Miksi pyörä ei putoa, kun se vierii? Miksi vaihteet vaihtuvat huonosti pyörässä? Tällä suunnittelulla saavutetaan kaksi tavoitetta

Eräs ystäväni löysi Internetissä surffaillessaan sivuston, jossa oli ikuisia kysymyksiä, kuten miksi jää on liukasta. Siellä oli myös miniartikkeli, jossa viitattiin alkuperäiseen tutkimukseen siitä, miksi pyörä liikkuu. Osoittautuu, että tieteen isot kaverit, jotka ovat hajamielisiä alkeishiukkasista ja pyhästä nanofysiikasta, omistavat aikaa tälle ongelmalle. He loivat polkupyörämallin, joka oli vapaa pyöräilijän kahdesta suurimmasta "auttajasta": gyroskooppisesta efektistä ja etupyörän haarukan kallistuksesta... ja tämäkin malli osoittautui vakaaksi!

Mitä on kestävä kehitys ja miksi sitä tarvitaan?

Pyöräilijä paikallaan polkupyörällä on aluksi epävakaassa tasapainotilassa. Mikä tahansa häiriö johtaa poistumiseen epävakaasta tasapainosta - meidän tapauksessamme maahan, jossa hän pysyy niin kauan kuin haluaa. Alla on esimerkkejä epävakaista ja stabiileista tasapainoista.

Mutta kaikki muuttuu, kun pyörä liikkuu. Tässä tapauksessa, jos polkupyörä haluaa pudota, sen etupyörää käännetään pystysuoran asennon palauttamiseksi. Lisäksi tämä paluu on sisäänrakennettu pyörän fysiikkaan, joten ajajan ei itse asiassa tarvitse tehdä mitään. Tiettyyn nopeuteen kiihdytetty pyörä (artikkeli antaa arvon 15-20 km/h) voi ajaa vakaassa pystyasennossa ilman pyöräilijää.
Koska polkupyörä on vakaa vain liikkeessä, mutta ei levossa, voimme sanoa, että tämä järjestelmä on dynaamisesti vakaa.

Mikä auttaa pyörää palaamaan alkuperäiseen asentoonsa?

Kaksi eniten vaikuttavaa tehostetta ovat gyroskooppinen efekti ja etupyörän pyörä.

Gyroskooppinen vaikutus on vaikutus, joka ilmenee pyörivissä järjestelmissä, joilla on tietty kulmamomentti, kun ne yrittävät muuttaa pyörimisakselin suuntaa. Tässä tapauksessa syntyvää voimaa kutsutaan gyroskooppiseksi voimaksi. Gyroskooppinen vaikutus ei ole triviaali selittää, mutta se on helppo tuntea. Yksinkertaisin kokeilu, jonka jokainen voi tehdä kotona, on ottaa polkupyörän pyörä akselista, pyörittää sitä ja yrittää heiluttaa sitä ilmassa. Tunnet olosi voimakkaaksi. Lisäksi mitä enemmän pyörität pyörää, sitä suurempi on voima. Powerball-harjoittelu perustuu samaan vahvuuteen, vain järjestelmä on hieman optimoitu. Kun kallistat pyörää, myös etupyörän akseli kallistuu ja pyörä kääntyy kallistuksen suuntaan gyroskooppisen vaikutuksen ansiosta.

Kirjallisuudessamme Castor on auton kääntöakselin kaltevuuskulma. Siinä se on: pyöräefekti, pyörä jne. Ohjauskulmamme on sama pyörä.

Pyörän olemassaolo aiheuttaa sen, että etupyörän kosketuspiste on haarukkalinjan ja maan kuvitteellisen leikkauskohdan ulkopuolella. Tämä johtaa etupyörän niin kutsuttuun "jalanjälkeen" eli jälkiin. Tämän geometrian vaikutusta vaunuihin voi tarkkailla Auchan-myymälöissä: pyörällä on aina taipumus vetää vaunun takana. Stabiloinnin aikana tämä ilmenee siinä, että kun polkupyörää kallistetaan, etupyörä pyrkii "pudottamaan" kohti polkupyörän kallistusta, jolloin pyörä kääntyy sivulle.

