Balancing act: Varför ramlar inte cyklar bara omkull?

Innehållsförteckning:

Balancing act: Varför ramlar inte cyklar bara omkull?
Balancing act: Varför ramlar inte cyklar bara omkull?

Video: Balancing act: Varför ramlar inte cyklar bara omkull?

Video: Balancing act: Varför ramlar inte cyklar bara omkull?
Video: КЕМПИНГ ПОД ДОЖДЕМ с ТЕНТОМ и БУШКРАФТОМ 2024, Mars
Anonim

Ännu kan vetenskapen inte ge ett definitivt svar. Men det börjar närma sig…

Att cykla. Det är precis som att cykla, eller hur? Tja, inte om du är Cornell University-professor Andy Ruina.

Han har tillsammans med medförfattarna Jim Papadopoulos, Arend Schwab, Jodi Kooijman och Jaap Meijaard skrivit en artikel med titeln A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Castor Effects som tyder på att tidigare citerade villkor för stabilitet inte tillräckligt förklara – och är inte ens nödvändiga för – fenomenet med den självstabila cykeln.

‘Det är en anmärkningsvärd sak att folk överhuvudtaget kan sitta uppe på en cykel. Men en av de mest fantastiska sakerna med cyklar är att de kan balansera sig själva, säger Ruina.

För att ge exemplet på den berömda scenen i Jacques Tatis film Jour de Fête från 1949, där den stökiga brevbäraren François jagar sin förrymda häst medan den slingrar sig utan ryttare längs en landsväg, började Ruina och hans forskarkollegor utforska den konventionella visdomen som två nödvändiga förutsättningar för att en cykel skulle hålla sig upprätt var antingen det gyroskopiska vridmomentet för hjulen som svänger eller framhjulets svänghjul.

"Du kan bara hålla en cykel upprätt när den rör sig", säger Ruina. – Det som är välkänt är att styrningen ger dig balans. Vi kan visa detta om vi låser styrningen på en cykel utan förare, trycker på den och sedan släpper den. Cykeln kommer snabbt att ramla omkull på samma sätt som den välter när den står stilla.’

Ruina liknar effekten med att balansera en kvast på ens hand. När den vertikala borsten börjar luta åt vänster, flyttar balansören också sin hand åt vänster, vilket för tillbaka borstens botten under dess fallande topp och återfår därmed balansen. Men att ta föraren ur ekvationen, varför händer det här med en cykel?

‘Folk tror naturligtvis att om något snurrar snabbt blir det stelt på grund av den gyroskopiska effekten, så när du vänder på det vill det vända åt andra hållet. Det är en vanlig förklaring. Den andra är att en cykel beter sig som ett hjul på en kundvagn.

Kontaktpunkt

Folk antar att den faktiska markkontaktpunkten på framhjulet är framför styraxeln på grund av huvudvinkeln och gaffelns lutning. Men faktiskt har hjulet kontakt med golvet precis bakom den här axeln.’

Resultatet är att, precis som ett länkhjul som kan röra sig 360° runt en vertikal axel (föreställ dig att ditt headset är länkhjulets lager och ditt nav är dess axel), ditt framhjul "följer" ditt styre. Så som en shoppingvagn, skjut din cykel framåt och framhjulet sticker nödvändigtvis in och följer efter färdriktningen.

Forskarnas beräkningar visade dock att varken den gyroskopiska effekten eller länkeffekten faktiskt är ansvarig för en cykels benägenhet att styra och stabilisera sig.

För att bevisa detta konstruerade Ruina och hans team vad de kallar "Two Mass Skate" (TMS). Ser ut ungefär som en hopfällbar skoter, TMS har samma egenskaper som en cykel – två hjul och en fram- och baksektion av massa sammankopplade med ett gångjärn (dvs headsetet) – men den är gjord på ett sådant sätt att den inte är benägna att få gyroskopiska effekter eller riktningseffekter.

För att uppnå detta kontaktar två små hjul marken, vart och ett med ett rörande och därmed kontraroterande hjul med lika massa på toppen, vilket tar bort all gyroskopisk effekt med motsatt rörelse (TMS:s hjul fungerar mer som skridskor). Och framhjulets kontaktpunkt ligger framför styraxeln, inte bakom som med ett länkhjul.

När den trycks fram och släpps förblir den här hjullösa, spårlösa "cykeln" upprätt och korrigerar sig till och med när den knackas från sidan.

Detta bevisar därför att något annat, förutom gyroskopiska effekter eller hjuleffekter, måste vara ansvarigt för en cykels tendens att självstabilisera sig genom att styra under sig själv. För att förklara detta hävdar forskarna att fördelningen av massa, särskilt på styrenheten, är nyckeln.

För att gå tillbaka till kvastexemplet, föreslår Ruina: 'TMS har en massa som ligger framför styraxeln såväl som en massa i ramen. När fronten på en cykel faller faller den snabbare, precis som om du balanserar en penna på handen kommer den att falla snabbare än en kvast.

Så den främre massan faller snabbare än den bakre massan, men de är anslutna till varandra via styraxeln. Så i ett försök att falla snabbare orsakar fronten styrning och för tillbaka cykeln under sig själv.’

Ruina påpekar att detta fortfarande inte löser frågan om en cykels stabilitet, inte minst när det gäller en cykel utan förare. Men vad den gör är att ställa nya frågor om hur vi håller oss upprätt på en cykel, vilket en dag kan resultera i grundläggande designförändringar.

Som forskarna uttryckte det: "Dessa resultat antyder att den evolutionära processen som har lett till vanliga nuvarande cykeldesigner kanske inte ännu har utforskat potentiellt användbara regioner i designutrymmet." Så där.

Rekommenderad: