.). Более длинный след заставит велосипед чувствовать себя намного более стабильным, чем более короткий. Однако, если трасса слишком длинная, велосипеду будет сложно управлять. Велосипеды со слишком маленьким тропом или даже с отрицательной тропой будут чувствовать себя неустойчивыми; хотя из-за корректирующего рулевого управления вы все равно можете кататься на них. Из-за проблемы рулевого управления с увеличенной тропой, горные велосипеды и туристические велосипеды, как правило, имеют гораздо меньшую трассу, чем уличные велосипеды. В случае с горными велосипедами это позволяет больше «маневренности» на велосипеде, чтобы помочь компенсировать грубую местность. В случае гастролей на велосипедах это помогает компенсировать тот факт, что вы, вероятно, будете упаковывать с собой довольно много багажа вместе с вами и, таким образом, лишний вес на низком уровне. Вот почему туристские велосипеды часто чувствуют себя неустойчивыми, если у вас нет такого багажа, который добавлен и низкий на землю.
В то время как гироскопические и троллейные силы не являются достаточными для поддержания равновесия на велосипеде, они, как правило, достаточны для того, чтобы держать велосипед без вождения прямо, пока он не замедлится до определенного момента, который варьируется от велосипеда до велосипеда, основанного на размере и тропе колес.
Что-то, что называется «гиробик», в настоящее время находится в разработке, чтобы помочь людям научиться ездить на велосипедах. Этот велосипед имеет внутренний маховик, который обеспечивает значительное увеличение гироскопического эффекта. Изобретатели этого велосипеда надеются, что можно было бы разработать, где гироскопический эффект будет достаточным для того, чтобы велосипед был в основном сбалансирован даже с всадником, при этом все еще не слишком громоздким велосипедом с точки зрения веса и тому подобного.
Еще одно место, где вы увидите это несколько подсознательное явление «автокоррекции», - это когда вы пытаетесь встать в одном месте на одной ноге. При этом вы должны тщательно сбалансировать себя, чтобы не упасть. Как только вы начинаете прыгать, большинство людей с трудом сохраняют равновесие. Это потому, что, когда вы прыгаете, вы не только в некоторой степени естественным образом генерируете корректирующие движения, но также будете иметь свою ногу, где нужно, чтобы вы уравновешивали себя.