Kakšna sila premika kolesa kolesa? Kolo ne pade zaradi centrifugalne sile. Fizične sile, ki nastanejo med gibanjem

Da preprečite padec dvokolesnika, morate nenehno vzdrževati ravnotežje. Ker je oporna površina kolesa zelo majhna (pri dvokolesnem kolesu je to le premica, narisana skozi dve točki, kjer se kolesa dotikajo tal), je takšno kolo lahko samo v dinamičnem ravnovesju. To dosežemo s krmiljenjem: če se kolo nagne, kolesar nagne krmilo v isto smer. Posledično se kolo začne obračati in centrifugalna sila vrne kolo v navpičen položaj. Ta proces poteka neprekinjeno, zato dvokolesnik ne more voziti strogo naravnost; Če je krmilo fiksno, bo kolo zagotovo padlo. Višja kot je hitrost, večja je centrifugalna sila in manj je treba upogibati volan, da ohranite ravnotežje.

Ko zavijate, morate kolo nagniti v smeri zavoja, tako da vsota gravitacije in centrifugalne sile poteka skozi podporno linijo. V nasprotnem primeru bo centrifugalna sila nagnila kolo v nasprotno smer. Kot pri premikanju v ravni črti je nemogoče idealno vzdrževati takšen naklon, krmiljenje pa se izvaja na enak način, le položaj dinamičnega ravnovesja se premakne ob upoštevanju nastale centrifugalne sile. Zasnova krmila kolesa olajša vzdrževanje ravnotežja. Os vrtenja volana ni navpična, ampak nagnjena nazaj. Poleg tega poteka pod osjo vrtenja sprednje kolo in pred točko, kjer se kolo dotakne tal.

Ta zasnova dosega dva cilja:

Če sprednje kolo pomotoma zavije iz nevtralnega položaja, se pojavi torni moment glede na krmilno os, ki vrne kolo nazaj v nevtralni položaj.

Če kolo nagnete, nastane moment sile, ki obrne prednje kolo v smeri nagiba. Ta trenutek povzroči reakcijska sila tal. Nanese se na točko, kjer se kolo dotakne tal in je usmerjeno navzgor. Ker krmilna os ne poteka skozi to točko, se pri nagibu kolesa sila reakcije tal premakne glede na krmilno os.

Tako se izvede samodejno krmiljenje, ki pomaga vzdrževati ravnotežje. Če se kolo pomotoma nagne, se sprednje kolo obrne v isto smer, kolo začne obračati, centrifugalna sila ga vrne v pokončni položaj, sila trenja pa vrne sprednje kolo nazaj v nevtralni položaj. Zahvaljujoč temu lahko kolo vozite "brez rok". Kolo samo vzdržuje ravnotežje. S premikom težišča na stran lahko ohranjate konstanten nagib kolesa in naredite zavoj.

Opozoriti je treba, da je sposobnost kolesa, da samostojno vzdržuje dinamično ravnotežje, odvisna od zasnove krmilnih vilic. Odločilni dejavnik je reakcijska roka kolesnega nosilca, to je dolžina navpičnice, spuščene od točke stika kolesa s tlemi do osi vrtenja vilic; ali, kar je enakovredno, vendar lažje izmerljivo, je razdalja od točke dotika kolesa do točke presečišča osi vrtenja vilic s tlemi. Tako bo za isto kolo posledični navor večji, čim večji je naklon vrtilne osi vilic. Za doseganje optimalnih dinamičnih karakteristik pa ni potreben največji navor, temveč strogo določen: če bo premajhen navor povzročil težave pri ohranjanju ravnotežja, bo prevelik navor povzročil oscilatorno nestabilnost, zlasti »shimmy«. " (glej spodaj). Zato je med projektiranjem skrbno izbran položaj osi kolesa glede na os vilic; Veliko kolesarskih vilic je zasnovanih tako, da upognejo ali preprosto premaknejo os kolesa naprej, da se zmanjša presežni kompenzacijski navor.

Razširjeno mnenje o pomembnem vplivu giroskopskega momenta vrtljivih koles na vzdrževanje ravnotežja je napačno. Vklopljeno visoke hitrosti(od približno 30 km/h) se lahko na sprednjem kolesu pojavi t.i. Hitrostno nihanje ali "šimiji" so v letalstvu dobro poznan pojav. Pri tem pojavu kolo spontano niha v desno in levo. Hitrostni zavoji so najbolj nevarni pri vožnji »brez rok« (torej, ko kolesar vozi brez držanja krmila). Razlog za nihanje pri visokih hitrostih ni v slabi montaži ali šibki pritrditvi prednjega kolesa, povzroča jih resonanca. Nihanje hitrosti je enostavno ustaviti z upočasnitvijo ali spremembo drže, a če tega ne storite, so lahko smrtonosna.

