Dlaczego rower nie przewraca się podczas jazdy – główne przyczyny

Pod koniec XIX wieku, gdy do użytku weszły rowery, trzeba było zdobyć na nie prawo jazdy. Zebrano renomowaną komisję, której zadaniem było nauczanie teorii i praktyki jazdy oraz wydawanie tablic rejestracyjnych. Nie pozwolono nikomu przekazać pojazdu. Powód ostrożność tłumaczył zwiększonym ryzykiem związanym z jazdą na dwóch kółkach. Zwykły człowiek nie może zrozumieć, dlaczego rower nie przewraca się podczas ruchu. O dziwo, nawet fizycy badający działanie układów kołowych nie potrafią jednoznacznie odpowiedzieć na to proste pytanie.

Analiza teoretyczna i eksperymenty z dziedziny fizyki wykazały, że żyroskopowy moment pędu i dodatni skok widelca nie są wystarczające dla stabilności roweru. Oprócz sterowania kontrolowanego istnieje również sterowanie automatyczne. Co więcej, rozkład obciążenia odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu równowagi. Jak widać, przy dość długim życiu roweru, wciąż odkrywane są i dopracowywane nowe właściwości.

Dlaczego rower nie przewraca się podczas jazdy

Aby wyjaśnić łatwość zadania, często używa się metafory: „to tak elementarne jak jazda na rowerze”. Tak naprawdę trzeba dbać o to, by środki transportu nie spadały. Początkowo uważano, że rower jeździ na koszt kolarza. Osoba wyczuwa nachylenie konstrukcji, skręca lekko kierownicę w kierunku spadku i niweluje jazdę. Jednak przy dużej prędkości rower zyskuje stabilność i nie spadnie, nawet po zwolnieniu kierownicy. Później pojawiły się hipotezy o żyroskopowym działaniu przedniego koła i układu kierowniczego. Okazało się jednak, że rowery niekierowane i zrobotyzowani rowerzyści też nie spadają.

Podstawowe pytanie o przyczynę stabilności brzmi: co powoduje odpowiednią relację między wychyleniem i obrotem? Istnieje ogólnie przyjęty pogląd: efekt ten występuje w wyniku działania momentu obrotowego (żyroskopowego) i dodatniego wychylenia widelca. Stabilizujące działanie przedniego koła oraz siła odśrodkowa spowodowana odchyleniem ruchu od prostego toru są czynnikami niezbędnymi dla zachowania równowagi roweru.

Z punktu widzenia fizyki

Naukowcy zidentyfikowali wzór, który utrzymuje stabilność pojazdów dwukołowych. Przedni widelec zajmuje centralne miejsce. Układ ten polega na pochyleniu osi kierownicy względem podłoża. Punkt przecięcia znajduje się przed linią kontaktu koła roweru z drogą. Jeśli kąt nachylenia rumpla odbiega od ustawionej wartości, generowana jest siła reakcji, która przywraca transporter do pozycji. W ten sposób sam rower pomaga utrzymać równowagę.

Aby wykonać skręt, jeździec musi zmienić środek ciężkości. Na przykład, gdy rower jest pochylony w prawo, przednia oś jest również pochylona w prawo, a koło, obracając się zgodnie z ruchem wskazówek zegara (patrząc od dołu), częściowo przekazuje reaktywny moment obrotowy do jednostki kierującej. Siła odśrodkowa ma tendencję do obracania kierownicy w prawo. Aby wykonać skręt, rowerzysta pochyla się w lewo, odchylając rower i koła w prawo.

Drugim czynnikiem wpływającym na stabilność pojazdu jest przyrost prędkości przy zwalnianiu i skręcaniu. Działanie stabilizujące powoduje powrót kół do właściwej pozycji i zapobiega przewróceniu się roweru. Doświadczony rowerzysta używa rąk na punktach mocowania, aby kierować 2-3 mm w głąb drogi.

Efekt żyroskopowy

Teoria równowagi oparta jest na znanym zjawisku fizycznym wykorzystywanym w kosmosie, lotnictwie i nawigacji morskiej. Właściwość obracającego się obiektu polegająca na utrzymywaniu kierunku ruchu nazywana jest siłą żyroskopową. Działanie to jest widoczne podczas jazdy na rowerze, gdy jest on przechylony. Dopóki koła się kręcą, pojazd utrzymuje równowagę i nigdy się nie przewraca. Przykładowo, julitowy lub dziecięcy helikopter „działa” tylko wtedy, gdy się kręci. Aby sprawdzić hipotezę, fizycy stworzyli specjalną konstrukcję roweru. Z przodu zainstalowano dodatkowe koło, które nie dotykało ziemi i obracało się w przeciwnym kierunku. Wynik eksperymentu zaskoczył naukowców. Rower poruszał się idealnie i nie spadał bez żyroskopu.

Tak więc, po potwierdzeniu głównych czynników wpływających na stabilność dwukołowca w ruchu, naukowcy wciąż dyskutują nad nowymi wersjami.

Ciekawostki

V.A. Yakubovich

1. Matematyczną teorię wyjaśniającą stabilność roweru w ruchu wysunął doktor nauk V.A. Yakubovich. Naukowiec wyjaśnił, dlaczego nigdy nie udało się stworzyć autonomicznego robota sterującego rowerem. Krążące w internecie informacje o mechanicznych rowerzystach okazały się fałszywką. Bliższe przyjrzenie się cybernetykowi ujawniło szereg sztuczek. Wynalazcy przymocowali ciężarki, aby zwiększyć stabilność konstrukcji, obniżyli środek ciężkości i rozpędzili jadący rower do dużych prędkości.

Przeciwnicy naukowca dowodzą, że jest inaczej. Robot uczy się bardzo szybko. Wynika to ze względnej prostoty jej zadań: trzeba jedynie nauczyć się utrzymywać równowagę. Ma zdolność, której nie ma człowiek: reaguje błyskawicznie i „podryguje” kierownicą 5 razy na sekundę.

2. Rower bez kolarza może automatycznie kierować się, by się nie przewrócić – twierdzą naukowcy z USA. Dzięki linearyzowanym obliczeniom stabilności badacze zaprojektowali rower z dodatkowymi kołami skręcającymi w przeciwnym kierunku i ujemną postawą kierownicy.
3. Opinia różni się od hipotez fizyków. Źródła energii roweru znajdują się w głowie kolarza. Ludzki mózg ciężko pracuje, abyśmy się nie przewrócili. To właśnie podświadomy umysł utrzymuje równowagę rowerzysty.

Wniosek

Dowody potwierdzają znaczenie żyroskopu i kółek w utrzymaniu stabilności roweru podczas jazdy. Nie ma jednak jednoznacznego wyjaśnienia, dlaczego rower nie przewraca się podczas jazdy. Może istnieć dodatkowa siła, której zrozumienie chwilowo wykracza poza obecną wiedzę.