Γιατί δεν πέφτει το ποδήλατο κατά την οδήγηση – οι κύριοι λόγοι

Στα τέλη του 19ου αιώνα, όταν άρχισαν να χρησιμοποιούνται τα ποδήλατα, έπρεπε να πάρετε άδεια για αυτά. Συγκροτήθηκε μια αξιόπιστη επιτροπή για τη διδασκαλία της θεωρίας και της πρακτικής της οδήγησης και για την έκδοση πινακίδων. Κανείς δεν επιτράπηκε να παραδώσει το όχημα. Ο λόγος της επιφυλακτικότητας εξηγείται από τον αυξημένο κίνδυνο που ενέχει η οδήγηση δικύκλου. Ένας απλός άνθρωπος δεν μπορεί να καταλάβει γιατί ένα ποδήλατο δεν πέφτει όταν κινείται. Παραδόξως, ακόμη και οι φυσικοί που μελετούν τη λειτουργία των τροχοφόρων συστημάτων δεν μπορούν να απαντήσουν με σαφήνεια σε αυτό το απλό ερώτημα.

Η θεωρητική ανάλυση και τα πειράματα φυσικής έχουν δείξει ότι η γυροσκοπική ορμή και η θετική γωνία του πιρουνιού δεν επαρκούν για τη σταθερότητα του ποδηλάτου. Εκτός από την ελεγχόμενη οδήγηση, υπάρχει και η αυτόματη οδήγηση. Επιπλέον, η κατανομή του φορτίου παίζει βασικό ρόλο στη διατήρηση της ισορροπίας. Όπως μπορείτε να δείτε, με την αρκετά μεγάλη διάρκεια ζωής της μοτοσικλέτας, νέες ιδιότητες εξακολουθούν να ανακαλύπτονται και να βελτιώνονται.

Γιατί ένα ποδήλατο δεν πέφτει όταν οδηγεί

Για να εξηγηθεί το εύκολο έργο, χρησιμοποιείται συχνά μια μεταφορά: “είναι τόσο στοιχειώδες όσο η οδήγηση ποδηλάτου”. Στην πραγματικότητα, πρέπει να εμποδίζει κανείς την πτώση του μεταφορικού μέσου. Στην αρχή θεωρήθηκε ότι το ποδήλατο κινείται εις βάρος του αναβάτη. Ένα άτομο αντιλαμβάνεται την κλίση της κατασκευής, στρέφει το τιμόνι ελαφρώς προς την κατεύθυνση της πτώσης και ισοπεδώνει την οδήγηση. Όμως σε υψηλή ταχύτητα, το ποδήλατο αποκτά σταθερότητα και δεν πέφτει, ακόμη και όταν το τιμόνι αφήνεται ελεύθερο. Αργότερα, διατυπώθηκαν υποθέσεις σχετικά με τη γυροσκοπική δράση του μπροστινού τροχού και το σύστημα διεύθυνσης. Αλλά αποδείχθηκε ότι ούτε τα μη καθοδηγούμενα ποδήλατα και οι ρομποτικοί ποδηλάτες πέφτουν.

Το κύριο ερώτημα σχετικά με την αιτία της σταθερότητας είναι: τι προκαλεί την κατάλληλη σχέση μεταξύ κλίσης και στροφής; Υπάρχει μια γενικώς αποδεκτή άποψη: το φαινόμενο εμφανίζεται ως συνέπεια της περιστροφικής (γυροσκοπικής) ροπής και της θετικής προβολής του πιρουνιού. Η σταθεροποιητική δράση του μπροστινού τροχού και η φυγόκεντρος δύναμη που προκαλείται από την εκτροπή της κίνησης από την ευθεία τροχιά είναι απαραίτητοι παράγοντες για την ισορροπία του ποδηλάτου.

Από φυσική άποψη

Οι επιστήμονες εντόπισαν το μοτίβο που κρατά σταθερά τα δίκυκλα. Το μπροστινό πιρούνι βρίσκεται στο επίκεντρο. Η ρύθμιση περιλαμβάνει την κλίση του άξονα του τιμονιού σε σχέση με το έδαφος. Το σημείο τομής βρίσκεται μπροστά από τη γραμμή επαφής του τροχού του ποδηλάτου με το δρόμο. Εάν η γωνία του χειριστηρίου αποκλίνει από την καθορισμένη τιμή, δημιουργείται μια δύναμη αντίδρασης που επαναφέρει τον μεταφορέα στη θέση του. Με αυτόν τον τρόπο το ίδιο το ποδήλατο συμβάλλει στη διατήρηση της ισορροπίας.

Για να πραγματοποιήσει μια στροφή, ο αναβάτης πρέπει να αλλάξει το κέντρο βάρους. Για παράδειγμα, όταν το ποδήλατο έχει γωνία προς τα δεξιά, ο μπροστινός άξονας έχει επίσης γωνία προς τα δεξιά και ο τροχός, περιστρεφόμενος δεξιόστροφα (όταν εξετάζεται από κάτω), μεταφέρει εν μέρει την αντιδραστική ροπή στη μονάδα διεύθυνσης. Η φυγόκεντρος δύναμη τείνει να στρέψει το τιμόνι προς τα δεξιά. Για να κάνει τη στροφή, ο ποδηλάτης γέρνει προς τα αριστερά, εκτρέποντας το ποδήλατο και τους τροχούς προς τα δεξιά.