Mitä jos?..

Mitä jos poistat nämä kaksi vaikutusta? J. D. G. Kooijman, J. P. Meijaard, Jim M. Papadopoulos, Andy Ruina ja A. L. Schwab kokosivat polkupyörämallin, josta puuttuvat molemmat tehosteet - kaksimassaluistin (TMS).

Ne pienensivät huomattavasti pyörän jalanjälkeä ja käänsivät sitä taaksepäin, pienensivät renkaita ja lisäsivät toissijaisia pyöriä, jotka pyörivät toiseen suuntaan gyroskooppisen vaikutuksen poistamiseksi.

Ja kuten videosta näkyy, malli osoittautuu edelleen vakaaksi!

Mutta johtopäätökset ovat melko epämääräisiä. Ensinnäkin, jos pyörä ja gyroskooppinen vaikutus suljetaan pois, niin polkupyörää vakauttavien voimien täytyy syntyä pyörän vuorovaikutuksesta pinnan kanssa liikkeen aikana. Toiseksi, vaikka pyörä ja gyroskooppinen vaikutus eivät ole välttämättömiä, niitä ei voida tarkastella erillään, koska tekijöiden mukaan on mahdollista rakentaa järjestelmiä, jotka vain yhden vaikutuksen läsnä ollessa osoittautuvat epävakaiksi millä tahansa ihmisten käytettävissä olevilla nopeuksilla. Toisin sanoen näiden kahden vaikutuksen vuorovaikutus on tärkeä vakauden kannalta. Tämä tarkoittaa, että kaikille pyörille ei ole olemassa yleisiä järjestelmiä, mikä jättää paljon tilaa valmistajille ja markkinoinnille.

PS. Tutkiessani tätä artikkelia, törmäsin EnWikissä laajaan artikkeliin polkupyörän ja moottoripyörän dynamiikasta, siitä, mitkä voimat vaikuttavat pyörän liikkeeseen, erilaisista tehosteista, geometrioista jne. linkkien määrällä > 50. Halutessasi voin kertoa sen osissa täällä.

Mikä estää meitä ajamasta pyörällä: 10 yleisintä syytä

Jos kysyt satunnaisilta ohikulkijoilta, pitävätkö he pyöräilystä, saat useimmissa tapauksissa myönteisen vastauksen. Jos kuitenkin muutat kysymystä hieman ja kysyt, ajavatko nämä ihmiset pyörällä, niin yli 80 % vastaa, että ei syystä tai toisesta. Se osoittautuu paradoksiksi: ihmiset rakastavat ratsastusta, mutta eivät tee sitä.

Ennen kuin aloitamme, kannattaa kuitenkin tehdä pieni vastuuvapauslauseke. Käsittele niin sanotusti mahdollinen vastalause. Sinusta saattaa tuntua, että koko luettelo voi sisältää kaksi sanaa: laiskuus ja ajanpuute. Ja kaikki kyselyissä kuulemamme tekosyyt ovat yksinkertaisesti seurausta näistä kahdesta tekijästä. Laiskuudella ja ajan puutteellakin on kuitenkin edellytyksensä, joihin haluamme tässä artikkelissa kiinnittää erityistä huomiota.

Syy #1: väsymys

Työ puristaa kaikki mehut pois. Illalla energiaa riittää vain kotiin tulemiseen, illalliseen, suihkuun ja nukkumaanmenoon. Viimeisenä keinona voit mennä elokuviin tai istua ystävien kanssa kahvilassa. Rentoutua. Tietysti pyörä on hienoa, mutta sinulla ei ole voimaa polkea ja mennä jonnekin. Kyllä, ja toiveita myös. Yleinen tilanne?

Mutta jos katsoo toiselta puolelta. Kukaan ei pakota sinua tekemään nopeusennätyksiä tai valloittamaan off-road-maastoa. Loppujen lopuksi mikään ei estä sinua kokoontumasta ystävien kanssa ja vain rentoutumasta pyöräretken aikana. Monilla ihmisillä on ongelma: ottaa ensimmäinen askel - pakkaaminen ja lähteminen. Kuvittele kuitenkin, että tapasit ystäviä ja yhtäkkiä jokaisella teistä oli polkupyörä. Mikä estää sinua menemästä tässä ja nyt? Aivan oikein, ei mitään. Eikä väsymyskään häiritse. Siksi syy on todennäköisemmin organisatorinen kuin fyysinen väsymys.

