อะไรทำให้จักรยานอยู่ในแนวตั้งเมื่อเคลื่อนที่?

อะไรที่ทำให้จักรยานอยู่ในแนวตั้งเมื่อมีการเคลื่อนไหว? อะไรคือความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วกับเสถียรภาพ? มันเป็นความสัมพันธ์เชิงเส้นหรือไม่?

ฉันสามารถถามสิ่งนี้ในเว็บไซต์ฟิสิกส์ แต่ฉันหวังว่าจะได้คำตอบที่ค่อนข้างง่าย ฉันเข้าเรียนวิชาฟิสิกส์เบื้องต้นในมหาวิทยาลัยเพื่อให้วิชาฟิสิกส์พื้นฐานชื่นชม แต่ไม่มีอะไรน่ากลัวเกินไป

ฉันคิดว่ามันไม่ใช่มวลปั่นของล้อที่ทำให้จักรยานตั้งตรง ฉันอ่านการศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ระบุว่าถ้าคุณมีล้อที่มีมวลหมุนวนไปมาข้างหลังมอเตอร์ไซค์จักรยานจะไม่สูญเสียความมั่นคง (ฉันไม่แน่ใจที่ฉันอ่านการศึกษา)

ทำไมจักรยานอยู่ในแนวตั้งเมื่ออยู่บนลูกกลิ้ง

คำถามนี้เมื่อเร็ว ๆ นี้เป็นหัวข้อของบทความยาวในนิตยสาร New Scientist เพื่อสรุป:

"ทำไมจักรยานคันนี้จึงควบคุมปริมาณที่เหมาะสมในเวลาที่เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจถึงความมั่นคงในตัวเอง" กระดาษถาม "เราไม่พบคำอธิบายทางกายภาพอย่างง่าย"

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

บทความนี้ยังอ้างถึงการศึกษาที่คุณไม่สามารถวางได้ - กองกำลัง gyroscopic สำหรับนานคิดว่าจะเป็นและสิ้นสุดทั้งหมดของความมั่นคงของจักรยาน - ได้รับการพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ว่าไม่เป็นผลที่นิยมจินตนาการ

สำหรับการอยู่ตัวบนลูกกลิ้ง แต่บทความนี้ไม่ได้กล่าวถึงสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อคุณส่งจักรยานออกไปที่ถนนโดยไม่มีใครเลย - ดูเหมือนว่าน้ำหนักและการปรับพวงมาลัยที่ทำโดยผู้ขับขี่ไม่มีอะไรที่จะต้องทำ ทำกับมัน

ฉันไม่คิดว่าบทความนักวิทยาศาสตร์ใหม่เป็นคำสุดท้ายในเรื่อง อย่างไรก็ตามเป็นล่าสุด (ไม่กี่สัปดาห์) และเป็นการแนะนำที่ดีสำหรับความลึกลับ สนุก!

รูปทรงของจักรยานให้ความมั่นคงในระดับหนึ่ง มุมและเสาะหาของส้อมทำให้เกิดสถานการณ์ที่ยางหน้าจะมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นแบบลีนและแก้ไขแนวโน้มที่จะตกไปด้านใดด้านหนึ่ง

ผลของการหมุนวนของล้อด้วยตัวของมันเองนั้นไม่แข็งแรงเท่าไหร่นัก แต่ผลของการหมุนวนในการบังคับเลี้ยวจะทำงานกับมุม / เสี้ยวของส้อม

ในทางทฤษฎีแล้วลูกกลิ้งไม่ได้แตกต่างไปจากถนน - ยางหน้าจะหันไปทางทิศทางยันไม่ว่าจนกระทั่งขอบของลูกกลิ้งทำให้เกิดการชนหรือจักรยานทรงตัว

จักรยานมีความเสถียรโดยเนื้อแท้เพราะรูปทรงเรขาคณิตของพวกเขา รูปทรงเรขาคณิตทำให้จักรยานเลี้ยวไปในทิศทางที่เริ่มเอียงเสมอ เหตุผลนี้แสดงให้เห็นได้ดีที่สุดผ่านแนวคิดที่เรียกว่าการบังคับเลี้ยว

