Один мой товарищ, серфя интернет наткнулся на сайт с вечными вопросами, наподобие, почему лед скользкий. Там же была министатья со ссылкой на оригинальное исследование , почему же велосипед едет. Оказывается, большие дяди от науки, отвлекаясь от элементарных частиц и от священной нанофизики, уделяют время и этому вопросу. Они создали модель велосипеда свободную от двух самых больших «помощников» велосипедиста: гироскопического эффекта и наклона вилки переднего колеса (кастора)… и даже эта модель оказалась стабильна!

Что такое устойчивость и зачем она нужна?

Велосипедист на покоящемся велосипеде изначально находится в состоянии неустойчивого равновесия. Любое возмущение приведет к выходу из неустойчивого равновесия – в нашем случае на землю, где он будет пребывать, сколько захочет. Внизу примеры неустойчивого и устойчивого равновесий.

Но все меняется, когда велосипед едет. В этом случае, если велосипед захочет упасть, его переднее колесо поворачивается так, чтобы восстановить вертикальное положение. Причем, это возвращение заложено в саму физику велосипеда, так что райдеру, на самом деле, и делать ничего не нужно. Велосипед, разогнанный до определенной скорости (в статье приводится значение в 15-20 км/ч), может ехатьв стабильном вертикальном положении и без велосипедиста.
Из-за того, что велосипед стабилен лишь в движении, но не в покое, можно сказать, что эта система устойчива динамически.

Что помогает велосипеду возвращаться в изначальное положение?

Два эффекта, вносящих наибольший вклад – это гироскопический эффект и кастор переднего колеса.

Гироскопический эффект – эффект, возникающий во вращающихся системах, обладающих определенным угловым моментом, когда пытаются изменить направление оси вращения. Сила, возникающая в таком случае, называется гироскопической силой. Гироскопический эффект нетривиально объяснить, но его легко почувствовать. Самый простой эксперимент, который каждый из вас может поставить в домашних условиях, – это взять колесо велосипеда за ось, раскрутить и попробовать помахать им в воздухе. Вы почувствуете силу. Причем, чем больше раскрутите колесо, тем больше сила. На этой же силе основана тренировка с powerball , только система там немного оптимизированнее. Когда вы наклоняете велосипед – наклоняется и ось переднего колеса, колесо за счет гироскопического эффекта поворачивает в сторону наклона.

Кастор в нашей литературе – это угол наклона оси поворота автомобиля. Там это: caster effect , castor и т.д. Наш угол наклона рулевой – тот же кастор.


Существование кастора приводит к тому, что точка контакта переднего колеса находится за воображаемой точкой пересечения линии вилки и земли. Это приводит к так называемому «следу» или trail переднего колеса. Эффект от такой геометрии вы можете наблюдать на тележках в ашанах: колесо всегда стремится волочиться за тележкой. При стабилизации это проявляется в том, что при наклоне велосипеда переднее колесо стремится «провалиться» в сторону наклона велосипеда, тем самым, поворачивая колесо в сторону

А что если?..

А что если убрать эти два эффекта? J. D. G. Kooijman, J. P. Meijaard, Jim M. Papadopoulos, Andy Ruina, и A. L. Schwab собрали модель велосипеда, в которой оба эффекта отсутствуют – two-mass -skate (TMS ).


Они сильно уменьшили след колеса и перевернули его задом наперед, уменьшили размеры колес и добавили вторичные, которые крутятся в другую сторону, чтобы исключить гироскопический эффект.

И как видно из видео, модель все еще оказывается стабильной!

А выводы достаточно размыты. Во-первых, если исключить кастор и гироскопический эффект, то силы, которые могут стабилизировать велосипед, должны возникнуть из взаимодействия колеса с поверхностью при движении. Во-вторых, хоть кастор и гироскопический эффект и не обязательны, их нельзя рассматривать изолированно, т.к. со слов авторов можно построить системы, которые при наличии только одного из эффектов окажутся нестабильными на любых доступных человеку скоростях. Т. е.для стабильности важно взаимодействие этих двух эффектов. Это значит, что нет универсальных схем для всех типов байков, что дает большой простор для производителей и маркетинга.

