Cosa rende una bici dritta quando si sposta?

Cosa rende una bici dritta quando è in movimento? Qual è la relazione tra velocità e stabilità? È una relazione lineare?

Potrei chiedere questo sul sito di fisica, ma spero in una risposta relativamente semplice. Ho frequentato un corso introduttivo di fisica all'università, quindi la fisica di base è apprezzata ma niente di troppo nodoso.

Penso che non sia la massa rotante della ruota che mantiene la bici in posizione verticale. Ho letto uno studio recentemente affermando che se hai una ruota con massa identica che gira all'indietro accanto alla bici, la bici non perderà stabilità. (Non sono sicuro di dove ho letto lo studio).

Perché le bici rimangono dritte su un rullo?

Questa domanda è stata recentemente oggetto di un lungo articolo sulla rivista New Scientist. Riassumere:

"Perché questa bicicletta dirige gli importi adeguati nei momenti giusti per assicurare l'autosufficienza?" il documento chiede. "Non abbiamo trovato una semplice spiegazione fisica."

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

Questo articolo cita anche lo studio che non si può del tutto collocare - le forze giroscopiche, per così tanto tempo pensate per essere il tutto e porre fine a tutta la stabilità della bicicletta - hanno dimostrato scientificamente di non essere delle conseguenze immaginate popolarmente.

Per quanto riguarda la posizione eretta su un rullo, questo non è trattato dall'articolo, tuttavia, si discute di cosa succede quando si manda una bicicletta fuori strada con nessuno su di essa - apparentemente il peso e le regolazioni dello sterzo fatte dal pilota non hanno nulla da fare con esso.

Non penso che l'articolo di New Scientist sia l'ultima parola sull'argomento. Tuttavia è recente (alcune settimane fa) ed è una buona introduzione al mistero. Godere!

La geometria della bici offre un certo grado di auto stabilità. L'angolazione e l'inclinazione della forcella producono una situazione in cui la gomma anteriore tenderà a diventare inclinata, e quindi correggere una tendenza a cadere su un lato.

L'effetto giroscopico delle ruote da solo non è probabilmente così forte, ma l'effetto giroscopico sullo sterzo funziona con l'angolazione / inclinazione della forcella per girare il pneumatico nella direzione della "caduta" e fornire ancora più auto-stabilizzazione.

In teoria, i rulli non sono diversi dalla strada: la gomma anteriore ruoterà nella direzione di inclinazione, fino a quando il bordo dei rulli non produce un incidente o la bici si stabilizza.

Le biciclette sono intrinsecamente stabili a causa della loro geometria. La geometria fa sì che la bicicletta giri sempre nella direzione in cui inizia a inclinarsi, mantenendola in posizione verticale. Il motivo è meglio illustrato attraverso un concetto noto come controsterzo.

Il controsterzo è il modo in cui girano tutti i veicoli a due ruote. Quando si desidera girare verso sinistra, girare leggermente il manubrio verso destra. L'attrito delle ruote tira il fondo della bici verso destra, il che avvia una inclinazione verso sinistra. Le maniglie iniziano quindi a oscillare verso sinistra per seguire la curva.

Quando è il momento di fermare il turno, giri il manubrio un po 'più a sinistra. Ciò tira ulteriormente la parte inferiore della bici verso sinistra, portando la parte inferiore della bici direttamente sotto il baricentro e interrompendo così la curva.

Su molte bici ea basse velocità, l'effetto del controsterzo può essere ignorato da molti ciclisti. Tuttavia, alle alte velocità o con veicoli più pesanti come i motocicli è più significativo.

Quindi, come funziona dove non c'è pilota? È a causa del rastrello nella forcella e della rotaia che provoca. Se segui una linea immaginaria attraverso l'asse della forcella fino a terra, colpirà il terreno davanti al punto in cui la ruota tocca il terreno.

Poiché la ruota entra in contatto con il terreno dietro l'asse dello sterzo, la ruota sentirà sempre una forza dalla strada che prova a portarla al centro, puntando dritto in avanti. Quando la bici è inclinata da un lato, le forze iniziano a spingere la ruota dal lato in cui la bici è inclinata.

Quindi tutte queste forze si sommano. Il rastrello nella forcella fa desiderare alla bici di andare avanti. E quando si avverte un urto in una direzione o nell'altra, il contro sterzo tenderà a portare la bici nell'altra direzione. Quindi il rastrello della forcella inizierà a spingere la ruota anteriore più lontano, il che raddrizzerà la bici, a causa del controsterzo.

È come bilanciare una scopa sulla mano, ti muovi per muovere le ruote sotto di te. I produttori di biciclette aiutano a progettare la geometria dello sterzo in modo che la bici rimanga dritta da sola, se non ci si scherza.

Le forze giroscopiche aiutano ma non sono essenziali.

Ci sono state ricerche più recenti su questo: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

In precedenza si pensava che le ruote rotanti della bicicletta offrissero stabilità attraverso effetti giroscopici; e che la 'scia' (la distanza con cui il punto di contatto della ruota anteriore si sposta dietro l'asse dello sterzo, gioca un ruolo importante).

