Позвоните нам:

(495) 506-0761

(495) 930-7411
(905) 785-8537

ГАЗели, ЗИЛы, КамАЗы… А начиналось все с велосипеда

Если сделать смотр всему автопарку компании «Транспорт – Русь», то в глазах зарябит от обилия разнообразной мощной и массивной техники. Тут и грузовые автомобили разной грузоподъемности и спецтехника, предназначенная для погрузочных, монтажных, строительных работ. Сложно представить, а ведь начиналось это все с того, что человек изобрел велосипед…

Для начала рассмотрим устройства велосипеда. Речь идёт о давнем споре учёных, почему велосипед не падает. Например, давайте пустим велосипед ехать без водителя. Велосипед упадёт не сразу, а проехав достаточно большое расстояние около 50 метров. Есть также неоспоримый факт, что если велосипед стоит на месте удержаться на нём очень сложно. Если же он едет, велосипедист сделает это без труда. Чем же объяснить подобные эффекты.

Большая часть учебников механики и пособий по езде на велосипеде либо не рассматривает вопрос об их устойчивости вовсе, либо считает его слишком простым. Считается, что велосипед балансируется усилиями велосипедиста: когда велосипедист чувствует, что машина падает, он поворачивает её в сторону падения. Велосипед заворачивает и едет по кривой. Это помогает ему вернуться в вертикальное положение и избежать падения.

Более сложная теория, якобы объясняющая устойчивость велосипедиста, учитывает гироскопический эффект от его переднего колеса. Гироскопом обычно называется тело, достаточно быстро вращающееся вокруг своей оси. Классический пример гироскопа – обычный волчок. При попытке наклонить ось вращающегося волчка вы почувствуете сопротивление. Ось волчка начнёт перемещаться не в том направлении, куда вы его толкаете, а в перпендикулярном. Это явление называется «гироскопическим эффектом». Благодаря ему ось вращающегося волчка обычно движется по конусу, как это показано на рисунке 2: под действием силы тяжести, направленной вертикально, ось поворачивается в горизонтальной плоскости. Направление поворота оси зависит от направления вращения волчка вокруг оси.

Чем больше масса волчка и скорость его вращения, тем больше гироскопический эффект: тем быстрее поворачивается ось волчка при попытке его наклонить. Быстро вращающееся переднее колесо -  это тот же волчок. При наклоне велосипеда на ось колеса действуют силы, стремящиеся повернуть её вместе с велосипедом. При этом ось, вилка и руль за счёт гироскопического эффекта должны поворачивать в плоскости, перпендикулярной плоскости велосипеда. Велосипед заворачивает и благодаря этому возвращается в вертикальное положение.

Привлекательность этой теории в том, что велосипед копируется катящимся обручем, который действительно устойчив именно по этой причине. Велосипед в такой интерпретации попросту обруч с прицепом.

Некоторые теоретики высказали сомнение по поводу этой теории. Они чувствовали, что масса велосипедного колеса слишком мала, чтобы создать гироскопический эффект, достаточный для выравнивания тяжёлого велосипеда.

Д.Х.Э. Джоунс в 1970 году начал свою серию экспериментов по этому вопросу. Ему пришло в голову, что было бы занятно построить неустойчивый велосипед, который выбьет из седла самого опытного велосипедиста. Сначала он видоизменил стандартный велосипед, насадив на его вилку второе колесо, не касающееся поверхности земли, так что это колесо можно было вращать в направлении, обратном направлению вращению переднего колеса велосипеда. Этим должно было устраняться влияния гироскопического эффекта. Он назвал это устройство «Неуправляемый велосипед», сокращённо НВ-1. Вёл себя НВ-1 несколько странно (Джоунс приписал это увеличившейся массе вилки с передним колесом), но это не слишком затрудняло управление даже при средних водительских способностях и средних скоростях. Это означало, что гироскопический эффект оказывал очень незначительное влияние на управление велосипедом при езде с малой скоростью.

Силы действующие на велосипед

Неожиданный результат удивил исследователя. Если велосипед, рассматриваемый как обруч с прицепом, не стабилизируется благодаря гироскопическому эффекту, то, может быть, обруч вообще не гироскоп?

Он проделал эксперимент над дополнительным колесом НВ-1, пристроив к  нему внутренний обруч, который мог вращаться в противоположном направлении. Устройство благополучно падало, когда он пробовал его катить. Значит, обруч ведёт себя как гироскоп.

Волчок Колесо

Было проведено ещё одно более суровое испытание: будет ли НВ-1 управляемым, если руки водителя убраны с руля? По единственной, вероятно теории управления велосипедом «без рук» предполагалось, что водитель наклоняет раму угловыми движениями своего тела и таким образом рулит, используя поворот переднего колеса за счёт гироскопического эффекта.

Осторожно и с большими опасениями за результат Джоунс провёл эксперимент, во время которого велосипед ехал под уклон; тем самым, исключая влияние нажима на педали велосипеда. НВ-1 не очень удобен для езды «без рук»  даже при статическом варианте. Что-то терялось в балансе, и в том случае, когда переднее и дополнительные колёса вращались в разные стороны, управлять им было трудно, но всё же возможно.

виды колеса

Затем исследователь попытался катить НВ-1 без водителя. Когда дополнительное колесо вращалось в сторону, противоположную направлению вращения переднего колеса велосипеда, велосипед неуклюже падал; когда же колесо вращалось в ту же сторону, что и переднее колесо, велосипед падал спокойно, пробежав до этого круг.

Итак, становится понятно, что лёгкий, лишённый водителя велосипед может стабилизироваться гироскопически, а более тяжёлая модель – нет.

В конечном итоге исследователь выяснил, что основное влияние оказывает точка контакта шины с землёй. Эта точка находится за управляющей осью руля. В результате, когда велосипед наклоняется, момент силы F реакции земли, который поворачивает переднее колесо вокруг оси  вращения руля.

Таким образом мы получаем, что гироскопический эффект в велосипеде наблюдается. Но он действительно влияет на устойчивость велосипеда лишь при больших скоростях или в случае облегчённого велосипеда (велосипеда без водителя). Отсутствие гироскопического велосипеда не делает езду на нём невозможной.

В начало страницы..>>