Ps . Когда разбирался в этой статье, наткнулся на обширную на EnWiki про вело- и мотодинамику, о том, какие силы влияют на движение байка, про разные эффекты, геометрии и т.д. с количеством ссылок > 50. При желании могу пересказать ее по частям сюда.

Хью Хант Кембриджский университет

Правообладатель иллюстрации Getty

Мы и не подозреваем, насколько напряженно и неустанно наш мозг работает над тем, чтобы мы не упали.

Об очень легком задании британцы говорят, что это "просто, как кататься на велосипеде". Но как нам удается удерживать этот самый велосипед от падения?

Большинство скажет, что дело в эффекте гироскопа. Но в действительности дело обстоит совсем иначе.

Иными словами, гироскопический эффект объясняется тем, что вращающееся колесо стремится продолжить вращение вокруг своей оси (так остаются на своей оси вращения волчок и даже планета Земля).

Но на самом деле вам придется учиться кататься на велосипеде так же, как вы в свое время учились ходить.

За умение ездить на велосипеде отвечает исключительно ваш мозг.

Представьте себе, что вам нужно проехать по абсолютно прямой линии, нарисованной на совершенно ровной поверхности. Конечно, это же очень просто! А вот и нет.

По узкой прямой линии проехать почти невозможно - точно так же, как даже в трезвом состоянии вам вряд ли удастся пройти по ней, не оступившись. Попробуйте сами.

Проведите еще один маленький эксперимент: попробуйте устоять на одной ноге на цыпочках, используя руки, чтобы удержать равновесие.

Трудно, правда? А теперь попробуйте то же самое, но перепрыгивая с ноги на ногу. Сохранять равновесие станет намного легче.

Правообладатель иллюстрации Tejvan Pettinger Image caption Конструкция велосипеда позволяет управлять им без рук, наклоняясь влево или вправо

Именно так вы бегаете. Ваш мозг научился вносить маленькие коррективы при каждом прыжке: например, если вы отклонились вправо, то на следующем шаге сдвинетесь чуть влево.

Точно так же происходит езда на велосипеде: с каждым оборотом педалей вы немного меняете направление.

Начиная падать вправо, вы неосознанно поворачиваете руль в ту же сторону, чтобы изменить положение колеса, а затем так же неосознанно возвращаетесь на прежнюю траекторию движения.

Такое "виляние" совершенно нормально. Оно более заметно у новичков (особенно у детей), которые ездят по довольно крутой "синусоиде", и практически незаметно у опытных велосипедистов.

Тем не менее эти небольшие колебания являются частью процесса и объясняют, почему так сложно пройти (или проехать) по совершенно прямой линии - в этом случае вы лишены возможности совершать те самые необходимые движения из стороны в сторону.

Кроме того, в конструкции велосипеда есть несколько полезных решений, облегчающих езду.

Самое важное из них - наклон рулевой колонки (или так называемого рулевого стакана), благодаря которому переднее колесо касается земли в точке, находящейся сзади от точки проекции рулевой оси на землю. Расстояние между этими точками называется выкатом.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Велосипед сконструирован очень умно, его даже носить удобно

Выкат в значительной степени помогает сохранять равновесие, когда вы едете без рук: если вы, например, наклонитесь вправо, сила, действующая на так называемое пятно контакта с землей, повернет переднее колесо направо.

Это свойство облегчает управление и позволяет рулить без рук, слегка наклоняясь влево или вправо.

Но существуют и велосипеды с вертикальными рулевыми колонками, на которых также можно отлично ездить. На самом деле, сделать велосипед, на котором будет невозможно ездить, весьма сложно, хотя многие и предпринимали такие попытки.

На то, чтобы научиться ездить на велосипеде с обратным рулем, уйдут месяцы тренировок

Дело в том, что велосипед не падает только благодаря вам и вашему сознанию, и доказать это просто.

Попробуйте, например, перекрестить руки. Вы не сможете даже тронуться с места, а если сделаете это на ходу, то рискуете сразу же упасть. Если бы велосипед удерживался вертикально с помощью эффекта гироскопа, этого бы не произошло.