Ο δεύτερος παράγοντας που χρησιμοποιείται για την ευστάθεια του οχήματος είναι η αύξηση της ταχύτητας κατά την επιβράδυνση και την οδήγηση. Η δράση σταθεροποίησης επαναφέρει τους τροχούς στη σωστή θέση και εμποδίζει το ποδήλατο να πέσει. Ένας έμπειρος ποδηλάτης χρησιμοποιεί τα χέρια του στα σημεία στερέωσης για να κατευθύνει 2-3 mm στο δρόμο.

Γυροσκοπικό φαινόμενο

Η θεωρία της ισορροπίας βασίζεται σε ένα γνωστό φυσικό φαινόμενο που χρησιμοποιείται στο διάστημα, την αεροπορία και τη θαλάσσια ναυσιπλοΐα. Η ιδιότητα ενός περιστρεφόμενου αντικειμένου να διατηρεί την κατεύθυνση της κίνησής του ονομάζεται γυροσκοπική δύναμη. Η δράση αυτή παρατηρείται όταν οδηγείτε ένα ποδήλατο ενώ αυτό έχει κλίση. Όσο οι τροχοί περιστρέφονται, το όχημα διατηρεί την ισορροπία του και δεν πέφτει ποτέ. Για παράδειγμα, ένα γιορτινό ή παιδικό ελικόπτερο “λειτουργεί” μόνο όταν περιστρέφεται. Για να ελέγξουν την υπόθεση, οι φυσικοί δημιούργησαν ένα ειδικό σχέδιο ποδηλάτου. Στο μπροστινό μέρος τοποθετήθηκε ένας επιπλέον τροχός, ο οποίος δεν ακουμπούσε στο έδαφος και περιστρεφόταν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Το αποτέλεσμα του πειράματος εξέπληξε τους επιστήμονες. Το ποδήλατο κινήθηκε τέλεια και δεν έπεσε χωρίς γυροσκόπιο.

Έτσι, έχοντας επιβεβαιώσει τους κύριους παράγοντες που επηρεάζουν τη σταθερότητα ενός δικύκλου εν κινήσει, οι επιστήμονες εξακολουθούν να συζητούν νέες εκδοχές.

Ενδιαφέροντα γεγονότα

V.A. Yakubovich

1. Η μαθηματική θεωρία που εξηγεί την ευστάθεια ενός ποδηλάτου σε κίνηση διατυπώθηκε από τον διδάκτορα της επιστήμης V.A. Yakubovich. Ο επιστήμονας εξήγησε γιατί δεν έχει δημιουργηθεί ποτέ ένα αυτόνομο ρομπότ που να ελέγχει ένα ποδήλατο. Οι πληροφορίες για τους μηχανικούς ποδηλάτες που κυκλοφορούσαν στο Διαδίκτυο αποδείχθηκαν ψεύτικες. Μια πιο προσεκτική ματιά στον κυβερνητιστή αποκάλυψε μια σειρά από τεχνάσματα. Οι εφευρέτες τοποθέτησαν βάρη για να αυξήσουν τη σταθερότητα της κατασκευής, μείωσαν το κέντρο βάρους και επιτάχυναν το ποδήλατο οδήγησης σε υψηλές ταχύτητες.

Οι αντίπαλοι του επιστήμονα αποδεικνύουν το αντίθετο. Το ρομπότ μαθαίνει πολύ γρήγορα. Αυτό οφείλεται στη σχετική απλότητα των καθηκόντων του: το μόνο που πρέπει να μάθετε είναι να κρατάτε την ισορροπία σας. Έχει μια ικανότητα που δεν έχουν οι άνθρωποι: αντιδρά άμεσα και “τεντώνει” τον τροχό 5 φορές το δευτερόλεπτο.

2. Ένα ποδήλατο χωρίς αναβάτη μπορεί αυτόματα να κατευθύνεται μόνο του για να μην πέσει”, υποστηρίζουν οι Αμερικανοί επιστήμονες. Χάρη στους γραμμικοποιημένους υπολογισμούς σταθερότητας, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα ποδήλατο με επιπλέον τροχούς που στρέφονται προς την αντίθετη κατεύθυνση και αρνητική στάση του τιμονιού.
3. Η άποψη των ψυχολόγων είναι διαφορετική από εκείνη των φυσικών. Οι πηγές ενέργειας του ποδηλάτου βρίσκονται στο κεφάλι του αναβάτη. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος εργάζεται σκληρά για να μας αποτρέψει από το να πέσουμε. Το υποσυνείδητο είναι αυτό που κρατά τον ποδηλάτη σε ισορροπία.

Συμπέρασμα

Τα στοιχεία υποστηρίζουν τη σημασία του γυροσκοπίου και του τροχού για τη διατήρηση της σταθερότητας του ποδηλάτου κατά την οδήγηση. Αλλά δεν υπάρχει σαφής εξήγηση γιατί ένα ποδήλατο δεν πέφτει όταν οδηγείτε. Μπορεί να υπάρχει μια πρόσθετη δύναμη, η κατανόηση της οποίας είναι προσωρινά πέρα από τις σημερινές γνώσεις.