Hareket halindeyken bisikletin dik durmasını sağlayan nedir?

Hareket halindeyken bisikletin dik durmasını sağlayan nedir? Hız ve kararlılık arasındaki ilişki nedir? Doğrusal bir ilişki mi?

Bunu fizik sitesinde sorabilirim, ancak nispeten basit bir cevap bekliyorum. Üniversitede fiziğe giriş dersi aldım, bu yüzden temel fizik takdir edilmekle birlikte çok fazla bir şeyle değil.

Ben bisikleti dik tutan tekerleğin dönen kütlesi olmadığını düşünüyorum. Son zamanlarda, aynı kütle bisikletin yanında geriye doğru dönen bir tekerleğiniz varsa, bisikletin dengesini kaybetmeyeceğini belirten bir çalışma okudum. (Çalışmayı nerede okuduğumdan emin değilim).

Bisiklet sürerken neden bisikletler dik durur?

Bu soru son zamanlarda New Scientist dergisindeki uzun bir makalenin konusuydu. Özetlemek:

“Neden bu bisiklet kendi kendine istikrarı sağlamak için neden uygun miktarları uygun zamanlarda yönlendiriyor?” Kağıt sorar. “Hiçbir basit fiziksel açıklama bulamadık.”

http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html

Bu makale aynı zamanda, tam bir yer olamayacağınız - jiroskopik kuvvetlerin, uzun süredir tüm bisiklet stabilitesinin sonu ve sonu olduğu düşünüldüğü için - bilimsel olarak popüler bir şekilde hayal edilen bir sonuç olmadığı kanıtlanmıştır.

Makara üzerinde durmayan bir silindir üzerinde dik dururken, üzerinde hiçbir kimse yokken caddeden bir bisiklet yolladığınızda ne olduğunu tartışıyor - görünüşe göre sürücünün yaptığı ağırlık ve direksiyon ayarlarının hiçbir şeyi yok onunla yap.

Yeni Bilim Adamı makalesinin konuyla ilgili son söz olduğunu sanmıyorum. Ancak son zamanlarda (birkaç haftalık) ve gizem için iyi bir giriş. Keyfini çıkarın!

Bisiklet geometrisi bir dereceye kadar kendi kendine stabilite sağlar. Çatalın açısı ve tırmığı, ön lastiğin yalın olma eğiliminde olacağı bir durum oluşturur ve bu nedenle bir tarafa düşme eğilimini düzeltir.

Tekerleklerin jiroskopik etkisi kendi başına o kadar güçlü değildir, ancak direksiyon üzerindeki jiroskopik etki, lastiği "düşme" yönünde çevirmek ve hatta daha fazla kendi kendine stabilizasyon sağlamak için çatalın açısı / tırmığı ile çalışır.

Teoride, silindirler sokaktan farklı değildir - ön lastik ya silindirlerin kenarı bir çarpma meydana gelene ya da bisiklet stabilize olana kadar, eğim yönüne doğru dönecektir.

Bisikletler, geometrileri nedeniyle doğal olarak kararlıdır. Geometri, bisikletin daima eğilmeye başladığı yöne dönmesine neden olur, bu da dik durmasını sağlar. Sebep, en iyi karşı yönlendirme olarak bilinen bir konseptle gösteriliyor.

Karşı direksiyon, iki tekerlek aracının da nasıl döndüğüdür. Sola doğru çevirmek istediğinizde, gidonu biraz sağa çevirin. Tekerleklerin sürtünmesi bisikletin altını sağa doğru çekerek sola doğru yaslanmaya başlar. Daha sonra tutma çubukları dönüş boyunca izlemek için sola doğru sallanmaya başlar.

Dönüşü durdurmanın zamanı geldiğinde, gidonu biraz sola çevirin. Bu, bisikletin tabanını sola doğru daha fazla çeker ve bu da bisikletin tabanını doğrudan ağırlık merkezinin altına getirir ve dönüşü durdurur.

Birçok bisiklette ve düşük hızlarda, karşı direksiyon efekti birçok sürücü tarafından farkedilebilir. Bununla birlikte, yüksek hızlarda veya motor çevrimleri gibi daha ağır araçlarda daha önemlidir.