การบังคับเลี้ยวแบบ Counter เป็นวิธีที่รถสองล้อเลี้ยว เมื่อคุณต้องการเลี้ยวไปทางซ้ายคุณจะเลี้ยวแฮนด์ไปทางขวาเล็กน้อย แรงเสียดทานของล้อดึงด้านล่างของจักรยานไปทางขวาซึ่งเริ่มเอียงไปทางซ้าย ที่จับบาร์จะเริ่มเหวี่ยงไปทางซ้ายเพื่อติดตามการเลี้ยว

เมื่อถึงเวลาที่จะหยุดเลี้ยวคุณหมุนแฮนด์ไปทางซ้ายอีกเล็กน้อย ซึ่งจะดึงด้านล่างของจักรยานออกไปทางด้านซ้ายซึ่งจะนำด้านล่างของจักรยานไปที่จุดศูนย์กลางของแรงโน้มถ่วงโดยตรงและหยุดหมุน

สำหรับจักรยานจำนวนมากและที่ความเร็วต่ำลักษณะพิเศษของการบังคับเลี้ยวแบบเคาน์เตอร์จะไม่ถูกสังเกตเห็นโดยนักปั่นหลายคน อย่างไรก็ตามด้วยความเร็วสูงหรือยานพาหนะที่หนักกว่าเช่นรอบมอเตอร์มันมีความสำคัญมากกว่า

ดังนั้นงานนี้ไม่มีไรเดอร์ มันเป็นเพราะการเสาะหาในส้อมและรางทำให้เกิด หากคุณติดตามเส้นจินตภาพผ่านแกนของส้อมของคุณไปที่พื้นมันจะชนกับพื้นก่อนที่วงล้อจะสัมผัสกับพื้น

เนื่องจากล้อสัมผัสพื้นดินหลังแกนพวงมาลัยล้อจะรู้สึกถึงแรงจากถนนที่พยายามนำมันมาที่กึ่งกลางโดยชี้ไปข้างหน้า เมื่อจักรยานถูกเอียงไปข้างหนึ่งแรงจะเริ่มผลักล้อไปทางด้านที่จักรยานเอียง

ดังนั้นกองกำลังทั้งหมดนี้จึงรวมตัวกัน เรคในส้อมทำให้จักรยานต้องการเดินไปข้างหน้า และเมื่อรู้สึกถึงการชนในทิศทางเดียวหรืออีกทิศทางหนึ่งการหมุนพวงมาลัยจะมีแนวโน้มที่จะนำจักรยานไปในทิศทางอื่น จากนั้นคราดส้อมจะเริ่มผลักล้อหน้าออกไปไกลกว่าซึ่งจะทำให้จักรยานยืดออกเนื่องจากการหมุนพวงมาลัย

มันเหมือนกับการยกไม้กวาดขึ้นบนมือของคุณคุณจะต้องขับรถไปตามล้อ ผู้ผลิตไบค์ช่วยเหลือด้วยการออกแบบรูปทรงการบังคับเลี้ยวเพื่อที่ว่าจักรยานจะตั้งตัวได้เองถ้าคุณไม่ยุ่งกับมัน

แรงไจโรสโคปช่วยได้ แต่ไม่จำเป็น

มีการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้อีก: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

ก่อนหน้านี้เคยคิดว่าล้อที่หมุนได้ของจักรยานให้ความมั่นคงผ่านเอฟเฟกต์แบบ gyroscopic และ 'เส้นทาง' (ระยะทางที่จุดสัมผัสของเส้นทางล้อหน้าด้านหลังแกนพวงมาลัยเป็นส่วนสำคัญ)

อย่างไรก็ตาม:

