Ce forță mișcă roțile unei biciclete? Bicicleta nu cade din cauza forței centrifuge. Forțele fizice care apar în timpul mișcării

Pentru a preveni căderea vehiculului cu două roți, trebuie să mențineți echilibrul în mod constant. Deoarece suprafața de sprijin a bicicletei este foarte mică (în cazul unei biciclete cu două roți, este doar o linie dreaptă trasată prin două puncte în care roțile ating solul), o astfel de bicicletă poate fi doar în echilibru dinamic. Acest lucru se realizează prin direcție: dacă bicicleta se înclină, ciclistul înclină ghidonul în aceeași direcție. Drept urmare, bicicleta începe să se întoarcă și forța centrifugă readuce bicicleta într-o poziție verticală. Acest proces are loc continuu, astfel încât vehiculul cu două roți nu poate circula strict drept; Dacă ghidonul este fix, bicicleta va cădea cu siguranță. Cu cât viteza este mai mare, cu atât este mai mare forța centrifugă și cu atât mai puțin trebuie să devii volanul pentru a menține echilibrul.

Când vă întoarceți, trebuie să înclinați bicicleta în direcția virajului, astfel încât suma gravitației și a forței centrifuge să treacă prin linia de sprijin. În caz contrar, forța centrifugă va înclina bicicleta în direcția opusă. La fel ca atunci când se deplasează în linie dreaptă, este imposibil să se mențină în mod ideal o astfel de înclinare, iar direcția se efectuează în același mod, doar poziția de echilibru dinamic este deplasată ținând cont de forța centrifugă care a apărut. Designul direcției bicicletei facilitează menținerea echilibrului. Axa de rotație a volanului nu este verticală, ci înclinată înapoi. În plus, trece sub axa de rotație roata din fata iar în faţa punctului în care roata atinge pământul.

Acest design atinge două obiective:

Dacă roata din față se abate accidental de la poziția neutră, apare un moment de frecare în raport cu axa de direcție, care readuce roata înapoi în poziția neutră.

Dacă înclinați bicicleta, apare un moment de forță care întoarce roata din față în direcția înclinării. Acest moment este cauzat de forța de reacție a solului. Se aplică până în punctul în care roata atinge solul și este îndreptată în sus. Deoarece axa de direcție nu trece prin acest punct, atunci când bicicleta este înclinată, forța de reacție a solului este deplasată în raport cu axa de direcție.

Astfel, se efectuează direcția automată, ajutând la menținerea echilibrului. Dacă bicicleta se înclină accidental, roata din față se întoarce în aceeași direcție, bicicleta începe să se rotească, forța centrifugă o readuce în poziție verticală, iar forța de frecare readuce roata din față înapoi în poziția neutră. Datorită acestui lucru, puteți merge pe bicicletă „fără mâini”. Bicicleta își menține echilibrul singură. Deplasând centrul de greutate în lateral, puteți menține o înclinare constantă a bicicletei și puteți face o întoarcere.

Se poate observa că capacitatea unei biciclete de a menține în mod independent echilibrul dinamic depinde de designul furcii de direcție. Factorul determinant este brațul de reacție al suportului roții, adică lungimea perpendicularei coborâte de la punctul de contact al roții cu solul până la axa de rotație a furcii; sau, care este echivalent, dar mai ușor de măsurat, este distanța de la punctul de contact al roții până la punctul de intersecție a axei de rotație a furcii cu solul. Astfel, pentru aceeași roată cuplul rezultat va fi mai mare, cu atât mai mare este înclinarea axei de rotație a furcii. Cu toate acestea, pentru a obține caracteristici dinamice optime, ceea ce este necesar nu este un cuplu maxim, ci unul strict definit: dacă un cuplu prea mic va duce la dificultăți de menținere a echilibrului, atunci unul prea mare va duce la instabilitate oscilativă, în special, „shimmy”. " (vezi mai jos). Prin urmare, poziția axei roții în raport cu axa furcii este selectată cu atenție în timpul proiectării; Multe furci pentru biciclete sunt proiectate să îndoaie sau pur și simplu să miște axa roții înainte pentru a reduce excesul de cuplu de compensare.

