Какая сила движет колеса велосипеда. Велосипед не падает из-за центробежной силы. Физические силы, возникающие при движении

Для того, чтобы двухколесный велосипед не упал, нужно постоянно поддерживать равновесие. Поскольку площадь опоры велосипеда очень мала (в случае двухколесного велосипеда это всего лишь прямая, проведённая через две точки, в которых колеса касаются земли), такой велосипед может находиться только в динамическом равновесии. Это достигается с помощью подруливания: если велосипед наклоняется, велосипедист отклоняет руль в ту же сторону. В результате велосипед начинает поворачивать и центробежная сила возвращает велосипед в вертикальное положение. Этот процесс происходит непрерывно, поэтому двухколесный велосипед не может ехать строго прямо; если руль закрепить, велосипед обязательно упадёт. Чем выше скорость, тем больше центробежная сила и тем меньше нужно отклонять руль, чтобы поддерживать равновесие.

При повороте нужно наклонить велосипед в сторону поворота так, чтобы сумма силы тяжести и центробежной силы проходила через линию опоры. В противном случае центробежная сила опрокинет велосипед в противоположную сторону. Как и при движении по прямой, идеально сохранять такой наклон невозможно, и подруливание осуществляется точно так же, только положение динамического равновесия смещается с учётом возникшей центробежной силы. Конструкция рулевого управления велосипеда облегчает поддержание равновесия. Ось вращения руля расположена не вертикально, а наклонена назад. Кроме того, она проходит ниже оси вращения переднего колеса и впереди той точки, где колесо касается земли.

Благодаря такой конструкции достигаются две цели:

При случайном отклонении переднего колеса от нейтрального положения возникает момент силы трения относительно рулевой оси, который возвращает колесо обратно в нейтральное положение.

Если наклонить велосипед, возникает момент силы, поворачивающий переднее колесо в сторону наклона. Этот момент вызван силой реакции опоры. Она приложена к точке, в которой колесо касается земли и направлена вверх. Из-за того, что рулевая ось не проходит через эту точку, при наклоне велосипеда сила реакции опоры смещается относительно рулевой оси.

Таким образом, осуществляется автоматическое подруливание, помогающее поддерживать равновесие. Если велосипед случайно наклоняется, то переднее колесо поворачивается в ту же сторону, велосипед начинает поворачивать, центробежная сила возвращает его в вертикальное положение, а сила трения возвращает переднее колесо обратно в нейтральное положение. Благодаря этому, можно ехать на велосипеде «без рук». Велосипед сам поддерживает равновесие. Сместив центр тяжести в сторону, можно поддерживать постоянный наклон велосипеда и выполнить поворот.

Можно заметить, что способность велосипеда самостоятельно сохранять динамическое равновесие зависит от конструкции рулевой вилки. Определяющим является плечо реакции опоры колеса, то есть длина перпендикуляра, опущенного из точки касания колеса земли на ось вращения вилки; или, что эквивалентно, но проще измерить - расстояние от точки касания колеса до точки пересечения оси вращения вилки с землёй. Таким образом, для одного и того же колеса возникающий момент будет тем выше, чем больше наклон оси вращения вилки. Однако для достижения оптимальных динамических характеристик нужен не максимальный момент, а строго определенный: если слишком малый момент приведёт к трудности удержания равновесия, то слишком большой - к колебательной неустойчивости, в частности - «шимми» (см. ниже). Поэтому положение оси колеса относительно оси вилки тщательно выбирается при проектировании; многие велосипедные вилки имеют изгиб или просто смещение оси колеса вперёд для снижения избыточного компенсирующего момента.

Распространённое мнение о существенном влиянии гироскопического момента вращающихся колёс на поддержание равновесия является неправильным. На высоких скоростях (начиная примерно с 30 км/час) переднее колесо может испытывать т. н. скоростные виляния (speed wobbles), или «шимми» - явление, хорошо известное в авиации. При этом явлении колесо самопроизвольно виляет вправо и влево. Скоростные виляния наиболее опасны при езде «без рук» (то есть когда велосипедист едет, не держась за руль). Причина скоростных виляний - не в плохой сборке или слабом креплении переднего колеса, они вызваны резонансом. Скоростные виляния легко погасить, снизив скорость или изменив позу, но если этого не сделать, они могут быть смертельно опасными.

