Почему велосипед устойчив

Психология и физиология восприятия информации

Держусь я только на ходу,
А если встану - упаду.
С. МАРШАК.

В самом деле, почему он устойчив? Какие силы удерживают на ходу в равновесии конструкцию, абсолютно неустойчивую в неподвижности?

Выяснить это несколько лет назад задался целью английский ученый - химик и спектроскопист Дэвид Джонс. Он решил заняться сам проверкой существующих объяснений устойчивости велосипеда. А теорий на этот счет есть несколько:

1. Велосипед должен быть устойчив за счет действий своего "всадника", который, чувствуя, что его экипаж наклоняется, поворачивает руль в сторону падения. Велосипед начинает двигаться по кривой, появляется центробежная сила, направленная в сторону, противоположную наклону. Она-то и выправляет машину. Эта точка зрения объясняет, почему неподвижный велосипед падает, почему держать равновесие тем легче, чем выше скорость, и почему на велосипеде, у которого руль не поворачивается, ездить нельзя.

Тем не менее эта теория не может быть верной, или по крайней мере она верна не до конца. Каждый, кто ездил на велосипеде, наверняка заметил, что на большой скорости велосипед очень устойчив и упасть не может, даже если этого захотеть. На ходу велосипед в значительной степени устойчив сам, и задача седока в том, чтобы не мешать машине проявлять эту устойчивость,

Джонс показывает, что на его НВ-1 - велосипеде с нейтрализованными гироскопическими силами - можно ездить даже "без рук".

Можно сказать, обучение езде на велосипеде в том и состоит, чтобы привить обучающемуся доверие к устойчивости машины и научить поддерживать ее своевременными легкими поворотами руля. Если разогнать велосипед без седока, то он продержится на колесах секунд двадцать пройдя немалый путь, прежде чем упадет. Неподвижный же велосипед рухнет сразу - стоять он не может. Итак, действия седока - важный, но не единственный фактор.

2. Более сложная теория устойчивости велосипеда учитывает гироскопическое действие переднего колеса.

Велосипед устойчив, если центр его тяжести находится между опорами - точками касания колес и земли, на одной прямой с этими точками. Когда велосипед наклоняется, центр тяжести оказывается сбоку от этой прямой, и машина начинает падать. Однако одновременно с наклоном появляется гироскопическая сила, та самая, которая не дает падать любому вращающемуся волчку - а ведь колеса вращаются! Поскольку переднее колесо укреплено так, что может поворачиваться, эта сила поворачивает его в сторону наклона машины, точка касания им земли смещается в ту же сторону, и центр тяжести снова оказывается между линиями опор.

Следовало убрать гироскопическую силу - один из факторов, за счет которых велосипед может быть устойчивым, Для этого был сделан . "неездящий велосипед первой модели" - НВ-1: на передней вилке обычного велосипеда было дополнительно укреплено колесо, которое не касалось земли, равное по массе и диаметру переднему колесу. Когда его раскручивали в сторону, противоположную вращению ходового колеса, создавался гироскопический момент противоположного знака, так что суммарный момент обоих колес становился равным нулю.

Однако НВ-1 обманул надежды, возложенные на него: ездить на нем было достаточно легко. Он хорошо управлялся как привращении дополнительного колеса в любую сторону, так и при полной его неподвижности. Стало ясно, что гироскопические силы играют крайне малую роль при езде на обычных, нормальных скоростях. Когда же этот "неездящий велосипед" запустили без седока, он повел себя очень интересно. Если до полнительное колесо вращалось против вращения переднего колеса, то он падал почти мгновенно. А при вращении колес в одну сторону этот велосипед продемонстрировал изумительную устойчивость даже на низкой скорости. Результат получился со вершенно очевидным: пустой, легкий велосипед стабилизируется гироскопическим воздействием, а тяжелый велосипед с седоком - нет, он требует от человека постоянных усилий для поддержания его в равновесии. Комбинация двух простых теорий вроде бы достаточно точно объясняет все факты.

НВ-2 - велосипед с перевернутой передней вилкой - оказался удивительно устойчивым.

Но все-таки остается открытым вопрос: почему велосипедист чувствует такую устойчивость своей машины? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно было попытаться прокатиться на НВ-1 без рук: единственная разумная теория такой езды предполагает, что в этом случае велосипедист наклоняет раму перемещением корпуса и этим вызывает появление гироскопической силы на переднем колесе.

Оказалось, что ездить без рук на НВ-1 даже при скомпенсированных гироскопических силах было хотя и очень трудно, но можно!

Значит, существуют и другие силы, которые стабилизируют движущийся велосипед. Кроме уже упомянутых двух, существуют еще три теории, которые рассматривают различные возможные причины его устойчивости.

3. Велосипед держится прямо за счет толщины своих шин (являя собой нечто вроде узкого асфальтового катка).