Kolesarjenje je učinkovitejše (z vidika porabe energije na kilometer) kot hoja in vožnja. Kolesarjenje s hitrostjo 30 km/h porabi 15 kcal/km (kilokalorij na kilometer) oziroma 450 kcal/h (kilokalorij na uro). Pri hoji s hitrostjo 5 km/h se porabi 60 kcal/km oziroma 300 kcal/h, kar pomeni, da je kolesarjenje glede porabe energije na enoto razdalje štirikrat učinkovitejše od hoje. Ker kolesarjenje porabi več kalorij na uro, je tudi boljša vadba. (Pri teku je poraba kalorij na uro še večja, vendar vibracije poškodujejo kolena in skočni sklep). Šolanega moškega, ki ni profesionalni športnik, lahko dolgo časa proizvaja 250 vatov ali 1/3 KM. To ustreza hitrosti 30-50 km/h na ravni cesti. Ženska lahko proizvede manj moči, a več moči na enoto teže. Ker gre na ravni cesti skoraj vsa moč za premagovanje zračnega upora, pri vožnji v klanec pa gre glavni strošek za premagovanje težnosti, vozijo ženske ob vseh ostalih pogojih počasneje na ravnem in hitreje v klanec.

Kolo postaja v današnjem času, ko je avtomobilov toliko, da drug drugemu posegajo v obstoj, vse bolj priljubljeno prevozno sredstvo. Kolesa imajo številne prednosti pred avtomobili, zato v mnogih evropskih državah veljajo za skoraj glavno prevozno sredstvo. Priljubljenost dvokolesnih prijateljev pri nas narašča.

Kolo ni samo prevozno sredstvo, ampak tudi kompleksen mehanski sistem, ki deluje v skladu s temeljnimi zakoni fizike. Vse kolesa, ne glede na tip, znamko, model in ceno, izzivajo svoje voznike, da premagajo različne sile. Med vožnjo se kolesar sooča z dvema glavnima silama: gravitacijo in aerodinamiko. Sila težnosti pritisne kolesarja in njegovo vozilo k tlom. V tem primeru je vektor sile usmerjen strogo pravokotno na površino zemlje. Čim težja sta kolo in voznik, večja je gravitacijska sila. Ima velik vpliv na napor, ki ga mora vložiti kolesar pri vožnji s svojim dvokolesnim vozilom. Če sta vaša telesna teža in teža kolesa manjši, bo vožnja veliko lažja, kar pomeni, da vam bo vožnja prinesla prijetnejše občutke. Čeprav je za nekatere kolo trenažer za kurjenje kalorij.

Drugi temeljni fizična moč aerodinamika, ki jo mora kolesar premagati med vožnjo, je aerodinamika. V bistvu je to sila upora prihajajočega zračnega toka, ki se povečuje s povečanjem hitrosti. Hitreje ko se kolesar premika, večja je sila zračnega upora. Poleg prihajajočih zračnih tokov lahko na kolo delujejo tudi bočni vetrovi, ki dodatno otežijo gibanje in vas prisilijo v dodatne sile. Premagajte aerodinamične sile med vožnjo visoka hitrost na ravni cesti ni enostavno - za to potrebujete odlično fizični trening. Če ga nimate, potem je bolje kupiti kolo z električnim pogonom, ki vam bo omogočil vožnjo v dveh načinih - mehanskem in avtomatskem. Treba je opozoriti, da se pri mehanski vožnji porabi veliko več energije in truda kot v samodejnem načinu. Da bi prihranili energijo baterije, je bolje, da električnega pogona ne vozite ves čas, ampak le na tistih območjih, ki jih je še posebej težko premagati sami (vzponi, neravni tereni itd.).

Še vedno se spomnim lekcije fizike, kjer so razpravljali o tem vprašanju. Iskreno povedano, bil sem presenečen, ko sem izvedel, koliko dogodkov se zgodi med vožnjo s kolesom, koliko sil nenehno deluje ... Poskušal bom razložiti, zakaj se kolo premika, in kdo ga je izumil.