Клоуны и уличные артисты ездят на велосипедах с обратным рулем. На то, чтобы научиться этому, уходят месяцы тренировок: ведь нужно полностью разучиться ездить на обычном велосипеде. Просто поразительно, как работает наш мозг!

А что же с эффектом гироскопа, о котором я упоминал выше? Помогает ли он хоть немного? Нет, если только вы не разгонитесь до очень большой скорости.

Существует известный эксперимент, якобы доказывающий влияние этого эффекта на колесо велосипеда, однако расчеты показывают, что его сила далека от того значения, которое могло бы удержать вас в вертикальном положении во время езды.

Чем больше вы будете вилять, тем лучше

Чтобы доказать, что эффект гироскопа не имеет значения, я построил велосипед со вторым передним колесом , вращающимся в противоположном направлении. Эта идея не нова: такое же устройство сделал в 1970 году Дэвид Джонс. Нам обоим пришла в голову одна и та же идея.

Если объяснить вкратце, то вращающееся в обратную сторону колесо уничтожает эффект гироскопа для переднего колеса и доказывает, что на самом деле единственное, что удерживает вас от падения, - это деятельность вашего мозга.

Это еще и забавный эксперимент, проделать который может каждый.

Итак, какой же способ обучения езде на велосипеде является наилучшим? Знаете, мне не нравится, когда дети учатся кататься с тренировочными маленькими колесиками по бокам: каждый раз, касаясь ими земли, они утрачивают навык сохранения равновесия.

Ваш мозг должен научиться корректировать курс, так что снимите тренировочные колесики - и чем больше вы будете вилять, тем лучше.

За умение ездить на велосипеде на самом деле отвечает только ваша голова.

• Оригинал этой статьи вы можете прочитать на сайте . Полная ее версия первоначально была опубликована на сайте The Conversation и была перепечатана по лицензии Creative Commons.

Довольно распространенный вопрос, который волнует и детей, и взрослых – это почему велосипед не падает . Действительно, езда на велосипеде и умение держать равновесие видятся как некоторая фантастическая супер-способность. Устойчивость велосипеда объясняется несколькими фундаментальными физическими законами. Однако, всё ли так просто, как кажется на первый взгляд?

Любой велосипедист начинает свой путь с того, что . Велосипед сам по себе очень неустойчив. Даже самая широкая резина не придаст ему большей устойчивости. Для того, чтобы научиться кататься, нужно . Что это значит? Это значит, что юный (или не очень) велосипедист должен настолько хорошо научиться взаимодействовать с великом, что в момент отклонения от точки баланса организм автоматически выполнит необходимое действие и велосипед поедет дальше. Если такое действие выполнено не будет, то велосипед вместе с ездоком упадет. Организм человека сам подбирает необходимый набор действий, что в результате некоторого количества тренировок приводит к формированию уверенного навыка катания на велосипеде.

Навык этот формируется в результате стандартных упражнений – крути педали, подруливай в сторону падения, держи руль крепче и т.д.

Если проанализировать каждое действие велосипедиста при движении, то каждое движение имеет глубокий физический смысл. Например, когда человек на велосипеде чувствует, что велосипед заваливается на бок, он начинает отклоняться в противоположный бок. Когда происходит замедление, при котором сохранять устойчивость сложнее, велосипедист набирает скорость. Этот цикл действий, которые порой остаются за гранью нашего сознания и держатся на рефлексах и позволяют велосипеду не падать .

Почему велосипед не падает с физической точки зрения

Если проанализировать всё, что было перечислено выше, то можно сделать вывод — велосипедист во время движения следует некоторым подсознательным установкам. Это и позволяет сохранять состояние равновесия. Как канатоходец с шестом, велосипедист держит баланс. В основе устойчивости велосипеда лежит два основных физических понятия . Если рассматривать вопрос с физической точки зрения, то велосипед не падает именно благодаря этим явлениям.

Первое физическое явление – это . Для того, чтобы не влезать в сложную теорию и малопонятные формулировки, описание можно сильно упростить. Вспомните, что чем меньше скорость движения велосипеда, тем сложнее сохранять равновесие. Физика объясняет это появлением момента инерции на колесах велосипеда, которое способствует сохранению вертикального положения. Явление аналогично сохранению вертикального положения вращающегося волчка – юлы. Юла сохраняет равновесие пока вращается её «юбка».