4. Когда велосипед наклоняется, шина переднего колеса начинает касаться земли не серединой, а боком. За счет трения появляется сила, поворачивающая колесо в сторону наклона. Велосипед начинает двигаться по кривой, и дальше все согласно теории № 1.

5. Эта теория обращает внимание на геометрию рулевого управления. Заметим, что у всех велосипедов ось руля наклонена назад, а конец передней вилки выгнут вперед. Если мысленно продлить ось руля до пересечения с землей, то мы увидим, что точка касания земли передним колесом находится позади этого пересечения (см. рис.). Именно такое устройство переднего колеса обеспечивает при наклоне велосипеда появление силы, которая поворачивает это колесо в сторону наклона и восстанавливает устойчивость. "Самоустанавливающиеся" свойства колес с такой подвеской широко используются в технике, начиная от рояльных колесиков до переднего шасси самолета.

Теория 3 явно несерьезна. Теория 4 весьма сомнительна, так как сила трения очень невелика и к тому же зависит от того, насколько сильно накачана шина. Джонс решил проверить пятую теорию. Для этого он "перевернул" переднюю вилку, получив НВ-2. У этого велосипеда точка касания передним колесом земли отнесена назад сильнее обычного. НВ-2 был довольно неуклюж, но удивительно устойчив, особенно без седока и на большой скорости. При наклоне он не просто шел по кривой, но и активно выравнивался, не боясь толчков и ударов. Но по мере снижения скорости при запуске без седока он начинал раскачиваться, все сильнее и сильнее наклоняясь то в одну, то ? другую сторону. Размах колебаний увеличивался, и ? конце концов НВ-2 падал. Все это объясняется тем, что его стабилизирующие силы при таком устройстве передней вилки были чересчур велики. На отклонения велосипед реагировал слишком сильно, давая слишком большое отклонение в противоположную сторону, что при отсутствии седока в конце концов приводило к падению. НВ-2 замечательно держит направление, но ездить на нем трудно: он слишком устойчив, чтобы быть управляемым. Такой машиной был бы очень доволен флегматичный ездок, не имеющий чувства равновесия и не выбирающий дороги. Интересно, что именно так устроена передняя вилка у велосипедов для гонок за лидером, где требуется особая устойчивость на высокой скорости, но не нужна маневренность.

Стало ясно, что гипотеза 5 верна: стабилизация велосипеда происходит благодаря "самоустанавливающимся" свойствам переднего колеса. Для того, чтобы окончательно убедиться в этом, был сделан новый неездящий велосипед, НВ-3, ось переднего колеса которого была сдвинута на десять сантиметров вперед (см. фото). В результате точка касания колесом земли оказалась далеко впереди пересечения оси руля с землей. Он оказался, как и следовало ожидать, крайне неустойчивым. Если его подталкивали вперед без седока, он падал сразу же.

Правда, ездить на нем все же можно было, но для этого Джонсу приходилось демонстрировать чудеса ловкости, что доказывает лишь высокие приспособительные качества человека как управляющей системы. Итак, вопрос, поставленный в заголовке статьи, как будто получил ответ. Но истина гораздо сложнее и еще не постигнута нами. Американские инженеры Уитт и Уилсон в книге "Велосипедная наука", вышедшей в 1974 году, перечисляют около полутора десятков факторов, влияющих на устойчивость велосипеда. Здесь и упоминав шиеся в настоящей статье - реакция велосипедиста, устройство передней вилки, гироскопический эффект и другие не исследовавшиеся Джонсом,- масса самой машины и отношение массы велосипедиста к массе велосипеда, расстояние между колесами (при коротком высока маневренность, мала стабильность, при большом, как у тандемов,- наоборот), пружинистость рамы и даже жесткость связи седока с машиной (имеются ли на педалях зажимы для ног - туклипсы, подпружинено ли седло). Отразить взаимодействие всех этих факторов в единой "формуле велосипеда", возможно, никогда не удастся. Математическая теория велосипеда далека от завершения. Эта простая машина наверняка держит в запасе кое-какие сюрпризы для своих будущих исследователей.

Cхема подвески переднего колеса обычного велосипеда. Выделено расстояние между точкой контакта колеса с дорогой (А) и пересечением мысленно продолженной оси руля с дорогой (В). Если отрезок АВ направлен вперед, велосипед обладает нормальной устойчивостью и гибкостью в управлении. В середине-устройство переднего колеса у велосипеда для гонок за лидером. Такое колесо имел и НВ-2 Джонса. Здесь отрезок АВ направлен также вперед, но сильно увеличен, что дает излишнюю стабильность. На правом рисунке - устройство передней вилки у НВ-3. Отрезок АВ направлен назад, всякая устойчивость отсутствует.

Главное меню

Зрительное восприятие

Слух, обоняние, вкус

О жажде

Что такое жажда

Головной мозг

Дополнительно