Opinia larg răspândită despre influența semnificativă a momentului giroscopic al roților care se rotește asupra menținerii echilibrului este incorectă. Pe viteze mari(începând de la aproximativ 30 km/h) roata din față poate experimenta așa-numita. Speed wobbles, sau „shimmies”, sunt un fenomen bine cunoscut în aviație. Cu acest fenomen, roata se clătinește spontan spre dreapta și stânga. Virațiile de mare viteză sunt cele mai periculoase atunci când mergeți „fără mâini” (adică atunci când ciclistul merge fără să țină ghidonul). Motivul balansării de mare viteză nu se datorează asamblarii proaste sau prinderii slabe a roții din față, acestea sunt cauzate de rezonanță. Oscilațiile de viteză sunt ușor de oprit prin încetinirea sau schimbarea posturii, dar dacă nu o faci, pot fi mortale.

Ciclismul este mai eficient (din punct de vedere al consumului de energie pe kilometru) atât decât mersul pe jos, cât și cu mașina. Mersul cu bicicleta la 30 km/h consumă 15 kcal/km (kilocalorii pe kilometru) sau 450 kcal/h (kilocalorii pe oră). Când mergeți cu o viteză de 5 km/h, se ard 60 kcal/km sau 300 kcal/h, adică mersul cu bicicleta este de patru ori mai eficient decât mersul pe jos în ceea ce privește consumul de energie pe unitatea de distanță. Deoarece ciclismul arde mai multe calorii pe oră, este, de asemenea, o activitate de exerciții mai bună. (La alergare, consumul de calorii pe oră este chiar mai mare, dar vibrația rănește genunchii și articulația gleznei). Un om antrenat care nu este atlet profesionist, poate produce 250 de wați, sau 1/3 CP, pentru o perioadă lungă de timp. Aceasta corespunde unei viteze de 30-50 km/h pe un drum plat. O femeie poate dezvolta mai puțină putere, dar mai multă putere pe unitatea de greutate. Întrucât pe un drum plat aproape toată puterea este cheltuită pentru depășirea rezistenței aerului, iar la deplasarea în deal principalele costuri sunt pentru depășirea gravitației, femeile, toate celelalte lucruri fiind egale, conduc mai încet pe teren plan și mai repede în sus.

Bicicleta devine un mijloc de transport din ce în ce mai popular în aceste zile, când există atât de multe mașini încât interferează cu existența celuilalt. Bicicletele au numeroase avantaje față de mașini, motiv pentru care în multe tari europene sunt considerate aproape principalul mijloc de transport. Popularitatea prietenilor pe două roți este în creștere în țara noastră.

Bicicleta nu este doar un mijloc de transport, ci și un sistem mecanic complex care funcționează conform legilor fundamentale ale fizicii. Toate biciclete, indiferent de tip, marcă, model și cost, își provoacă călăreții să învingă diverse forțe. În timp ce merge, un biciclist se confruntă cu două forțe principale - gravitația și aerodinamica. Forța gravitației apasă pe biciclist și pe vehiculul său la sol. În acest caz, vectorul forței este îndreptat strict perpendicular pe suprafața pământului. Cu cât bicicleta și călărețul ei cântăresc mai greu, cu atât forța gravitației este mai mare. Are o mare influență asupra efortului pe care trebuie să-l depună un biciclist atunci când își conduce vehiculul cu două roți. Dacă greutatea corpului tău și greutatea bicicletei sunt mai mici, atunci mersul va fi mult mai ușor, ceea ce înseamnă că mersul îți va oferi senzații mai plăcute. Deși, pentru unii, bicicleta este o mașină de exercițiu pentru arderea caloriilor.

