Gyroskopické efekty majú takmer nič spoločné s vašou schopnosťou jazdiť na bicykli

2024 Autor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 09:38

Problém so silami spôsobenými gyroskopickým účinkom na typický bicykel spočíva v tom, že jednoducho nie sú mocní pri zvažovaní fyziky, ktorá má väčšinu stredu hmoty motocykla na vrchole (s vami na ňom). V podstate tvoríte obrátené kyvadlo, ktoré je oveľa ťažšie vyvážiť, než opačne.

Ak chcete ilustrovať, koľko sily je tu potrebné, nechajte človeka na bicykli, ktorý je úplne pokojný. Teraz skúste a držte bicykel a osobu v strede jednoduchým držaním okolo osi jednej z pneumatík. Ak chcete porovnať túto silu s množstvom generovaným z gyroskopických efektov, odoberte odpojenú bicykel na kolieskach a potiahnite na ne. Teraz niekto otočí pneumatiku naozaj rýchlo; akonáhle sa točí, skúste pneumatiku oprieť jedným alebo druhým smerom.

V tomto neskoršom prípade budete cítiť gyroskopické efekty, ale mali by ste to urobiť trochu ľahko, pretože sila, ktorú tu budete cítiť, je pravdepodobne len pár kilogramov alebo 5-10 libier (aj keď sa môže cítiť ako viac s ruky roztiahnuté a rovno pred vami). V predchádzajúcom prípade, s osobou sediacou na bicykli, ak neboli extrémne ľahké, alebo ste Hercules, predpokladám, že sa nedá ani priblížiť k tomu, aby ste ich udržali rovnovážnu, a to najmä vtedy, keď sú vaše ruky úplne roztiahnuté.

Ak vás to nepresvedčilo, pozrite sa na matematiku (príklad urobil Dr. Hugh Hunt z Cambridge University):

Pri rýchlom jazere rýchlosťou 12 mph (približne 6 m / s) sa otáča typické koleso (priemer 600 mm, obvod 2 m) 3 krát za sekundu, čo je rýchlosť odstreďovania w = 20 radiánov za sekundu.

Jeho periférna hmota, okolo m = 1 kg, je koncentrovaný na okraji, t.j. v polomere r = 300 mm. Moment zotrvačnosti J je preto J = Pán² = 0,1 kg m² (dosť blízko).

Predpokladajme, že padám a snažím sa použiť gyroskopický efekt, ktorý mi pomôže opäť tlačiť. Zvážte nejaké dosť zúrivé prehĺbenie riadidiel tam a späť sinusoidne rýchlosťou povedzme, F_rukoväť= 1,6 vĺn za sekundu (ekvivalent k uhlovej frekvencii prevíjania w _rukoväť= 2 p F_rukoväť = 10 radiánov za sekundu) a pri amplitúde, napríklad +/- 6 stupňov (tj M_rukoväť= 6/180 * p = 0,1 radián).

Prevrátené pohyby sú teda T_rukoväť = M_rukoväť sin (w_rukoväť T) a diferencovaním sa dosiahne maximálna rýchlosť otáčania rukoväte Q = w_zvládnuť. M _rukoväť = 10 x 0,1 = 1 rad / s. Toto je nútená miera precesie predného kolesa pôsobiaca ako gyroskop. Na svojom vrchole je pár potrebný na dosiahnutie tohto precesného pohybu v dôsledku gyroskopických účinkov M = J w Q = 0,1 * 20 * 1 = 2 Nm Na bicykli a I vážime napríklad 100 kg = 1000 N, takže gyroskopický efekt mi pomôže len vtedy, ak sa nakloním viac ako 2 mm z dokonale vzpriamenej polohy (1000 N * 0,002 m = 2 Nm).

Takže gyroskopický efekt na bicykli, dokonca aj pri rýchlosti 12 mph, prakticky nie je nič, čo by bolo potrebné na to, aby ste sa držali vo vzpriamenej polohe. Takže, ako nepadáš každých dvoch sekúnd na bicykli?

Čiastočne je to len kvôli vašej schopnosti vyrovnať sa. Pravdepodobne si však všimnete, že je ťažké zostať vyvážené na bicykli, keď stojíte na stoji. Keď začnete chodiť naozaj pomaly, zistíte, že prirodzene robíte veľké korekcie riadenia, aby ste sa vyrovnali. To je v podstate hlavná vec, ktorá vás naozaj udrží na bicykli pri akejkoľvek rýchlosti, a to korekčné riadenie. Ak pocítite nerovnováhu v jednom smere, spôsobí to, že budete riadiť bicykel týmto smerom, aby ste to kompenzovali, výsledná centrietačná sila skončí vyrovnávaním vás za predpokladu, že vaše nastavenie bolo správne množstvo otáčania vzhľadom na vašu rýchlosť a iné takéto faktory, Ak sa otočíte, budete musieť vykonať ďalšiu opravu, aby ste kompenzovali nerovnováhu, ktorá vznikla pri nadmernej korekcii. Čím rýchlejšie idete, tým menšia bude potrebná korekcia, aby ste boli vyrovnaní.