Peki bu sürücünün olmadığı yerde nasıl çalışıyor? Çataldaki tırmık ve yol açtığı ray nedeniyle. Çatalınızın ekseni üzerinden hayali bir çizgiyi zemine doğru izlerseniz, çarkın zemine temas ettiği yerin önündeki yere çarpacaktır.

Tekerlek direksiyon ekseninin arkasındaki toprağa temas ettiğinden, tekerlek her zaman yoldan dümdüz ileriye bakacak şekilde merkeze getirmeye çalışan bir güç hissedecektir. Bisiklet bir tarafa devrildiğinde, kuvvetler tekerleği bisikletin devirildiği tarafa itmeye başlar.

Böylece tüm bu kuvvetler toplanır. Çataldaki tırmık, bisikletin dümdüz ileri gitmek istemesini sağlar. Ve bir yönde veya diğerinde bir çarpma hissettiğinde, karşı direksiyon bisikleti diğer yöne getirme eğiliminde olacaktır. Daha sonra çatal tırmık ön tekerleği daha ileri itmeye başlar ve bu da karşı direksiyon nedeniyle bisikleti düzeltir.

Elinizdeki bir süpürgeyi dengelemek gibidir, tekerleği aşağıya çekmeye yönlendirirsiniz. Bisiklet üreticileri direksiyon geometrisini tasarlayarak yardım ederler; böylece bisikletle uğraşmazsanız, bisiklet kendi başına dik durur.

Jiroskopik kuvvetler yardımcı olur ancak zorunlu değildir.

Bu konuda daha yeni bir araştırma yapıldı: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

Daha önce bisikletin dönen tekerleklerinin jiroskopik etkilerle denge sağladığı düşünülmüştü; ve 'iz' (ön tekerleğin temas noktasının direksiyon ekseninin arkasından geçtiği mesafe) önemli bir rol oynar.

Ancak:

Bilimde yapılan yeni bir çalışmada konuyu çözdüğünü iddia ediyor - jiroskopik etkiler ve iz yardımı, TU Delft'teki 3mE fakültesi araştırmacılarından Arend Schwab'ın belli bir hızın üzerinde olması gerekmediğini söylüyor. Kraliyet Cemiyeti'nin 2007 tarihli Bildirilerinde (DOI: 10.1098 / rspa.2007.1857), belirli bir bisiklet tasarımının hangi hızlarda ve hangi hızlarda gerçekleşeceğini tahmin etmek için ortaya çıkan zamanda, yaklaşık 25 fiziksel parametreye sahip matematiksel bir model geliştirilmiştir. kararlı.

Yazarlar, küçük ve karşı dönen tekerleklere sahip bir İki Kütle Paten bisikleti tasarlamış ve inşa etmiş, bu da konuşacak jiroskopik bir etkinin olmadığı ve küçük bir negatif izin (başka bir deyişle, ön tekerleğin temas noktasının bulunduğu yerde) direksiyon ekseninin önünde marjinal olarak). Ancak bisiklet hareket ederken sabit kaldı.

Bu 7 dakikalık video , jiroskopik, tekerlek ve direksiyon etkilerini tartışan bisiklet stabilitesi hakkında bir açıklama sunar. Özellikle, stabilite kaynaklarından bir veya daha fazlası iptal edildiğinde bile dengelenebilecek (binicisiz) bisiklet örnekleri göstermektedir. Dolayısıyla, sürücüyü de içeren istikrarı sağlayan birkaç tasarım özelliği vardır.

Halen , bisiklet dengesini etkilediği düşünülen üç ana faktör vardır:

1. Ön tekerlek izi miktarı (yani tekerlek tekeri tasarımı)
2. Ön tekerlek direksiyon ekseninin önünde kütle dağılımı
3. Jiroskopik preparat

Modern bir bisiklette her üç bisiklet de birlikte çalışarak bir bisikletin otomatik olarak düşmeye yönelmesini sağlar ve böylece kendi kendini dengeleyici davranış sergiler. Bu otomatik direksiyon davranışı, bisikletin silindirlerde sabit durmasını veya zeminde hareket etmesini sağlar.