Lisäksi hidas pyöräily on rentouttavampaa kuin pehmeä sänky, koska hengitämme aktiivisesti raitista ilmaa rikastaen kehoa hapella.

Syy # 2: työnarkomaani

Toinen työhön liittyvä syy ja erityisen tärkeä megakaupunkien asukkaille. Muista, onko sinulle koskaan käynyt näin: näyttää siltä, että istut vielä tunnin tai kaksi, annat projektin ja sitten voit mennä kyydille. Aika kuitenkin kuluu... Tunnista tulee kolme. Missä on kolme, siellä on kuusi. Ja sitten väsymys, uupumus ja et halua enää mitään.

Mutta sillä välin tauko pyöräretkelle nopeuttaa merkittävästi aineenvaihduntaa ja ajatteluprosesseja, virkistää ajatuksiasi ja antaa sinun katsoa monia asioita eri tavalla.

Syy #3: huono sää

Kyllä, sää estää meitä ehdottomasti. Tämä pätee kuitenkin yhtä lailla kaikkeen ulkoiluun. Myös grillaaminen ja laulujen laulaminen kitaran kanssa kaatosateessa on keskimääräistä huonompaa nautintoa. Vai eikö ole? Kuinka moni venäläinen lähes 150 miljoonasta ihmisestä ei mielestäsi koskaan syö grilliä ulkona huonon sään vuoksi?

Toinen asia on, että monet ihmiset eivät yksinkertaisesti halua likaantua tai kylmää uudelleen. Heti kun ajattelet, että sinun on hankittava pyörä. Ja tätä varten sinun on purettava parvekkeen lattia. Pese se sitten matkan jälkeen ja laita takaisin. Halu ratsastaa sulaa silmiemme edessä. Sitten huomaat ajattelevasi: jospa hän olisi valmiina sisäänkäynnillä...

Niille, jotka eivät halua ajatella "rautahevosen" säilyttämistä, kaupunkivuokraus on täydellinen, jos pyöräasema sijaitsee lähellä kotia. Tämä vaihtoehto on ihanteellinen, jos sinulla ei ole omaa pyörää.

Syy #4: tylsää yksin, ei seuraa

Sosiaaliset tekijät estävät miljoonia ihmisiä pyöräilemästä joka päivä. Eikä kyse ole edes siitä, etteikö ystäviä olisi. Ystäviä on vielä. Mutta useimmat heistä ovat hyvin kiireisiä. Kaikilla on työ ja perhe. Rutiinista on vaikea irtautua.

Mutta sillä välin tämä ongelma voidaan ratkaista hyvin yksinkertaisesti. Liity pyöräilyseuraan tai rekisteröidy pyöräilyfoorumille, niin sinulla on aina ihmisiä, jotka haluavat pitää sinut seuraana.

Syy # 5: ei paikkaa ratsastaa

Toinen painava ongelma megakaupungeille. Monet suurkaupunkien asukkaat haluaisivat ajaa, mutta autojen keskellä ajaminen ja pakokaasujen hengittäminen on erittäin kyseenalaista nautintoa.

On olemassa palvelu tämän ongelman ratkaisemiseksi. Yllätyt, mutta vaikka asuisit täpötäydessä metropolissa, sinua ympäröivät kymmeniä ja satoja jännittäviä pyöräilyreittejä, jotka kulkevat historiallisten keskusten ja metsäalueiden läpi.

Syy #6: tekninen vika

Monet ihmiset lykkäävät korjauksia, kun heidän pyöränsä hajoaa jostain syystä, olipa kyseessä pyörän puhkeaminen tai kiinnitysvika. "Joskus myöhemmin, juuri nyt ei ole aikaa tehdä tätä." Ja niin tämä "sitten" vaeltelee ensin päivästä toiseen, sitten viikosta viikkoon, sitten kuukaudesta kuukauteen. Ihminen menettää pyöräilytapansa, ja pyöräilyyn palaaminen on yhä vaikeampaa.