Второе явление, которым объясняют устойчивость велосипеда – это подсознательное подруливание в сторону падения . Вспомните, как учат кататься на велосипеде. Учитель всегда говорит, что если вы падаете, то нужно поворачивать в сторону падения. Если проанализировать движение взрослого опытного велосипедиста, то и он постоянно подруливает рулем при движении. Только в отличие от ученика, это подруливание составляет всего 2-3 мм. Когда велосипед начинает подруливать, центробежная сила возвращает колёса в их обычное положение и велосипедист сохраняет равновесие. Стабилизирующий эффект оказывает особенность расположения рулевого стакана . Из статьи вы узнали, что рулевой стакан расположен под углом, отличным от прямого. В итоге, если ось вращения руля продлить до земли, то она упрется в поверхность земли чуть раньше, чем землю касается само колесо. Между этими осями образуется так называемый угол. Этот угол называется кастор .

Термин кастор используется во всей механике и автомобилестроении. Благодаря такой ориентации, поворот велосипедного руля практически выталкивает падающее колесо из крена и возвращает в положение равновесия. Образно это можно представить, как постоянное «выдергивание» руля с последующим перемещением колеса в нужное направление.

Классическая теория не объективна. Велосипед не падает из-за магии?

Казалось бы, описанная теория вполне состоятельна с логической точки зрения и имеет подтверждение. Однако, не так давно коллектив независимых исследователей провёл ряд экспериментов, которые заставили усомниться в полноте имеющегося объяснения.

Они создали специальный стенд – аналог велосипеда. Ему сделали совсем маленькие колёсики, момент инерции которых минимален, и свели «на нет» влияние кастора, т.е. расположили рулевую под перпендикулярным углом к земле. Кроме того, стендовый велосипед был оборудован двумя колесами, которые вращаются в противофазе с основными и тем самым заставляют нивелировать эффект гироскопа. По классическим представлением, катание на таком велосипеде невозможно . Однако, на опытном образце было вполне возможно передвигаться. Нельзя сказать, что пилот-испытатель был сильно рад таким конструктивным особенностям. Ехать и правда было значительно сложнее и удержаться в седле оказалось непросто. Но физически это было возможно . Следовательно, имеющаяся теория не объясняет в полной мере весь физический процесс.

Ученые предположили, что помимо описанных явлений гироскопа и специфического расположения рулевой, в устойчивость велосипеда вносит вклад и развесовка. Большая часть массы ездока приходится на заднее колесо, а переднее подруливает. Значит факт наличия кастора не столь принципиален, т.к. «морда» не полностью нагружена и легко поддается управлению.

Соответственно, не сегодняшний день ответить в полном объеме на вопрос «почему велосипед не падает » нельзя. Известно, что огромный вклад в устойчивость велосипеда действительно вносят эффект гироскопа и стабилизирующий эффект подруливания. Помимо этого, важна правильная развесовка. Сосредоточение большей части массы на заднем колесе делает велосипед легко управляемым. Кроме того, велосипедист своими сложными движениями, которые не всегда заметны со стороны, поддерживает равновесие всей конструкции.

Сочетание умения велосипедиста найти точку баланса и описанных физических принципов позволяет велосипедисту держать равновесие.

Попробуй-ка сесть на неподвижный велосипед, а потом поднять обе ноги над землей! Ты и трех секунд не продержишь ноги на весу! Но стоит только попробовать поехать, как твой велосипед немедленно превратится в очень устойчивое средство передвижения.

Выходит, во время движения появляются силы, удерживающие велосипед в равновесии. Что же это за силы?

Версия первая

От падения велосипед удерживает гироскопический эффект, возникающий при вращении колес. Этот же эффект, кстати, не дает упасть вращающемуся волчку.

Что же касается волчка - давай превратим в него велосипедное колесо. Для этого, расположи, снятое с велосипеда колесо, горизонтально, поставив ось на твердую поверхность. Чтобы, подобно волчку, заставить колесо стоять на своей оси, колесо придется очень сильно раскрутить. А ведь на велосипеде можно ездить, не падая, даже когда его колеса вращаются гораздо медленнее!