Stabilite, çoklu faktörlerin dengesi ile sağlandığı için, herhangi bir faktörün çok fazlası bir tasarımı dengesiz hale getirebilir (örn. Aşırı düzeltme). Ayrıca, tüm faktörler aynı etkiye sahip değildir. Yalıtımdaki bazı faktörler, başka faktörlerin yokluğunda bir bisikleti kendi başına sabit hale getirmek için yeterli olabilir (örneğin, direksiyon ekseninin önünde kütle dağılımı ).

Birden fazla faktörün varlığı aynı zamanda farklı kararlı tasarımların her bir faktörün farklı miktarlarını kullanabileceği anlamına gelir. Örneğin, 1940'larda randonneur bisikletleri çok daha az iz kullandı , ancak sabit bir bisiklet oluşturmak için direksiyon ekseninin önüne (yani dişli taşıyan ön çantalar) kütle ekledi.

MinutePhysics, bu etkilerin etkisini azaltan iyi bir kısa videoya sahip . Kararlı tasarımların çoğunda jiroskopik alayı (3) en düşük etkiye sahip olacağına inanıyorum.

Yukarıda da belirtildiği gibi, kendi kendine stabilite özelliklerinin desteğiyle, bisiklet sürerken bir bisikletin dik durmasının temel nedeni, bisikletin temas noktalarını kütle merkezinizin altında tutarak aktif olarak dengelemenizdir. Bisiklete binerken, bisikleti altınızda tutmak için ince dönüş hareketleri yapıyorsunuz - bisiklet sola düştüğünde, sola dönüyorsunuz, bu ön tekerleği hareket ettirip bisikleti altınıza geri koyuyor. Silindirlerde bunu bisikletin silindir boyunca ileri geri hareket ettiğini görebilirsiniz - ve bunu yapamadığınızda, düşersiniz.

Bu sürüşü öğrendikten sonra, bilinçli bir şekilde, direksiyon sürüşü sürerken bir bisiklete binmek oldukça zordur.

Çok fazla fiziğe girmeden temel cevap açısal momentumdur . Temel olarak, eğirme nesnesi (tekerlekleriniz), "ipucu" vermeye çalışırsanız, ters yönde bir kuvvet uygular. Bunu evde denemek için ön tekerleğinizi çıkarın. Aksa iki elinizle tutun ve tekerleği çevirin. Şimdi tekerleği devirmeye çalış. Tekerleğin nasıl geri çekildiğine dikkat edin. Tekerleğin dönmemesi ile aynı şeyi deneyin ve nasıl geri çekilmediğine dikkat edin. Tekerlek ne kadar hızlı dönüyorsa, geri o kadar sert çeker. İlişkinin doğrusal olup olmadığından emin değilim. Buraya açısal momentumun daha temel bir bakış için bir göz atın . Bisiklet lastiği kullanarak gösteri yapan bir videoyu gösterir.

Bu kadar basit olmalı:

• eylem = reaksiyon. Eğer bisiklet dikse, yan kuvvetler olmadıkça dik durur. Bu, bisiklet hareket etmediğinde bile geçerlidir.
• dengeyi bozan bir güç varsa, dengeyi sürdürmek için eşit miktarda önleme kuvveti olması gerekir.
• Bisiklet hareket halindeyken, direksiyon, ileri momentumun bir kısmını yan kuvvete çevirir, böylece direksiyon bisikleti dengelemek için kullanılabilir.
• Bir silindirde, bisiklet dengelemek için yana doğru hareket edebilir.
• sürücünün ağırlığını hareket ettirmek, yan kuvvete neden olmamalıdır, çünkü bir tarafa hareket etmek için sürücünün, aynı miktarda kuvvetle bisikleti diğer yöne itmesi gerekir. Bununla ilgili herhangi bir başarı, sistemdeki verimsizliklere bağlanabilir.

Daha sonra, sistem üzerinde çalışan kuvvetlerin miktarını ve yönünü değiştirebilen tekerleklerin jiroskopik etkisi vardır.