Zakaj se kolo premika?

Lahko se reče, da ena človeška moč.:), bolj resno pa - mišičast. Ker je sodobno kolo predvsem dvokolesni model, je kolesar treba vzdrževati ravnotežje, hkrati pa kompenzira delovanje drugih sil, ki nastanejo med gibanjem. Dejansko dejstvo, da je kolo preproste zasnove, ne pomeni, da je vse tako preprosto. Temeljni zakoni znanosti- osnova fizičnih sil, ki nastanejo med kolesarjenjem.

Fizične sile, ki nastanejo med gibanjem

Najprej je treba opozoriti, da so sile, ki sodelujejo v procesu gibanja, razdeljene na zunanje in notranje. Torej, zunanji so:

gravitacija- z drugimi besedami, sila gravitacije, ki jo je opisal Newton;
sile aerodinamičnega upora- imajo največji učinek;
kotalni upor- na primer, poveča se pri premikanju po pesku;
sile, ki jih povzroči manever- pri spreminjanju smeri.

Notranji vključujejo:

navor- sila, zaradi katere se kolo vrti okoli svoje osi;
druge sile- na primer trenje gibljivih delov.

Kdo je izumil kolo

Razprava se nadaljuje še danes, odgovor pa bo odvisen od tega, kateremu narodu bo postavljeno vprašanje. Nekoč so celo poskušali ustvariti »kolesarsko« zgodbo, vendar je bila edina ugotovitev, da to izum je zasluga mnogih ljudi ki so s svojimi idejami pripomogli k njegovemu nastanku. Vendar pa obstajajo tudi ključni datumi v zgodovini kolesa. na primer leta 1412 v Italiji zgradili konstrukcijo, ki omogočala premikanje z uporabo moč mišic. Čeprav je bil navaden avto na 4 kolesih, pa vendar s prenosom na zadnjo os z uporabo vrvi in škripcev.

Prva zgradba, ki spominja na sodobno, sega v leto 1817, ko pomanjkanje konj privedla do tega, da je Karl Drèze prišel do alternative konju. Ta model je imel ključno lastnost - posebnost volan v obliki ročaja, ki je postal osnova za gradnjo vseh Vozilo dvokolesni tip - upor kotalne sile. Najbolj zanimivo je, da je gibanje potekalo s tekom - jezdeci so se bali dvigniti noge s tal, zaradi strahu pred padcem.

Model je bil izdelan leta 1884, podobno kolesu, ki smo ga vajeni - "Tramp". Predložen dizajn verižni prenos, enaka kolesa in kar je najpomembnejše - položaj voznika med njimi.

Da preprečite padec dvokolesnika, morate nenehno vzdrževati ravnotežje. Ker je oporna površina kolesa zelo majhna (pri dvokolesnem kolesu je to le premica, narisana skozi dve točki, kjer se kolesa dotikajo tal), je takšno kolo lahko samo v dinamičnem ravnovesju. To dosežemo s krmiljenjem: če se kolo nagne, kolesar nagne krmilo v isto smer. Posledično se kolo začne obračati in centrifugalna sila vrne kolo v navpičen položaj. Ta proces poteka neprekinjeno, zato dvokolesnik ne more voziti strogo naravnost; Če je krmilo fiksno, bo kolo zagotovo padlo. Večja kot je hitrost, večja je centrifugalna sila in manj je treba upogibati volan, da ohranite ravnotežje.

Ko zavijate, morate kolo nagniti v smeri zavoja, tako da vsota gravitacije in centrifugalne sile prehaja skozi podporno linijo. V nasprotnem primeru bo centrifugalna sila nagnila kolo v nasprotno smer. Kot pri premikanju v ravni črti je nemogoče idealno vzdrževati takšen naklon, krmiljenje pa se izvaja na enak način, le položaj dinamičnega ravnovesja se premakne ob upoštevanju nastale centrifugalne sile.

Zasnova krmila kolesa olajša vzdrževanje ravnotežja. Os vrtenja volana ni navpična, temveč nagnjena nazaj. Prav tako se razteza pod vrtilno osjo prednjega kolesa in pred točko, kjer se kolo dotika tal. Ta zasnova dosega dva cilja:

Ko sprednje kolo premikajočega se kolesa pomotoma zavije iz nevtralnega položaja, se pojavi torni moment glede na krmilno os, ki vrne kolo nazaj v nevtralni položaj.
Če kolo nagnete, nastane moment sile, ki obrne prednje kolo v smeri nagiba. Ta trenutek povzroči reakcijska sila tal. Nanese se na točko, kjer se kolo dotakne tal in je usmerjeno navzgor. Ker krmilna os ne poteka skozi to točko, se pri nagibu kolesa reakcijska sila tal premakne glede na krmilno os.