Версия вторая

Велосипед не падает, потому, что велосипедист рулит им. Как только велосипед начинает падать, велосипедист тут же, невольно повернет руль в сторону, куда падает. Велосипед начинает поворачивать, и возникающая центробежная сила выравнивает его, не давая упасть.

Что ж, версия неплохая! Ведь обучение езде на двухколесном велосипеде и заключается в том, чтобы научиться поворачивать рулем на нужный угол. Но почему же тогда не падают те, кто умеют ездить «без руля», то есть, не держась за руль?

Версия третья

Если колесо наклонить, оно покатится не по прямой, а по окружности, центр которой находится в той же стороне, куда наклонено колесо. Падая, велосипед наклоняется, а значит, вместе с ним наклоняются и колеса. Наклоненный велосипед поворачивает, и центробежная сила стремится компенсировать падение - точно так же, как это объяснялось в предыдущей версии.

С наклоненным колесом все верно. Но согласно этой версии, выравнивание велосипеда происходит само собой, значит, чем меньше ты будешь вмешиваться в процесс, тем лучше. Давай сведем твое участие к минимуму, лишив возможности рулить, для этого наглухо приварим переднюю вилку велосипеда к раме. Далеко ли ты уедешь?

Версия четвертая

Все дело в конструкции велосипеда. Наклоним велосипед, держа его за седло. Мы увидим, что передняя вилка автоматически повернется в сторону наклона. Значит, как только велосипед начинает падать, его переднее колесо начнет само поворачиваться в сторону падения. Ну, а дальше, вступает в работу все та же центробежная сила.

Этот вариант вполне подошел бы для объяснения того, каким образом удается управлять велосипедом при езде «без рук»! Может, тогда не нужны ни руль, ни умение ездить? Но почему же тогда велосипед падает, если на нем никто не сидит, когда, например, ты толкаешь пустой велосипед с горки?

Выходит, ни одна из предложенных версий не подходит полностью? Но велосипедист, тем не менее, не падает! Как ты думаешь - почему?

В качестве возможных ответов мы изложили четыре версии, правда, для каждой версии можно найти соображение, ставящее под сомнение ее правильность.

Если задавать вопрос "почему велосипед не падает?" всем подряд, то большинство, скорее всего, не смогут ответить на него. Просто пожмут плечами. Меньшая часть, считающая себя технически грамотными людьми, ответит, что это, вероятно, из-за эффекта гироскопа. И, наверно, будут удивлены, узнав, что гироскоп не имеет к этому никакого отношения, это показал эксперимент в котором нивелировали этот эффект, а велосипед продолжал ехать. И лишь незначительное меньшинство ответит правильно. Итак, почему не падают велосипедисты?

Велосипед не падает из-за центробежной силы

Для сохранения равновесия любого тела необходимо, чтобы перпендикуляр, опущенный из центра его тяжести, не выходил за площадь опоры. Чем меньше последняя, тем менее устойчиво положение.

Площадь опоры велосипеда предельно мала – по сути, она представляет собой прямую линию, проведенную между точками касания колесами земли. Поэтому велосипед (с велосипедистом или без него) не может стоять, находясь в неподвижном положении. Но при движении устойчивость чудесным образом возвращается к нему. Почему это происходит?

Все дело в центробежной силе, которая возникает при подруливании. Если движущийся велосипед начинает наклоняться в какую-нибудь сторону, велосипедист слегка поворачивает руль в сторону наклона, заставляя машину поворачиваться. При этом возникает центробежная сила, направленная в сторону, противоположную наклону. Она-то и возвращает велосипед в вертикальное положение. Двухколесный велосипед не способен ехать строго по прямой. Если его руль зафиксировать в неподвижном положении, он обязательно упадет, потому что исключается возможность подруливания.

Этот процесс – отклонение от вертикали и возвращение к ней – происходит непрерывно. Велосипедист даже не задумывается о том, что происходит. Его руки автоматически совершают подруливание, которое необходимо для сохранения вертикального положение. К слову сказать, именно в приобретении автоматизма подруливания и состоит обучение езды на велосипеде.