Samaan aikaan ympärillä on monia erikoistuneita korjaamoja, jotka eivät vain korjaa, vaan myös huoltavat säännöllisesti polkupyöriä. Tuo "rautahevosesi" heidän luokseen, ja he tekevät loput ilman osallistumistasi ja vähäisellä aikainvestoinnilla.

Syy #7: infrastruktuurin puute

Jotkut sanovat, että he ajaisivat enemmän, jos meillä olisi paremmin kehittynyt pyöräilyinfrastruktuuri. He sanovat: "Euroopassa on paljon enemmän hyviä pyöräteitä, minkä vuoksi siellä on niin paljon pyöräilijöitä." Ja tämä on suuri väärinkäsitys. Jokainen kaupunki kasvaa siellä, missä ihmiset asuvat, eikä päinvastoin. Ei ole koskaan ennen tapahtunut, että metropoli rakennettiin syrjäiseen paikkaan ja sitten se asutettiin. Pyöräilijöiden infrastruktuuri on siis parempi siellä, missä heitä on enemmän.

Katso Kööpenhamina. Tämä kaupunki on ansaitusti tunnustettu pyöräilyinfrastruktuurin kehittäjänä. Tältä se näyttää nykyään:

Ja tältä se näytti 1930-luvulla:

Noina vuosina tanskalaiset eivät olleet vielä ajatellut erillisiä pyöräteitä, mutta tietty määrä pyöräilijöitä kaduilla, kuten näette, oli jo havaittavissa. Katso tarkkaan, toisessa kuvassa auto ryömii heidän joukossaan. Kävi ilmi, että Kööpenhaminassa autoilijat taistelivat erillisistä kaistasta pakenemaan pyöräilijöitä. On naiivia odottaa viranomaisten tarjoavan infrastruktuuria kuten Tanskassa, jos emme itse käytä jatkuvasti polkupyöriä kulkuvälineenä.

Syy #8: Turvallisuus

Monet ihmiset välttävät pyöräilyä kaupungissa turvallisuussyistä. Ja tässä meidän on selvennettävä yksi tärkeä seikka. Olet luultavasti nähnyt useammin kuin kerran raportteja pyöräilijöiden onnettomuuksista tai tapaturmista pyöräparaattien aikana.

90 prosentissa tapauksista tällaiset onnettomuudet johtuvat siitä, että pyöräilijät eivät itse ole noudattaneet turvallisuussääntöjä. Esimerkiksi liikennesäännöissäkin sanotaan selkeästi, että ajorataa ei saa ylittää polkupyörällä, vaan pyörästä on poistuttava. Ja syy tähän on hyvin yksinkertainen: kääntyvän auton kuljettaja ei välttämättä huomaa pyöräilijää seisontatuen takaa, koska nopeudet ovat vertailukelpoisia. Mutta jos irrotat selästä, onnettomuusriski pienenee huomattavasti.

Syy #9: myytit ja ennakkoluulot

Monet ihmiset pelkäävät pyöräillä ajamista, koska he uskovat, että pyöräilijät ovat alttiimpia useille sairauksille. Ensinnäkin nämä ovat nivelvaurioita, jotka voivat johtaa lähes vammautumiseen.

Nivelet ovatkin alttiita lisääntyneelle rasitukselle, mutta vammat voidaan helposti välttää, jos juot nesteitä ajoissa pitkiä matkoja ja pidät oikean poljinnopeuden ja poljinnopeuden (noin 60-80 rpm).

Lisäksi, jos noudatamme ennakkoluulojen logiikkaa, niin istumatyö ja istumista elämäntapa luovat myös sairausriskin ja paljon laajemmalla kirjolla.

Syy # 10: yksitoikkoisuus ja yksitoikkoisuus

Monet ihmiset lopettavat pyöräilyn yksinkertaisesti siksi, että he kyllästyvät. Samat reitit, yksin ajaminen, liikaa aikaa uusien reittien suunnitteluun jne.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi sinun tulee myös käyttää palvelua. Sen avulla edessäsi avautuu päivittäin uusia reittejä ja ilmaantuu uusia ihmisiä, joiden kanssa voit lähteä pyöräretkelle.