การศึกษาใหม่ในสาขาวิทยาศาสตร์อ้างว่าได้ตัดสินปัญหา - ผลกระทบในระดับ gyroscopic และความช่วยเหลือในการติดตามนักวิจัยดร. Arend Schwab จากคณะ 3ME ที่ TU Delft กล่าว แต่ไม่จำเป็นต้องสูงเกินความเร็วที่กำหนด ในบทความของ Royal Society 2007 (ดอย: 10.1098 / rspa.2007.1857) โมเดลทางคณิตศาสตร์ที่มีพารามิเตอร์ทางกายภาพประมาณ 25 ตัวถูกพัฒนาขึ้นในเวลาที่คาดการณ์ว่าและที่ความเร็วการออกแบบเฉพาะของจักรยานจะเป็นอย่างไร มีเสถียรภาพ

ผู้เขียนออกแบบและสร้างจักรยานสเก็ตสองล้อขนาดเล็กและล้อหมุนได้ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีผลกระทบใด ๆ จาก gyroscopic และเป็นเส้นทางลบขนาดเล็ก (กล่าวอีกนัยหนึ่งคือจุดสัมผัสของล้อหน้า) อยู่ด้านหน้าของแกนพวงมาลัย) ทว่าจักรยานยังคงทรงตัวเมื่อเคลื่อนที่

วิดีโอความยาว 7 นาทีนี้ให้คำอธิบายเกี่ยวกับความเสถียรของจักรยานการอภิปรายเรื่องลูกข่างลูกล้อและการบังคับเลี้ยว โดยเฉพาะอย่างยิ่งมันแสดงให้เห็นตัวอย่างของจักรยาน (ไรเดอร์) ที่สามารถสร้างความสมดุลแม้ว่าแหล่งที่มาของความมั่นคงจะถูกยกเลิก ดังนั้นจึงมีคุณสมบัติการออกแบบหลายอย่างที่ช่วยให้มีเสถียรภาพ - รวมถึงผู้ขับขี่

ปัจจุบันมีปัจจัยหลักสามประการที่คิดว่าส่งผลต่อความมั่นคงของจักรยาน:

1. จำนวนเส้นทางล้อหน้า (เช่นการออกแบบล้อล้อ)
2. การกระจายมวลด้านหน้าแกนพวงมาลัยด้านหน้า
3. precession Gyroscopic

ในรถจักรยานที่ทันสมัยทั้งสามทำงานร่วมกันเพื่อให้จักรยานสามารถนำไปสู่การตกโดยอัตโนมัติดังนั้นจึงแสดงพฤติกรรมการทำให้ตนเองเสียโฉม พฤติกรรมการบังคับเลี้ยวแบบอัตโนมัตินี้จะช่วยให้จักรยานมีความมั่นคงบนลูกกลิ้งหรือเคลื่อนที่ไปตามพื้นดิน

เนื่องจากความมั่นคงนั้นเกิดจากความสมดุลของปัจจัยหลายประการปัจจัยใดปัจจัยหนึ่งมากเกินไปอาจทำให้การออกแบบไม่เสถียร (เช่นโดยการแก้ไขมากเกินไป) ยิ่งไปกว่านั้นไม่ใช่ว่าทุกปัจจัยมีผลกระทบเช่นเดียวกัน ปัจจัยบางอย่างในการแยกอาจเพียงพอที่จะทำให้จักรยานมีเสถียรภาพด้วยตัวเองในกรณีที่ไม่มีปัจจัยอื่น ๆ (เช่นการกระจายมวลที่ด้านหน้าของแกนพวงมาลัย )

การมีอยู่ของหลายปัจจัยก็หมายความว่าการออกแบบที่มีความเสถียรที่แตกต่างกันสามารถใช้จำนวนปัจจัยที่แตกต่างกันได้ ตัวอย่างเช่นในจักรยาน Randandur ของปี 1940 ใช้เส้นทางน้อยกว่ามากแต่เพิ่มมวลด้านหน้าของแกนพวงมาลัย (เช่นกระเป๋าด้านหน้าที่ถือเกียร์) เพื่อสร้างจักรยานที่มั่นคง

MinutePhysics มีวิดีโอสั้น ๆ ที่ดีในการทำลายผลกระทบของเอฟเฟกต์เหล่านี้ ฉันเชื่อในการออกแบบที่มีเสถียรภาพมากที่สุดขบวน Gyroscopic (3) จะมีผลกระทบที่อ่อนแอที่สุด

