Гироскопските ефекти почти нямат нищо общо с способността ви да карам велосипед

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

Проблемът със силите, генерирани от жироскопския ефект върху типичния велосипед, е, че те просто не са много силни, когато се замислим за физиката, която е свързана с по-голямата част от центъра на масата на мотора в горната част (с вас на него). В основата си създавате обърнато махало, което е много по-трудно за балансиране, отколкото обратното.

За да илюстрирате колко сила е необходима тук, дайте човек да се качи на мотор, който е напълно неподвижен. Сега опитайте и задръжте велосипеда и човек, центриран, просто като го държите около оста на една от гумите. За да сравните тази сила с количеството, генерирано от жироскопични ефекти, вземете отделена гума за велосипеди с колчета отстрани и се придържайте към тях. Сега някой трябва да върти гумата много бързо; след като се върти, опитайте се да наведете гумата един по един или друг.

В този по-късен момент ще почувствате жироскопичните ефекти, но трябва да можете да го направите малко по-лесно, тъй като силата, която ще почувствате тук, е вероятно само няколко килограма или 5-10 килограма (въпреки че може да се почувства повече като ръцете си разтегнати и направо пред вас). В предишния случай, с лицето, което седеше на мотора, освен ако не бяха изключително леки или сте Херкулес, предполагам, че дори не сте могли да се доближите, ако ги държите балансирани, особено ако ръцете ви са напълно изтеглени.

Ако това не ви убеди, нека да разгледаме математиката (пример, направен от д-р Хю Хънт от университета в Кеймбридж):

Когато се движи доста бързо при 12 mph (около 6 m / s), типично колело (диаметър 600 mm, обиколка 2 m) се върти 3 пъти в секунда, което е скорост на въртене w = 20 радиана в секунда.

Неговата периферна маса, наоколо m = 1 кг, се концентрира върху ръба, т.е. при радиус на R = 300 мм. В момента на инерцията J е следователно J = г-н² = 0,1 kg m² (достатъчно близо).

Да предположим, че падам и се опитвам да използвам жироскопския ефект, за да помогна отново да ме изправи. Помислете за някои доста неистов вълнинг на кормилото напред и назад синусоидално със скорост, да речем, е_дръжка= 1.6 вълни на секунда (еквивалентно на ъглова честота на преобръщане w _дръжка= 2 р е_дръжка = 10 радана в секунда) и при амплитуда, да кажем +/- 6 градуса (т.е. М_дръжка= 6/180 * р = 0.1 радиана).

Следователно движението на вълните е Т._дръжка = М_дръжка грях (w_дръжка T), и диференциране това дава пикова дръжка скоростта на wobbling на Q = w_{дръжка.} М _дръжка = 10 * 0.1 = 1 rad / s. Това е степента на принудителна прецесия на предното колело, действаща като жироскоп. На върха си двойката, необходима за постигането на това прецесионно движение поради жироскопичните ефекти, е М = J w Q = 0,1 * 20 * 1 = 2 N m Велосипедът и I тежат, да речем, 100 кг = 1000 N, така че жироскопският ефект ще ми помогне само ако не накланям повече от 2 мм от перфектно изправен (1000 N * 0.002 m = 2 N m).

Така че жироскопният ефект върху велосипеда, дори при 12 мили в час, практически не е нищо по отношение на това, което е необходимо да ви държим изправен. Как така не падате на всеки две секунди на вашия велосипед?

Частично това се дължи просто на способността ви да балансирате. Вероятно сте забелязали, че е трудно да останете балансирани на мотоциклет, когато сте на едно място. Когато започнете да вървите наистина бавно, ще забележите, че естествено правите големи корекции на кормилната система, за да бъдете балансирани. Това всъщност е основното нещо, което всъщност ви държи изправено на велосипед с всякаква скорост, а именно коригиращо управление. Тъй като се чувствате дисбаланс в една посока, това ще ви накара да насочите велосипеда в тази посока, за да компенсирате, получената центробежна сила завършва, като ви балансира обратно, като приемете, че корекцията ви е била правилното количество на завой, като се има предвид скоростта и други подобни фактори, Ако сте се обърнали, ще трябва да направите друга корекция, за да компенсирате дисбаланса, създаден от поправянето. Колкото по-бързо се движите, толкова по-малка е необходимата корекция, за да ви балансираме.