Johtopäätös

Kuten näet, on monia syitä ja selityksiä sille, miksi ihmiset eivät aja. Mutta jos ajattelee sitä, mikään niistä ei ole vakava ja ratkaisematon ongelma.

Pyöräily voi antaa positiivisuutta, elinvoimaa, energiaa ja uusia ideoita. Ota vain pyöräsi ja lähde tielle. Ja MnogoTrop ja minä autamme sinua löytämään helposti uuden mielenkiintoisen paikan tähän.

Pidä hauskaa!

Kokeile istua paikallaan olevalla pyörällä ja nostaa sitten molemmat jalat irti maasta! Et pysty pitämään jalkojasi alhaalla kolmea sekuntia! Mutta kun yrität ajaa, pyörästäsi tulee välittömästi erittäin vakaa kulkuväline.

Osoittautuu, että liikkeen aikana ilmaantuu voimia, jotka pitävät pyörän tasapainossa. Millaisia voimia nämä ovat?

Versio yksi

Pyörää estää putoamasta gyroskooppinen vaikutus, joka syntyy pyörien pyöriessä. Sama vaikutus muuten estää pyörivää yläosaa putoamasta.

Mitä tulee yläosaan, muutetaan se polkupyörän pyöräksi. Voit tehdä tämän asettamalla pyörästä irrotetun pyörän vaakasuoraan asettamalla akselin kovalle alustalle. Pyörän saaminen seisomaan akselillaan, kuten yläosa, pyörää on pyöritettävä erittäin voimakkaasti. Mutta voit ajaa pyörällä putoamatta, vaikka sen pyörät pyörivät paljon hitaammin!

Versio kaksi

Pyörä ei kaadu, koska pyöräilijä ohjaa sitä. Heti kun pyörä alkaa pudota, pyöräilijä kääntää välittömästi, tahattomasti ohjauspyörää putoamissuuntaan. Pyörä alkaa kääntyä, ja tuloksena oleva keskipakovoima tasoittaa sen estäen sitä putoamasta.

No, versio ei ole huono! Loppujen lopuksi kaksipyöräisellä pyörällä ajamisen oppiminen on oppimista kääntämään ohjauspyörä haluttuun kulmaan. Mutta miksi sitten eivät putoa ne, jotka osaavat ajaa "ilman ohjauspyörää", eli pitämättä kiinni ohjauspyörästä?

Versio kolme

Jos pyörää kallistetaan, se ei pyöri suorassa linjassa, vaan ympyrässä, jonka keskipiste on samassa suunnassa kuin pyörää kallistetaan. Kun pyörä putoaa, se kallistuu, mikä tarkoittaa, että pyörät kallistuvat sen mukana. Kallistuva pyörä kääntyy ja keskipakovoima pyrkii kompensoimaan putoamisen - aivan kuten edellisessä versiossa selitettiin.

Kallistetulla pyörällä kaikki on oikein. Mutta tämän version mukaan polkupyörän kohdistus tapahtuu itsestään, mikä tarkoittaa, että mitä vähemmän häiritset prosessia, sitä parempi. Vähennetään osallistumisesi minimiin, estäen sinulta kyvyn ohjata, tätä varten hitsaamme polkupyörän etuhaarukan tiukasti runkoon. Kuinka pitkälle aiot mennä?

Versio neljä

Kyse on pyörän suunnittelusta. Kallista pyörää samalla kun pidämme sitä satulassa. Näemme, että etuhaarukka kääntyy automaattisesti laihaa puolta kohti. Tämä tarkoittaa, että heti kun polkupyörä alkaa pudota, sen etupyörä alkaa kääntyä itse putoamissuuntaan. No, sitten tulee sama keskipakovoima.

Tämä vaihtoehto olisi varsin sopiva selittämään, kuinka polkupyörää on mahdollista hallita ajettaessa "ilman käsiä"! Ehkä et sitten tarvitse ohjauspyörää tai ajokykyä? Mutta miksi sitten pyörä putoaa, jos kukaan ei istu siinä, kun esimerkiksi työnnät tyhjää pyörää mäkeä alas?