Tako se izvaja avtomatsko krmiljenje, pomaga ohranjati ravnovesje. Če se kolo pomotoma nagne, se sprednje kolo obrne v isto smer, kolo začne obračati, centrifugalna sila ga vrne v pokončni položaj, sila trenja pa vrne sprednje kolo nazaj v nevtralni položaj. Zahvaljujoč temu lahko kolo vozite "brez rok". Kolo samo vzdržuje ravnotežje. S premikom težišča na stran lahko vzdržujete stalen nagib kolesa in naredite zavoj.

Opozoriti je treba, da je sposobnost kolesa, da samostojno vzdržuje dinamično ravnotežje, odvisna od zasnove krmilnih vilic. Odločilni faktor je reakcijska roka nosilca kolesa, to je dolžina navpičnice, spuščene od točke stika kolesa s tlemi do osi vrtenja vilic; ali, kar je enakovredno, vendar lažje izmerljivo, je razdalja od točke dotika kolesa do točke presečišča osi vrtenja vilic s tlemi. Tako bo za isto kolo posledični navor večji, čim večji je naklon vrtilne osi vilic. Za doseganje optimalnih dinamičnih karakteristik pa ni potreben največji navor, temveč strogo določen: če bo premajhen navor povzročil težave pri ohranjanju ravnotežja, bo prevelik navor povzročil oscilatorno nestabilnost, zlasti »shimmy«. " (glej spodaj). Zato je med projektiranjem skrbno izbran položaj osi kolesa glede na os vilic; Številne kolesarske vilice so zasnovane tako, da upognejo ali preprosto premaknejo os kolesa naprej, da se zmanjša presežni kompenzacijski navor.

Razširjeno mnenje o pomembnem vplivu giroskopskega momenta vrtljivih koles na vzdrževanje ravnotežja je napačno.

Pri visokih hitrostih (od približno 30 km/h) se lahko na sprednjem kolesu pojavi t.i hitrostna nihanja ali "shimmies" so v letalstvu dobro poznan pojav. Pri tem pojavu kolo spontano niha v desno in levo. Hitrostni zavoji so najbolj nevarni pri vožnji »brez rok« (torej, ko kolesar vozi brez držanja krmila). Razlog za nihanje pri visokih hitrostih ni v slabi montaži ali šibki pritrditvi prednjega kolesa, povzroča jih resonanca. Nihanje hitrosti je enostavno ustaviti z upočasnitvijo ali spremembo drže, a če tega ne storite, so lahko smrtonosna.

Kolesarjenje je bolj učinkovito (z vidika porabe energije na kilometer) kot hoja in vožnja. Kolesarjenje s hitrostjo 30 km/h porabi 15 kcal/km (kilokalorij na kilometer) oziroma 450 kcal/h (kilokalorij na uro). Pri hoji s hitrostjo 5 km/h se porabi 60 kcal/km oziroma 300 kcal/h, kar pomeni, da je kolesarjenje glede porabe energije na enoto razdalje štirikrat učinkovitejše od hoje. Ker kolesarjenje porabi več kalorij na uro, je tudi boljša vadba. Pri teku je vaša poraba kalorij na uro še večja. Upoštevati je treba, da lahko vplivi teka, pa tudi nepravilnega kolesarjenja (na primer vožnja v klanec v visokih prestavah, preohlajevanje kolen, pomanjkanje zadostne količine tekočine ipd.) poškodujejo kolena in skočne sklepe. Treniran človek, ki ni profesionalni športnik, lahko dolgo časa razvije moč 250 vatov ali 1/3 KM. z. To ustreza hitrosti 30-50 km/h na ravni cesti. Ženska lahko razvije manjšo absolutno moč, a večjo moč na enoto teže. Ker gre na ravni cesti skoraj vsa moč za premagovanje zračnega upora, pri vožnji navkreber pa gre glavni strošek za premagovanje težnosti, vozijo ženske ob vseh ostalih pogojih počasneje na ravnem in hitreje v klanec.

Na podlagi gradiva Wikipedije