В началото тези коригиращи движения са сравнително големи и често с вас се компенсират, защото тялото ви все още се учи да кара колело. Ето защо вие сте склонни да сте малко разтърсващи и да разрушите много, когато се научите за първи път. С течение на времето тези корекции ще стават все по-малки и по-малки и по-точни, докато не забележите, че ги правите изобщо, докато карате колело над супер бавни скорости (очевидно ще ги забележите, когато едва се движат на мотора и подобно, както е посочено по-горе).

Бонусни факти:

• Много хора мислят, че ако сте взели две гуми и ги обърнете в противоположни посоки, ще имате същия жироскопичен ефект, сякаш се въртят в същата посока. Всъщност, какво ще се случи е, че ако колелата се завъртяха в противоположни посоки, двамата ще се откажат взаимно от гледна точка на жироскопичен ефект. Този факт е използван, за да демонстрира на хората, че могат да се возят без велосипед без жироскопичен ефект, като монтират допълнителни колела, повдигнати леко от земята, които се въртят на въртене на действителните гуми.
• Колкото по-далеч е центърът на масата за велосипеда + човек, който се качва на колелото, толкова по-малко движение на предните колела ще бъде необходимо за поддържане на баланса. Това вероятно е най-забележимо при определени потребителски мотоциклети, при които предното колело се държи добре от мотора.
• Друг по-малко известен фактор в способността на велосипеда е да нарече "пътека". Просто казано, това е мярка за това доколко разстоянието от точката на предното колело докосва земята се просмуква в контактната точка на кормилната ос, където се завърта целия кормилен механизъм (вилица, кормило, предно колело и др.). По-дългата пътека ще направи велосипеда да се чувства много по-стабилен, отколкото по-къс. Ако обаче пътеката е твърде дълга, моторът ще се чувства трудно да управлява. Велосипедите с твърде малка пътека или дори отрицателна пътека ще се чувстват по същество нестабилни; въпреки това, поради коригиращо управление, все още можете да ги управлявате. Поради проблема с кормилото с увеличената пътека, планинските велосипеди и туристическите велосипеди обикновено имат много по-малко следи от уличните велосипеди. В случая на планинските велосипеди, това позволява по-голяма "гъвкавост" на велосипеда, за да се компенсира неравен терен. В случай на туристически велосипеди, това помага да компенсирате факта, че вероятно ще бъдете опаковани заедно с доста малко багаж с вас и по този начин, допълнително тегло, ниско на земята. Ето защо туристическите велосипеди често ще се чувстват нестабилни, ако не разполагате с този багаж, който е добавен и ниско към земята.
• Докато жироскопичните и следите сили не са достатъчни, за да ви балансират на велосипед, те обикновено са достатъчни, за да поддържат мотоциклет без да се движи направо, докато се забави до определена точка, която варира от велосипед до велосипед според размера на колелото и пътеката.
• В момента се разработва нещо, наречено "gyrobike", което да помогне на хората да се научат да карат велосипеди. Този мотор има вътрешен маховик, който осигурява значително увеличение на жироскопския ефект. Изобретателите на този велосипед след това се надяват, че би могъл да се развие, където жироскопичният ефект би бил достатъчен, за да може велосипедът да се балансира най-вече дори и с ездач, докато все още не е твърде тромав за велосипед по отношение на теглото и други подобни.
• Друго място, в което ще видите това известно подсъзнание "автоматично коригиране" на феномена се появява, когато се опитвате да застанете на едно място на единия крак. Когато го направите, трябва внимателно да се балансирате, за да не падне. Веднага щом започнете да прескачате, повечето хора имат малка трудност да се държат балансирани. Това е така, защото когато хоп, не само естествено генерирате коригиращи движения, но и вие ще имате крака, където трябва да бъдете балансирани.