Tuttavia:

Un nuovo studio su Science afferma di aver risolto il problema: effetti giroscopici e aiuto alla traccia, afferma il ricercatore Dr Arend Schwab della facoltà 3mE di TU Delft, ma non sono necessari al di sopra di una certa velocità. In un Atto del 2007 dell'articolo della Royal Society (doi: 10.1098 / rspa.2007.1857), all'epoca fu sviluppato un modello matematico con circa 25 parametri fisici che sembrava prevedere se, e a quali velocità, sarebbe stato progettato un particolare modello di bicicletta stabile.

Gli autori hanno progettato e costruito una bicicletta Two Mass Skate, con ruote piccole e controrotanti, il che significa che non c'è alcun effetto giroscopico di cui parlare, e una piccola pista negativa (in altre parole, dove si trova il punto di contatto della ruota anteriore leggermente davanti all'asse dello sterzo). Eppure la bicicletta è rimasta stabile durante gli spostamenti.

Questo video di 7 minuti fornisce una spiegazione della stabilità della bicicletta, discutendo degli effetti giroscopici, delle ruote e dello sterzo. In particolare, mostra esempi di biciclette (senza ciclista) che possono bilanciarsi anche quando una o più fonti di stabilità vengono cancellate. Pertanto, ci sono diverse caratteristiche di design che consentono stabilità - incluso il ciclista.

Attualmente , ci sono tre fattori principali che influenzano la stabilità della bicicletta:

1. Quantità di percorso della ruota anteriore (ad es. Design della ruota orientabile)
2. Distribuzione di massa davanti all'asse dello sterzo della ruota anteriore
3. Precessione giroscopica

In una bicicletta moderna tutti e tre lavorano insieme per consentire a una bicicletta di sterzare automaticamente in una caduta, esibendo in tal modo un comportamento auto-stabilizzante. Questo comportamento dello sterzo automatico consentirebbe a una bici di rimanere stabile sui rulli o di muoversi sul terreno.

Poiché la stabilità viene raggiunta attraverso il bilanciamento di più fattori, un fattore troppo grande di qualsiasi fattore può rendere instabile un progetto (ad es. Correggendo eccessivamente). Inoltre, non tutti i fattori hanno lo stesso impatto. Alcuni fattori in isolamento possono essere sufficienti per rendere stabile una bicicletta da sola in assenza di altri fattori (ad esempio, la distribuzione di massa davanti all'asse dello sterzo ).

L'esistenza di più fattori significa anche che diversi modelli stabili possono utilizzare quantità diverse di ciascun fattore. Ad esempio, negli anni '40 le bici randonneur usavano molta meno pista , ma aggiungevano massa davanti all'asse dello sterzo (cioè borse anteriori che trasportavano attrezzi) per creare una bicicletta stabile.

MinutePhysics ha un breve video che abbatte l'impatto di questi effetti. Credo che nei disegni più stabili la processione giroscopica (3) avrà l'effetto più debole.

Aiutato dalle caratteristiche di auto-stabilità, come notato sopra, il motivo fondamentale per cui una bici rimane dritta mentre guidi è che stai bilanciando attivamente mantenendo i punti di contatto della bici sotto il tuo centro di massa. Mentre guidi, stai facendo sottili movimenti di svolta per mantenere la bici sotto di te - quando la bici cade a sinistra, giri a sinistra, che muove la ruota anteriore e rimette la bici sotto di te. Sui rulli puoi vedere questo come la bici che si muove avanti e indietro attraverso il rullo - e quando non può farlo, cadi.

Sei in grado di farlo in modo così inconsapevolmente dopo aver imparato a guidare che è piuttosto una sfida guidare una bici con lo sterzo invertito.

La risposta di base senza entrare troppo nella fisica è il momento angolare . Fondamentalmente un oggetto rotante (le tue ruote) esercita una forza nella direzione opposta se provi a "inclinarlo". Per provare questo a casa, togli la ruota anteriore. Afferrare l'asse con entrambe le mani e girare la ruota. Ora prova a ribaltare la ruota. Notare come la ruota tira indietro. Prova lo stesso con la ruota che non gira e nota come non si tira indietro. Più veloce gira la ruota, più difficile si tira indietro. Non sono sicuro che la relazione sia lineare o meno. Dai un'occhiata qui per uno sguardo più basilare al momento angolare . Mostra un video che fa una dimostrazione usando una gomma per bici.

Dovrebbe essere semplice come questo:

• azione = reazione. Se la bici è in posizione verticale, rimarrà in posizione verticale a meno che non vi siano forze laterali. Questo è vero anche quando la bici non si muove.
• se c'è una forza che interrompe l'equilibrio, ci deve essere una quantità uguale di forza contraria per mantenere l'equilibrio.
• quando la bici è in movimento, lo sterzo tradurrà un po 'di slancio in avanti in una forza laterale, quindi lo sterzo può essere utilizzato per bilanciare la bici.
• su un rullo, la bici può spostarsi lateralmente per bilanciare.
• spostare il peso del ciclista non dovrebbe generare forza laterale perché per spostarsi su un lato, il ciclista deve spingere la bici sull'altra direzione con la stessa forza. Qualsiasi successo con questo può essere attribuito a inefficienze nel sistema.

Poi c'è l'effetto giroscopico delle ruote che può modificare la quantità e la direzione delle forze che lavorano sul sistema.