Конструкция велосипеда и поддержание равновесия

Конструкция рулевой колонки и передней вилки велосипеда облегчает автоматическое поддержание равновесия. Ось рулевой колонки (передней вилки) проходит не вертикально, а наклонно к земле. Точка ее пересечения с грунтом располагается впереди того места, где переднее колесо соприкасается с дорогой. Такая схема способствует тому, что если переднее колесо случайно отклоняется от среднего положения, сразу возникает момент реактивных сил, который возвращает его на место.

При наклоне велосипеда реакция опоры переднего колеса, которая приложена в точке его касания с землей и направлена вверх, автоматически поворачивает колесо в сторону наклона. Возникает центробежная сила и велосипед возвращается в вертикальное положение.

Для лучшего понимания этого процесса, нужно просто принять во внимание, что схема сил, действующих на переднее колесо велосипеда, является примерно такой же, как и у тележек с вращающимися колесами. В какую сторону тележку не толкать, колеса автоматически поворачиваются в нужном направлении. Кстати, именно эта особенность конструкции велосипеда обеспечивает возможность езды, не держась руками за руль. Велосипед самостоятельно поддерживает равновесие. А чтобы выполнить поворот, достаточно сместить центр тяжести своего тела в сторону.

Степень способности конкретного велосипеда поддерживать динамическое равновесие определяется конструкцией его рулевой колонки и вилки. Главный параметр здесь – расстояние от точки соприкосновения переднего колеса с землей, до точки пересечения оси рулевой колонки (передней вилки) с грунтом. Как уже говорилось, последняя находится впереди первой. Реактивный момент, действующий на колесо при его повороте, будет тем выше, чем больше это расстояние. Для оптимальных динамических характеристик велосипеда требуется не самый большой, а строго определенный реактивный момент. Слишком малый уменьшит автоматическое поддержание равновесия, чрезмерно большой – приведет к возникновению «шимми». Поэтому наклон оси рулевой колонки и параметры передней вилки при проектировании велосипеда выбираются очень тщательно.

Что такое «шимми»

При высокой скорости (выше 30 км/час) переднее колесо велосипеда может начать самопроизвольно вилять вправо-влево. Это явление, которое, кстати, имеет место и в авиации, называется «speed wobbles» или «шимми». Причина его заключается не в неисправности велосипеда (плохой сборке или ослаблении креплений), а в том, что возникает резонанс переднего колеса. «Шимми» очень опасно в том случае, когда велосипедист едет «без рук», то есть не держится за руль. Чтобы погасить возникший резонанс, нужно снизить скорость или изменить позу.

Велосипед – энергоэффективней

По затратам энергии на единицу преодоленного расстояния велосипед эффективней не только ходьбы, но и езды на автомобиле. При движении велосипеда со скоростью 30 км/час тратится 15 ккал на 1 км. Ходьба со скоростью 5 км/час приводит к сжиганию 60 ккал на 1 км. То есть по энергозатратам на единицу расстояния движение на велосипеде в 4 раза эффективнее ходьбы.

… и функциональней

Если рассматривать езду на велосипеде с точки зрения спортивной нагрузки, то она тоже оказывается предпочтительней ходьбы. Катание на велосипеде отнимает 450 ккал в час, в то время как при ходьбе тратится только 300 ккал. Конечно, физическую нагрузку можно увеличить, перейдя с шага на бег. Но в этом случае возрастает нагрузка на колени и голеностопные суставы, что нежелательно, поскольку со временем может привести к травме этих проблемных мест.

Когда женщины быстрее

Тренированный мужчина, даже не будучи профессиональным спортсменом, может длительное время развивать мощность 250 Вт или 0,33 л. с. При езде на велосипеде по ровной дороге это примерно соответствует скорости 30 км/час. Женщины не могут развивать такой мощности, как мужчины, но в расчете на единицу веса их энергетические показатели превосходят мужские. При езде по ровной дороге, когда вся мощность тратится в основном на преодоление сопротивления воздуха, женщины едут медленнее, чем мужчины. Зато при езде в гору, когда энергия тратится на преодоление силы тяжести, они способны ехать быстрее сильной половины.