Giroskopiskie efekti gandrīz neko nedara ar jūsu spēju braukt ar velosipēdu

2024 Autors: Sherilyn Boyd | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 09:37

Problēma ar spēkiem, kas rodas no žiroskopiskā efekta uz tipisku velosipēdu, ir tā, ka viņi vienkārši nav ļoti spēcīgi, domājot par fiziku, kas ir saistīta ar lielāko daļu no velosipēda masas centra augšdaļā (ar jums uz to). Jūs būtībā veidojat apgrieztu svārstu, kas ir daudz grūtāk līdzsvarā, nekā otrādi.

Lai ilustrētu, cik liels spēks šeit ir nepieciešams, lai cilvēks nokļūtu velosipēdā, kas ir pilnīgi vēl. Tagad mēģiniet turēt velosipēdu un cilvēks centrā, vienkārši turot ap kādu no riepas ass. Lai salīdzinātu šo spēku ar summu, kas iegūta no žiroskopiskiem efektiem, noņemiet noņemamo velosipēda riepu ar naglām uz sāniem un piestipriniet pie tiem. Tagad kāds spiestu riepu ļoti ātri; Kad tas ir vērts, mēģiniet noliec riepu vienā vai otrā virzienā.

Šajā vēlākajā gadījumā jūs jutīsiet žiroskopiskos efektus, bet jums vajadzētu būt iespējai izdarīt to nedaudz viegli, jo spēks, kurā jūs jutīsieties, iespējams, ir tikai daži kilogrami vai 5-10 mārciņas (lai gan tas varētu justies kā vairāk ar rokas izstieptas un taisni pie tevis). Iepriekšējā gadījumā ar personu, kas sēdēja uz velosipēda, ja vien tie nebija ārkārtīgi gaiši vai jūs esat Herkuls, es domāju, ka jūs pat nevarētu tuvināties līdzsvara saglabāšanai, it īpaši, ja jūsu rokas ir pilnībā izstieptas.

Ja tas jūs neticēja, ieskatieties matemātikā (piemēram, Kembridžas universitātes Dr Hugh Hunt).

Braucot diezgan ātri 12 mph (aptuveni 6 m / s), tipisks velosipēda ritenis (diametrs 600 mm, apkārtmērs 2 m) rotē 3 reizes sekundē, kas ir griešanās ātrums w = 20 radians sekundē.

Tās perifērijas masa, aptuveni m = 1kg, ir koncentrēts pie malas, t.i., rādiusā r = 300 mm. Inerces moments J ir tāpēc J = m r² = 0,1 kg m² (pietiekami tuvu).

Pieņemsim, ka es nokritu, un mēģinu izmantot žiroskopisko efektu, lai atkal spiedītu mani vertikāli. Apsveriet kādu diezgan izmisīgu braukšanu ar stūres bultām sinusoidāli ar ātrumu, teiksim f_rokturis= 1,6 vobbles sekundē (ekvivalents leņķiskajam bobslēšanas biežumam) w _rokturis= 2 p f_rokturis = 10 radians sekundē) un pie amplitūdas, teiksim, +/- 6 grādiem (ti M_rokturis= 6/180 * p = 0,1 radians).

Tāpēc kustības kustība ir T_rokturis = M_rokturis grēks (w_rokturis t), un to diferencēšana dod maksimālo roktura ātrumu Q. = w_rokturis M _rokturis = 10 * 0,1 = 1 rad / s. Tas ir piespiedu precesijas ātrums priekšējam ritenim, kas darbojas kā žiroskops. Savā maksimumā pārim, kas vajadzīgs, lai sasniegtu šo precedences kustību, pateicoties žiroskopiskiem efektiem, ir M = J w Q. = 0.1 * 20 * 1 = 2 N m Velosipēds un es nosveru, teiksim, 100 kg = 1000 N, tāpēc žiroskopiskais efekts man palīdzēs tikai tad, ja es nevelkšu tālāk par 2 mm no pilnīgi vertikāla stāvokļa (1000 N * 0.002 m = 2 N m).

Tāpēc žiroskopiskā ietekme uz velosipēdu, pat pie 12 jūdzēm stundā, praktiski nav nekas, kas būtu nepieciešams, lai jūs uzturētu taisni. Tātad, kā jūs katru divu sekunžu laikā neatstājat savu velosipēdu?

Daļēji tas ir saistīts tikai ar jūsu spēju līdzsvarot. Tomēr jūs, iespējams, pamanījāt, ka ir grūti palikt līdzsvarā ar velosipēdu, kad stabs stāv. Kad jūs sākat iet ļoti lēni, jūs ievērosities, ka jūs, protams, veicat lielas stūrēšanas korekcijas, lai saglabātu sev līdzsvarotu. Patiesībā tas ir primārais fakts, kas faktiski uztur jūs ar velosipēdu jebkurā ātrumā, proti, koriģējošu stūrēšanu. Ja jūs jūtat nelīdzsvarotību vienā virzienā, tas radīs jums vadīt velosipēdu šajā virzienā, lai kompensētu, kā rezultātā no centrifūgas spēks nonāk līdzsvarošanai, pieņemot, ka jūsu korekcija ir pareiza apgriezienu daudzuma, ņemot vērā jūsu ātrumu un citus šādus faktorus. Ja jums pāri ir pagriezta, tad jums būs jāveic vēl viena korekcija, lai kompensētu nelīdzsvarotību, kas radusies no jūsu labošanas. Jo ātrāk jūs iet, jo mazāka korekcija, kas nepieciešama, lai saglabātu jums līdzsvaru.