Al doilea fundamental forță fizică aerodinamica pe care un biciclist trebuie să o depășească în timpul mersului este aerodinamică. În esență, aceasta este forța de rezistență a fluxului de aer care se apropie, care crește pe măsură ce crește viteza. Cu cât ciclistul se mișcă mai repede, cu atât este mai mare forța de rezistență a aerului. Pe lângă curenții de aer care se apropie, vânturile laterale pot acționa și asupra unei biciclete, ceea ce complică și mai mult mișcarea și te obligă să exerciți forțe suplimentare. Depășește forțele aerodinamice când mergi de mare viteză Nu este ușor pe un drum plat - necesită excelent antrenament fizic. Dacă nu aveți una, atunci este mai bine să cumpărați o bicicletă cu o unitate electrică, care vă va permite să mergeți în două moduri - mecanic și automat. Trebuie remarcat faptul că atunci când conduceți mecanic, se cheltuiește mult mai multă energie și efort decât în modul automat. Pentru a economisi energia bateriei, este mai bine să nu conduceți o mașină electrică tot timpul, ci doar în acele zone care sunt deosebit de dificil de depășit pe cont propriu (cățărări, teren accidentat și așa mai departe).

Îmi amintesc încă o lecție de fizică în care s-a discutat această problemă. Sincer, am fost surprins să aflu câte evenimente se întâmplă când mergi pe bicicletă, câte forțe interacționează constant... Voi încerca să explic, de ce se mișcă bicicletași cine a inventat-o.

Ce face o bicicletă să se miște?

Se poate spune că o singură putere umană.:), dar mai serios - musculos. Datorită faptului că o bicicletă modernă este în principal un model cu două roți, călărețul necesitatea mentinerii echilibrului, compensând în același timp acțiunile altor forțe care apar în timpul mișcării. Într-adevăr, faptul că o bicicletă este un design simplu nu înseamnă că totul este atât de simplu. Legile fundamentale ale științei- baza forțelor fizice care apar în timpul pedalării.

Forțele fizice care apar în timpul mișcării

În primul rând, trebuie remarcat faptul că forțele implicate în procesul de mișcare sunt împărțite în externă și internă. Deci, cele externe sunt:

gravitatie- cu alte cuvinte, forța gravitației, descrisă de Newton;
forțe de rezistență aerodinamice- au cel mai mare efect;
rezistență la rostogolire- de exemplu, crește la deplasarea pe nisip;
forţele care sunt cauzate de manevră- la schimbarea direcției.

Cele interne includ:

cuplu- forta care face roata sa se roteasca in jurul axei acesteia;
alte forte- de exemplu, frecarea pieselor mobile.

Cine a inventat bicicleta

Dezbaterea continuă până astăzi, iar răspunsul va depinde de națiunea căreia i se pune întrebarea. La un moment dat, s-au făcut chiar încercări de a crea o poveste „bicicletă”, dar singura concluzie a fost că aceasta invenția este meritul multor oameni care au contribuit la apariţia ei cu ideile lor. Cu toate acestea, există și date cheie în istoria bicicletei. De exemplu, în 1412 în Italia s-a construit o structură care a făcut posibilă mutarea folosind putere musculara. Deși era o mașină obișnuită pe 4 roți, totuși cu transmisie pe puntea spate folosind frânghie și scripete.

Prima structură asemănătoare cu cea modernă datează din 1817, când lipsa de cai a făcut ca Karl Drèze să vină cu o alternativă la cal. Acest model avea o caracteristică cheie - o particularitate volan sub formă de mâner, care a devenit baza construirii tuturor Vehicul tipul cu doua roti - rezistența la forța de rulare. Cel mai interesant lucru este că mișcarea a fost efectuată alergând - călăreților le era frică să-și ia picioarele de pe pământ, de frica sa nu cada.

Un model a fost construit în 1884, similar cu bicicleta cu care suntem obișnuiți - „Vagabond”. Designul oferit transmisie cu lanț, roți identice și, cel mai important - poziția șoferului între ele.

Pentru a preveni căderea vehiculului cu două roți, trebuie să mențineți echilibrul în mod constant. Deoarece suprafața de sprijin a bicicletei este foarte mică (în cazul unei biciclete cu două roți, este doar o linie dreaptă trasată prin două puncte în care roțile ating solul), o astfel de bicicletă poate fi doar în echilibru dinamic. Acest lucru se realizează folosind direcția: dacă bicicleta se înclină, ciclistul înclină ghidonul în aceeași direcție. Drept urmare, bicicleta începe să se întoarcă și forța centrifugă readuce bicicleta într-o poziție verticală. Acest proces are loc continuu, astfel încât vehiculul cu două roți nu poate circula strict drept; Dacă ghidonul este fix, bicicleta va cădea cu siguranță. Cu cât viteza este mai mare, cu atât este mai mare forța centrifugă și cu atât mai puțin trebuie să devii volanul pentru a menține echilibrul.