Na začiatku sú tieto nápravné pohyby pomerne veľké a často nadmerne kompenzujú, pretože vaše telo sa stále naučí jazdiť na bicykli. To je dôvod, prečo máte tendenciu byť trochu wobbly a veľa veľa, keď sa naučíte prvýkrát. Postupne sa tieto korekcie zmenšujú, menšia a presnejšia, kým si naozaj nevšimnete, že ich robíte vôbec, keď jazdíte na bicykli nad super pomalou rýchlosťou (samozrejme ich budete stále všímať, keď sa sotva pohybujú na bicykli a podobne, ako je uvedené vyššie).

Bonusové fakty:

• Mnohí ľudia si myslia, že ak ste si vzali dve pneumatiky a otočili ich opačným smerom, mali by ste mať rovnaký gyroskopický účinok, akoby sa točili tým istým smerom. V skutočnosti sa stane, že ak by sa kolesá otočili v opačnom smere, obe by sa vzájomne vyrušovali z hľadiska gyroskopického účinku. Táto skutočnosť sa používa na to, aby demonštrovala ľuďom, že môžu jazdiť na bicykli bez problémov bez gyroskopického efektu tým, že namontujú mimoriadne nadvihnuté kolesá, ktoré sa mierne zdvihnú zo zeme, čo protiúčet otočí skutočné pneumatiky.
• Čím ďalej smerom dopredu centrum hmoty pre bicykel + osobu, ktorá jazdí na bicykli, tým menší pohyb predných kolies bude potrebný na udržanie rovnováhy. To je pravdepodobne najpozoruhodnejšia pri niektorých vlastných motocykloch, kde predné koleso dobre vychádza z motocykla.
• Ďalším menej známym faktorom pri jazde na bicykli je niečo, čo sa nazýva "chodník". Jednoducho povedané, toto je miera, do akej miery sa vzdialenosť od bodu predného kolesa dotýka zeme, tiahne kontaktný bod osi riadenia, čo je miesto, kde sa celý mechanizmus riadenia (vidlica, riadidlá, predné koleso atď.) Otáča. Dlhšia cesta bude robiť bicykel oveľa stabilnejší ako kratší. Ak je však chodník príliš dlhý, bicykel bude ťažké riadiť. Bicykle s príliš malou stopou, alebo dokonca negatívnou cestou, sa budú cítiť neodvratne; aj keď kvôli korekčnému riadeniu ich stále môžete jazdiť. Kvôli problémom riadenia so zväčšenou značkou sú horské bicykle a turistické bicykle zvyčajne oveľa menšie ako cestné bicykle. V prípade horských bicyklov to umožňuje viac "agility" na bicykli, aby pomohlo kompenzovať hrubý terén. V prípade turistických bicyklov to pomáha kompenzovať skutočnosť, že s tebou budete pravdepodobne obalovať dosť batožiny a tým aj mimoriadne nízku hmotnosť na zem. To je dôvod, prečo jazda na bicykloch sa často bude cítiť nestabilne, ak nemáte túto batožinu pridanú a nízku na zem.
• Zatiaľ čo gyroskopické a stopové sily nie sú takmer dostatočné na to, aby ste boli vyvážené na bicykli, sú zvyčajne dostatočné na to, aby udržali bežiaci bicykel rovno, až kým sa spomalí na určitý bod, ktorý sa líši od bicyklu po bicykel na základe veľkosti kolies a chodníka.
• Niečo, čo sa nazýva "gyrobike", sa v súčasnosti vyvíja, aby pomohlo ľuďom naučiť sa jazdiť na bicykloch. Tento bicykel má vnútorný setrvačník, ktorý poskytuje výrazné zvýšenie gyroskopického efektu. Pôvodcovia tohto motocykla dúfajú, že by sa dalo vyvinúť tam, kde by gyroskopický efekt postačoval na udržanie motocykla väčšinou vyrovnaného aj s jazdcom, zatiaľ čo nebol príliš ťažkopádny bicykel, pokiaľ ide o hmotnosť a podobne.
• Ďalšie miesto, kde uvidíte tento podvedomý fenomén "auto-korekcie", je, keď sa snažíte stáť na jednom mieste na jednej nohe. Keď tak urobíte, musíte sa opatrne vyvážiť, aby ste neprepadli. Hneď ako začnete skákať, väčšina ľudí má len málo ťažkostí, aby sa udržali vyrovnaní. Je to preto, že keď spustíte, nielenže prirodzene generujete nápravné pohyby, ale aj vaša noha pristane okolo miesta, kde je potrebné, aby ste boli vyrovnaní.