Osoittautuu, että mikään ehdotetuista versioista ei ole täysin sopiva? Mutta pyöräilijä ei kuitenkaan putoa! Miten luulet miksi?

Olemme esittäneet neljä versiota mahdollisina vastausvaihtoehtoina, vaikka jokaisesta versiosta löytyy pohdintoja, jotka antavat aihetta epäillä sen oikeellisuutta.

Uskotaan, että kahdella mekanismilla on ratkaiseva rooli polkupyörän tasapainon ylläpitämisessä. Ensimmäinen on automaattinen ohjaus: jos pyörä kallistuu yhteen suuntaan, etupyörä kääntyy automaattisesti samaan suuntaan; koko pyörä alkaa pyöriä ja keskipakovoima palauttaa pyörän alkuperäiseen asentoonsa. Se palaa myös suoraan ajettaessa vahingossa sivulle ajettaessa. Tällainen ohjaus liittyy etuhaarukan suunnitteluun, ohjauspyörän pyörimisakseliin: jos jatkat sitä henkisesti alaspäin, se leikkaa maan pinnan ennen pistettä, jossa pyörä itse koskettaa sitä - kulma (Caster) ilmestyy niiden väliin, jolla on stabiloiva vaikutus ja kun se suunnataan voimien puolelle, pyörä pyrkii palaamaan alkuperäiseen asentoonsa. Toinen mekanismi liittyy pyörivien pyörien gyroskooppiseen momenttiin.

Kaikki on melko yksinkertaista - amerikkalainen insinööri Andy Ruina ja hänen kollegansa pyrkivät kuitenkin kumoamaan molemmat lausunnot. He suunnittelivat polkupyörän, jossa molempien mekanismien vaikutukset neutraloituvat. Toisin kuin kaikissa "oikeissa" polkupyörissä, tämän etupyörä koskettaa tukea ennen pistettä, jossa etuhaarukan akseli leikkaa sen, mikä "peruuttaa" pyörän toiminnan. Ja lisäksi sekä etu- että takapyörät on yhdistetty kahteen muuhun, pyörivät vastakkaiseen suuntaan ja mitätöivät siten gyroskooppisen vaikutuksen.

Tietenkin tämä koko kone ulkoisesti muistuttaa enemmänkin jotain mukautettua pyörää (lue niistä: "Hitaasti") tai jopa skootteria kuin perinteistä polkupyörää: pyörät ovat pienet, satulaa ei ole... Mutta kuitenkin , rakenteellisesti se on edelleen pyörä, jota voit kokeilla. Ota se ja työnnä sitä - ja katso kuinka nopeasti se putoaa kyljelleen! Yllättäen ei niin nopeasti; itse asiassa se säilyttää tasapainon ei huonommin kuin tavallinen polkupyörä, se jopa osoittaa saman automaattisen ohjauksen.

Kokeen tulosten perusteella tekijät tekevät yksiselitteisen johtopäätöksen: molemmilla vaikutuksilla - pyörällä ja gyroskoopilla - on tärkeä rooli ajopyörän tasapainon ylläpitämisessä, mutta kumpikaan ei ole sen kannalta kriittistä. Huomaa, että polkupyörämallit ilman gyroskooppista momenttia on testattu jo aiemmin, mutta pyörän tärkeimmän roolin kumoaminen pyörän tasapainon ylläpitäjänä on tehty ensimmäistä kertaa ja erittäin selvästi.

Joten miksi pyörä ei putoa? Ilmeisesti erityisellä kuormanjakaumalla on tässä keskeinen rooli: etuosan massakeskiö sijaitsee huomattavasti alempana kuin takana. Seurauksena on, että etupyörä putoaa nopeammin kuin takapyörä, ja koska ne on liitetty jäykästi pystyakselia pitkin, etupyörä kääntyy sen sijaan, että se yksinkertaisesti kallistuisi toiselle puolelle, vaan kääntyy samaan suuntaan ja suoristaa polkupyörän asentoa.