Почему велосипед остается в вертикальном положении во время движения даже без водителя? Scientific American объясняет долгие поиски ответа.
Велосипед на удивление устойчив для вертикального двухколесного транспортного средства, которое нужно прислонить к стене, когда он не движется. Но, возможно, еще большим сюрпризом является то, что нет единого мнения о том, почему байк такой стабильный. Для такого простого дизайна, который может понять почти каждый, это кажется безумием. В конце концов, мы живем в мире беспилотных автомобилей и безопасных пассажирских самолетов. Неужели байк все еще не хранит никаких загадок физики или инженерии?
В основе загадки лежит то, что мы все наблюдали. Если вы толкаете велосипед без водителя, он сам балансирует и автоматически управляется для корректировки любых колебаний, пока не замедлится и, наконец, не упадет на бок.
Есть две теории относительно того, как велосипед удерживается в вертикальном положении. Одна из них — гироскопическая теория, согласно которой вращающееся колесо обеспечивает достаточную устойчивость, чтобы остановить велосипед от падения. Вы можете попробовать это на себе, если у вас есть под рукой велосипед. Снимите колесо (переднее легче и, вероятно, чище) и, удерживая ось, покрутите его. Теперь попробуйте повернуть колесо, перемещая ось. Вы увидите, как он сопротивляется вам. Теперь, когда колесо все еще вращается, согните палец под одной стороной этой оси и отпустите другую сторону. Волшебным образом он остается там, как будто кто-то невидимый держит другую сторону вверх.
Каким бы поразительным ни был этот эффект, он не учитывает способность велосипеда к самобалансировке. Установив второе колесо, которое вращается против первого, можно нейтрализовать гироскопический эффект. Еще в 1970 году научный писатель Дэвид Джонс сделал именно это. «Один велосипед, который построил Джонс, имел на передней части колесо, вращающееся в противоположных направлениях, — говорит Scientific American, — которое эффективно нейтрализовало гироскопический эффект. Но у него не было проблем с управлением на нем без помощи рук».
Джонс предложил альтернативную теорию, которая стала вторым важным объяснением способности велосипеда к самобалансировке. «Теория заклинателя» рассматривает велосипедное колесо как заклинатель на тележке для покупок. На тележке для покупок заклинатель касается пола за осью управления. В этом случае ось управления — это шпиндель, который соединяет его с остальной частью тележки. Это, как вы знаете, позволяет заклинателю автоматически выравниваться по направлению движения.
На велосипеде ось рулевого управления проходит вниз по вилке. Если вы представите себе линию, продолжающуюся от конца наклонной вилки, она на самом деле ударяется о землю перед тем местом, где шина касается земли. То есть ось поворота опережает точку контакта, как в тележке для покупок. Расстояние между этими двумя точками называется «тропой». Джонс, как сообщает Scientific American, обнаружил, что длинный след делает велосипед более устойчивым, тогда как короткий след затрудняет езду.
Джонс был так доволен своим открытием, что 40 лет спустя все еще курировал его. В своих мемуарах он написал: «Теперь меня называют отцом современной теории велосипеда».
Проблема в том, что он ошибался. Хотя след заклинателя определяет, насколько легко ездить на велосипеде, а гироскопический эффект действительно способствует устойчивости, ни один из них не отвечает за эффект самобалансировки велосипеда. Инженер Джим Пападопулос, автор статьи в журнале Scientific American, продемонстрировал, что на велосипеде со значительным отрицательным следом можно ездить, если он имеет выступающий вперед вес. Теоретически такой вес может быть связан с грузом на передней стойке.
Итак, как же велосипед может оставаться сам по себе? Это все еще загадка, хотя она может быть наконец решена благодаря новому исследовательскому центру в (где еще?) В Нидерландах, в котором теперь работает Пападопулос. В своей лаборатории исследователи создают всевозможные безумные конструкции велосипедов, чтобы исследовать, как физика взаимодействует с ездой на велосипеде. Цель состоит в том, чтобы лучше понять, как кажущиеся простыми части современных велосипедов работают вместе, и улучшить управляемость или открыть новые способы работы. Кто знает? Возможно, сегодня повсеместная ромбовидная рама с колесами одинакового размера — не лучший способ построить велосипед.
Источник: