Efekty żyroskopowe mają prawie nic wspólnego z Twoją zdolnością do jazdy na rowerze

2024 Autor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 09:39

Problem z siłami generowanymi przez efekt żyroskopowy na typowym rowerze polega na tym, że po prostu nie są one bardzo silne, biorąc pod uwagę fizykę związaną z posiadaniem większości środka masy roweru na górze (z tobą na nim). Zasadniczo tworzysz odwrócone wahadło, które jest o wiele trudniejsze do zrównoważenia niż na odwrót.

Aby zilustrować, jaka siła jest tutaj potrzebna, niech ktoś wsiada na rower, który jest całkowicie nieruchomy. Teraz spróbuj trzymać rower i osobę skupioną wokół siebie, trzymając się za oś jednej z opon. Aby porównać tę siłę z ilością generowaną z efektów żyroskopowych, weź oddzielną oponę rowerową z kołkami po bokach i zawieś na nich. Teraz ktoś bardzo szybko kręci oponą; kiedy się kręci, spróbuj oprzeć się o oponę w ten czy w inny sposób.

W tym późniejszym przypadku poczujesz efekty żyroskopowe, ale powinieneś być w stanie to zrobić nieco łatwiej, ponieważ siła, którą poczujesz tutaj, może wynosić tylko kilka kilogramów lub 5-10 funtów (chociaż może się wydawać, że masz więcej ręce wyciągnięte i prosto przed sobą). W poprzednim przypadku, gdy osoba siedząca na rowerze, chyba że była wyjątkowo lekka lub jesteś Herkulesem, domyślam się, że nie mogłabyś nawet zbliżyć się do zachowania równowagi, szczególnie jeśli twoje ramiona są w pełni wyciągnięte.

Jeśli to cię nie przekonało, spójrzmy na matematykę (przykład zrobiony przez dr. Hugh Hunta z Cambridge University):

Podczas jazdy dość szybko z prędkością 12 mph (około 6 m / s), typowe koło rowerowe (średnica 600 mm, obwód 2 m) obraca się 3 razy na sekundę, co jest stopniem obrotu w = 20 radianów na sekundę.

Jego masa obwodowa około m = 1 kg, jest skoncentrowany na obręczy, tj. W promieniu r = 300 mm. Moment bezwładności jot jest zatem jot = Pan² = 0,1 kg m² (wystarczająco blisko).

Przypuśćmy, że się przewracam i próbuję użyć żyroskopowego efektu, aby ponownie popchnąć mnie do pozycji pionowej. Rozważmy, jak gwałtownie chwieje się kierownicą w tył iw przód sinusoidalnie w tempie, powiedzmy, fa_uchwyt= 1,6 chybotanie na sekundę (odpowiednik częstotliwości kątowej chybotania w _uchwyt= 2 p fa_uchwyt = 10 radianów na sekundę) i przy amplitudzie np. +/- 6 stopni (tj M_uchwyt= 6/180 * p = 0,1 radiana).

Ruch chwiejny jest zatem T_uchwyt = M_uchwyt grzech(w_uchwyt t), a różnicowanie tego daje maksymalną prędkość chybotania uchwytu Q = w_uchwyt. M _uchwyt = 10 * 0,1 = 1 rad / s. Jest to wymuszona stopa precesji przedniego koła działającego jak żyroskop. W szczytowym momencie para musiała osiągnąć ten ruch precesyjny, z powodu efektów żyroskopowych M = jot w Q = 0.1 * 20 * 1 = 2 N m Rower i ja ważymy, powiedzmy, 100 kg = 1000 N, więc efekt żyroskopowy pomoże mi tylko, jeśli nie przechylę się więcej niż 2 mm od pionu (1000 N *) 0,002 m = 2 N m).

Tak więc efekt żyroskopowy na rowerze, nawet przy 12 mph, jest praktycznie niczym, jeśli chodzi o to, co jest wymagane, aby utrzymać cię w pozycji pionowej. Jak więc nie spadasz co dwie sekundy na rowerze?

Częściowo wynika to po prostu z twojej zdolności do równowagi. Jednak prawdopodobnie zauważyłeś, że ciężko jest utrzymać równowagę na rowerze, gdy stoisz nieruchomo. Kiedy zaczynasz jechać bardzo powoli, zauważysz, że naturalnie robisz duże poprawki kierowania, aby zachować równowagę. W rzeczywistości jest to podstawowa czynność polegająca na utrzymywaniu cię w pozycji pionowej na rowerze z dowolną prędkością, a mianowicie na sterowaniu korekcyjnym. Gdy poczujesz brak równowagi w jednym kierunku, spowoduje to, że będziesz sterował rowerem w tym kierunku, aby zrekompensować, powstająca siła dośrodkowa kończy się równoważeniem cię z powrotem, zakładając, że twoja regulacja była odpowiednią ilością tury, biorąc pod uwagę twoją szybkość i inne czynniki. Jeśli się przewrócisz, będziesz musiał dokonać kolejnej korekty, aby zrekompensować brak równowagi spowodowany przez twoje nadmierne korygowanie. Im szybciej jedziesz, tym mniejsza korekta, która jest potrzebna do utrzymania równowagi.

Na początku te ruchy korekcyjne wydają się być względnie duże i często z wami nadmierne wynagrodzenie, ponieważ wasze ciało wciąż uczy się jeździć na rowerze. To dlatego wydajesz się nieco chwiejny i wrak dużo podczas pierwszego uczenia się. Z biegiem czasu te poprawki będą coraz mniejsze i dokładniejsze, dopóki nie zauważysz, że robisz je w ogóle podczas jazdy na rowerze ponad bardzo niskimi prędkościami (oczywiście nadal możesz je zauważyć, gdy ledwo poruszają się na rowerze i podobne, jak wskazano powyżej).

Dodatkowe fakty:

• Wiele osób myśli, że jeśli wziąłeś dwie opony i obróciłeś je w przeciwnych kierunkach, miałbyś taki sam efekt żyroskopowy, jakby obracał się w tym samym kierunku. W rzeczywistości, to, co się stanie, to, że gdyby koła były obracane w przeciwnych kierunkach, te dwa znoszą się nawzajem, pod względem efektu żyroskopowego. Fakt ten został wykorzystany do wykazania ludziom, że mogą jeździć na rowerze bez problemów bez efektu żyroskopowego, montując dodatkowe koła lekko uniesione nad podłożem, które przeciwnie obracają rzeczywiste opony.
• Im dalej do przodu środek masy dla rowerzysty i osoby jadącej na rowerze, tym mniej ruchu koła przedniego będzie potrzebne do utrzymania równowagi. Jest to prawdopodobnie najbardziej zauważalne w niektórych niestandardowych cyklach motocyklowych, w których przednie koło dobrze przylega do roweru.
• Innym mniej znanym czynnikiem w zdolności do jazdy na rowerze jest coś, co nazywa się "szlakiem". Mówiąc najprościej, jest to miara tego, jak duża odległość od punktu koła przedniego dotyka podłoża, w miejscu styku osi kierowania, w którym obraca się cały układ kierowniczy (widelec, kierownica, przednie koło itp.). Dłuższy szlak sprawi, że rower stanie się bardziej stabilny niż krótszy. Jeśli jednak szlak jest zbyt długi, jazda na rowerze będzie trudna. Rowery o zbyt małym szlaku, a nawet ślad negatywny, będą z natury niestabilne; jednak dzięki sterowaniu korekcyjnemu nadal możesz jeździć na nich. Ze względu na problem z kierownicą ze zwiększoną trasą, rowery górskie i rowery turystyczne mają zazwyczaj znacznie mniej szlaków niż motocykle uliczne. W przypadku rowerów górskich pozwala to na większą "zwrotność" na rowerze, aby zrekompensować nierówności terenu. W przypadku rowerów turystycznych pomaga to zrekompensować fakt, że prawdopodobnie będziesz pakował się wraz z tobołkiem, a co za tym idzie, dodatkowy ciężar do ziemi. Z tego powodu rowery turystyczne często będą się czuć niestabilne, jeśli bagaż nie zostanie dodany i będzie nisko nad ziemią.
• Podczas gdy siły żyroskopowe i śladowe nie są wystarczające, aby utrzymać równowagę na rowerze, zwykle wystarczają, aby rower bez roweru jechał prosto, dopóki nie zwolni do pewnego punktu, który zmienia się od roweru do roweru na podstawie rozmiaru koła i śladu.
• Coś zwanego "gyrobike" jest obecnie w fazie rozwoju, aby pomóc ludziom nauczyć się jeździć na rowerach. Ten rower ma wewnętrzne koło zamachowe, które zapewnia znaczny wzrost efektu żyroskopowego. Twórcy tego motocykla mają nadzieję, że można go opracować tam, gdzie efekt żyroskopowy byłby wystarczający, aby utrzymać rower w równowadze nawet z rowerzystą, a jednocześnie nie był zbyt uciążliwy dla rowerzysty pod względem masy i tym podobnych.
• Innym miejscem, w którym zobaczysz to podświadome zjawisko "autokorekty" pojawia się, gdy próbujesz stać w jednym miejscu na jednej nodze. Kiedy to robisz, musisz zachować równowagę, aby się nie przewracać. Jak tylko zaczniecie skakać, większość ludzi ma niewielkie trudności z utrzymaniem równowagi. Dzieje się tak dlatego, że kiedy wskakujesz, nie tylko w sposób naturalny generujesz ruchy korekcyjne, ale także będziesz miał swoją stopę w miejscu, w którym powinna być, aby zachować równowagę.