Designul direcției bicicletei facilitează menținerea echilibrului. Axa de rotație a volanului nu este verticală, ci înclinată înapoi. De asemenea, se extinde sub axa de rotație a roții din față și în fața punctului în care roata atinge solul. Acest design atinge două obiective:

Când roata din față a unei biciclete în mișcare se abate accidental de la poziția neutră, are loc un moment de frecare în raport cu axa de direcție, care readuce roata înapoi în poziția neutră.
Dacă înclinați bicicleta, apare un moment de forță care întoarce roata din față în direcția înclinării. Acest moment este cauzat de forța de reacție a solului. Se aplică până în punctul în care roata atinge solul și este îndreptată în sus. Deoarece axa de direcție nu trece prin acest punct, atunci când bicicleta este înclinată, forța de reacție a solului este deplasată în raport cu axa de direcție.

Astfel, se realizează direcție automată, ajutând la menținerea echilibrului. Dacă bicicleta se înclină accidental, roata din față se întoarce în aceeași direcție, bicicleta începe să se rotească, forța centrifugă o readuce în poziție verticală, iar forța de frecare readuce roata din față înapoi în poziția neutră. Datorită acestui lucru, puteți merge pe bicicletă „fără mâini”. Bicicleta își menține echilibrul singură. Deplasând centrul de greutate în lateral, puteți menține o înclinare constantă a bicicletei și puteți face o întoarcere.

Opinia larg răspândită despre influența semnificativă a momentului giroscopic al roților în rotație asupra menținerii echilibrului este incorectă.

La viteze mari (începând de la aproximativ 30 km/h), roata din față poate experimenta așa-numitele vibrațiile de viteză, sau „shimmies”, sunt un fenomen bine cunoscut în aviație. Cu acest fenomen, roata se clătinește spontan spre dreapta și stânga. Virațiile de mare viteză sunt cele mai periculoase atunci când mergeți „fără mâini” (adică atunci când ciclistul merge fără să țină ghidonul). Motivul balansărilor de mare viteză nu se datorează asamblarii proaste sau prinderii slabe a roții din față, acestea sunt cauzate de rezonanță. Oscilațiile de viteză sunt ușor de oprit prin încetinirea sau schimbarea posturii, dar dacă nu o faci, pot fi mortale.

Ciclismul este mai eficient (din punct de vedere al consumului de energie pe kilometru) atât decât mersul pe jos, cât și cu mașina. Mersul cu bicicleta la 30 km/h consumă 15 kcal/km (kilocalorii pe kilometru) sau 450 kcal/h (kilocalorii pe oră). Când mergi cu o viteză de 5 km/h, se ard 60 kcal/km sau 300 kcal/h, adică mersul cu bicicleta este de patru ori mai eficient decât mersul pe jos în ceea ce privește consumul de energie pe unitatea de distanță. Deoarece ciclismul arde mai multe calorii pe oră, este, de asemenea, o activitate de exerciții mai bună. Când alergați, consumul de calorii pe oră este și mai mare. Trebuie ținut cont de faptul că impactul alergării, precum și mersul necorespunzător pe bicicletă (de exemplu, deplasarea la deal în trepte mari, suprarăcirea genunchilor, lipsa de lichid suficient etc.) pot răni genunchii și articulațiile gleznelor. Un om antrenat care nu este un atlet profesionist poate dezvolta o putere de 250 de wați, sau 1/3 CP, pentru o lungă perioadă de timp. Cu. Aceasta corespunde unei viteze de 30-50 km/h pe un drum plat. O femeie poate dezvolta mai puțină putere absolută, dar mai multă putere pe unitatea de greutate. Întrucât pe un drum plat aproape toată puterea este cheltuită pentru depășirea rezistenței aerului, iar la deplasarea în deal principalele costuri sunt pentru depășirea gravitației, femeile, toate celelalte lucruri fiind egale, conduc mai încet pe teren plan și mai repede în sus.

Bazat pe materiale Wikipedia