ด้วยลักษณะของความมั่นคงในตัวเองดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นเหตุผลพื้นฐานที่จักรยานอยู่ในขณะที่คุณกำลังขี่จักรยานนั่นคือคุณมีความสมดุลอย่างแข็งขันโดยการรักษาจุดสัมผัสของจักรยานภายใต้ศูนย์กลางมวลของคุณ ในขณะที่คุณกำลังขี่จักรยานคุณกำลังเคลื่อนไหวอย่างละเอียดเพื่อให้จักรยานอยู่ข้างใต้คุณ - เมื่อจักรยานตกไปทางซ้ายคุณเลี้ยวซ้ายซึ่งเคลื่อนที่ล้อหน้าและวางจักรยานไว้ข้างใต้คุณ บนลูกกลิ้งคุณสามารถเห็นสิ่งนี้ขณะที่จักรยานเคลื่อนที่ไปมาผ่านลูกกลิ้ง - และเมื่อทำเช่นนั้นไม่ได้คุณจะล้มลง

คุณสามารถทำสิ่งนี้ได้โดยไม่รู้ตัวหลังจากเรียนรู้ที่จะขี่มันเป็นความท้าทายในการขี่จักรยานโดยการหมุนพวงมาลัย

คำตอบขั้นพื้นฐานโดยไม่ได้รับมากเกินไปในฟิสิกส์คือโมเมนตัมเชิงมุม โดยทั่วไปวัตถุหมุน (ล้อของคุณ) ออกแรงแรงในทิศทางตรงกันข้ามถ้าคุณพยายามที่จะ "เคล็ดลับ" พวกเขา หากต้องการลองทำที่บ้านให้ถอดล้อหน้าออก จับเพลาไว้ด้วยมือทั้งสองแล้วหมุนวงล้อ ทีนี้ลองหมุนพวงมาลัยดู สังเกตว่าล้อดึงกลับอย่างไร ลองทำเช่นเดียวกันกับวงล้อที่ไม่หมุนและสังเกตว่ามันไม่ถอยกลับ ยิ่งล้อหมุนเร็วเท่าไหร่ก็ยิ่งดึงกลับได้ยากขึ้น ฉันไม่แน่ใจว่าความสัมพันธ์เป็นเส้นตรงหรือไม่ ลองดูที่นี่เพื่อดูพื้นฐานเพิ่มเติมที่โมเมนตัมเชิงมุม มันแสดงให้เห็นว่าวิดีโอสาธิตการใช้ยางจักรยาน

มันควรจะง่ายอย่างนี้

• การกระทำ = ปฏิกิริยา ถ้าจักรยานตั้งตรงมันจะอยู่ตัวตรงยกเว้นว่ามีกองกำลังด้านข้าง นี่เป็นเรื่องจริงแม้ว่าจักรยานจะไม่เคลื่อนไหว
• หากมีแรงบางอย่างที่ทำลายสมดุลก็จะต้องมีแรงต้านเพื่อรักษาสมดุล
• เมื่อจักรยานกำลังเคลื่อนที่พวงมาลัยจะแปลโมเมนตัมไปข้างหน้าบางส่วนให้กลายเป็นแรงด้านข้างดังนั้นการบังคับเลี้ยวสามารถใช้เพื่อปรับสมดุลจักรยาน
• บนลูกกลิ้งจักรยานสามารถเคลื่อนที่ไปด้านข้างเพื่อปรับสมดุล
• การเคลื่อนย้ายน้ำหนักของผู้ขับขี่ไม่ควรสร้างแรงด้านข้างเนื่องจากการเคลื่อนที่ไปด้านหนึ่งผู้ขับขี่จำเป็นต้องผลักจักรยานไปในทิศทางอื่นด้วยแรงเท่ากัน ความสำเร็จใด ๆ กับสิ่งนี้สามารถนำมาประกอบกับความไร้ประสิทธิภาพในระบบ

จากนั้นจะมีเอฟเฟกต์แบบ gyroscopic ของล้อที่สามารถเปลี่ยนปริมาณและทิศทางของแรงที่ทำงานบนระบบ