Sākumā šie koriģējošie kustības mēdz būt salīdzinoši lieli un bieži ar jums pārmērīgi kompensē, jo jūsu ķermenis joprojām mācās braukt ar velosipēdu. Tāpēc, kad jūs pirmo reizi mācāties, jūs parasti ir mazliet vilkts un daudz vrakam. Laika gaitā šīs korekcijas kļūs mazākas un mazākas un precīzākas, līdz brīdim, kad velosipēds brauksit virs pārāk lēna ātruma, jūs redzēsiet, ka jūs to īsti nemeklējat, ka jūs to darāt vispār (protams, jūs to ievērosiet, kad tikko pārvietosieties uz velosipēdu un līdzīgi, kā norādīts iepriekš).

Bonus fakti:

• Daudzi cilvēki domā, ka, ja jūs paņēmāt divas riepas un vērptu tos pretējos virzienos, jums būtu tāda pati žiroskopiskā efekts, it kā viņi vērstos vienā virzienā. Faktiski, kas notiks, ir tas, ka, ja riteņi būtu vērsti pretējos virzienos, abi varētu atteikties no cita, ņemot vērā žiroskopisko efektu. Šis fakts tika izmantots, lai parādītu cilvēkiem, ka viņi bez braukšanas ar žiroskopu var braukt ar velosipēdu, uzstādot papildu riteņus, kas nedaudz pievilkti uz zemes, kas pretojas rotējošajām riepām.
• Tālāk uz priekšu ir velosipēda masas centrs + velosipēdisma braucējs, jo mazāk priekšējo riteņu kustības, kas būs nepieciešami, lai uzturētu līdzsvaru. Tas, iespējams, ir visievērojamāki dažos pasūtījuma motociklos, kur priekšējais ritenis labi izkāpj no motocikla.
• Vēl viens mazāk zināms faktors velosipēdistu braukšanas spējas ir kaut kas sauc par "taku". Vienkārši sakot, tas ir pasākums, cik lielā mērā attālums no priekšējā riteņa punkta pieskaras zemes takai, kas ir stūres ass kontakta punkts, kur visu stūres mehānismu (dakša, stūres, priekšējais ritenis utt.) Pagriež. Garākā taka padarīs velosipēdu daudz stabilāku nekā īsāku. Tomēr, ja taka ir pārāk gara, velosipēds jutīsies grūti vadīt. Velosipēdi ar pārāk mazu taku vai pat negatīvu taku patiešām jutīsies nestabilā veidā; taču, pateicoties koriģējošai stūrēšanai, jūs joprojām varat tos braukt. Sakarā ar stūrēšanas jautājumu ar palielinātu taku, kalnu velosipēdiem un tūristu velosipēdiem parasti ir daudz mazāk taku nekā ielu velosipēdi. Kalnu velosipēdu gadījumā tas ļauj vairāk velosipēds "virzīties", lai palīdzētu kompensēt aptuvenu reljefu. Tūrisma velosipēdu gadījumā tas palīdz kompensēt to, ka jūs, iespējams, iesaiņojat ar diezgan mazu bagāžu ar tevi, un tādējādi papildus zemam ir zems svars. Tieši tāpēc tūristu velosipēdi bieži vien šķiet nestabili, ja jums nav šīs bagāžas un zemāka.
• Kaut gan žiroskopiskie un taka spēki nav pietiekami, lai jūs līdzsvarotu ar velosipēdu, tie parasti ir pietiekami, lai nepārtrauktu velosipēdu iet taisni, kamēr tas palēninās līdz noteiktam punktam, kas atšķiras no velosipēda uz velosipēdu, pamatojoties uz riteņa izmēru un taku.
• Pašlaik tiek izstrādāts kaut kas, ko sauc par "gyrobike", lai palīdzētu cilvēkiem iemācīties braukt ar velosipēdiem. Šim velosipēdam ir iekšējais spararats, kas ievērojami palielina žiroskopisko efektu. Šā velosipēda izgudrotāji cer, ka to var attīstīt, ja giroskopiskais efekts būtu pietiekams, lai velosipēds lielākoties būtu līdzsvarots pat ar braucēju, tomēr tas nav pārāk apgrūtinošs velosipēds svara ziņā un tamlīdzīgi.
• Vēl viena vieta, kur redzēsit šo nedaudz zemapziņas "automātiskās labošanas" fenomenu, pop up ir, ja jūs mēģināt stāvēt vienā vietā vienā kājā. To darot, jums ir rūpīgi jāsamierinās ar sevi, lai nenostrādātu. Tiklīdz sākat lēkt, tomēr lielākajai daļai cilvēku ir grūti ietaupīt līdzsvaru. Tas ir tāpēc, ka, kad jūs apiņu, jūs ne tikai nedaudz dabiski rada koriģējošas kustības, bet jums būs arī jūsu kāju zeme, kur tā ir, lai saglabātu sevi līdzsvarotu.