Езда на велосипеде эффективнее (по затратам энергии на километр) как ходьбы, так и езде на автомобиле. При езде на велосипеде со скоростью 30 км/ч сжигается 15 ккал/км (килокалорий на километр), или 450 ккал/ч (килокалорий в час). При ходьбе со скоростью 5 км/ч сжигается 60 ккал/км или 300 ккал/ч, то есть езда на велосипеде в четыре раза эффективнее ходьбы по затратам энергии на единицу расстояния. Поскольку при езде на велосипеде расходуется больше калорий в час, она также является лучшей спортивной нагрузкой. (При беге затраты калорий в час ещё выше, но вибрация травмирует колени и голеностопный сустав). Тренированный мужчина, не являющийся профессиональным спортсменом, может в течение длительного времени развивать мощность 250 ватт, или 1/3 л.с. Это соответствует скорости 30-50 км/час по ровной дороге. Женщина может развивать меньшую мощность, но большую мощность на единицу веса. Поскольку на ровной дороге почти вся мощность расходуется на преодоление сопротивления воздуха, а при езде в гору основные затраты - на преодоление силы тяжести, женщины, при прочих равных условиях, едут медленнее по ровному месту и быстрее в гору.

Велосипед становится всё более популярным транспортным средством в наши дни, когда автомобилей стало настолько много, что они мешают существованию друг друга. Велосипеды имеют многочисленные преимущества по сравнению с автомобилями, посему во многих европейских странах считаются едва ли не основным средством передвижения. Растёт популярность двухколёсных друзей и в нашей стране.

Велосипед - это не только средство передвижения, но и сложная механическая система, которая работает по фундаментальным законам физики. Все велосипеды , вне зависимости от типа, марки, модели и стоимости, заставляют своих наездников преодолевать различные силы. Во время езды велосипедист сталкивается с двумя основными силами - это гравитация и аэродинамика. Сила земного притяжения прижимает велосипедиста с его транспортным средством к земле. При этом вектор действия силы направлен строго перпендикулярно поверхности земли. Сила гравитации тем больше, чем тяжелее весит велосипед вместе со своим наездником. Она оказывает большое влияние на те усилия, которые приходится прикладывать велосипедисту при езде на своём двухколёсном транспортном средстве. Если масса тела и вес велосипеда меньше, то и ездить будет гораздо проще, а, значит, езда подарит больше приятных ощущений. Хотя, для кого-то велосипед - это тренажёр для сжигания калорий.

Второй фундаментальной физической силой, которую приходится преодолевать велосипедисту во время движения, является аэродинамика. В сущности, это сила сопротивления встречного воздушного потока, которая нарастает по мере увеличения скорости движения. Чем быстрее движется велосипедист, тем больше сила сопротивления воздуха. Помимо встречных воздушных потоков на велосипед могут действовать и боковые ветра, что ещё больше усложняет движение и заставляет прикладывать дополнительные силы. Преодолевать аэродинамические силы при езде на большой скорости по ровной дороге не просто - для этого нужна отличная физическая подготовка. Если таковой нет, то лучше приобрести велосипед с электроприводом, который позволит ездить на двух режимах - механическом и автоматическом. Надо отметить, что при механической езде тратится гораздо больше энергии и сил, чем на автоматическом режиме. С целью экономии заряда аккумулятора ездить на электроприводе лучше не постоянно, а только на тех участках, которые особенно трудно преодолевать своими силами (подъёмы вверх, пересечённая местность и так далее).

Как сейчас помню урок физики, где рассматривался этот вопрос. Честно скажу, я был удивлен, узнав сколько событий происходит при езде на велосипеде, сколько сил постоянно взаимодействуют... Постараюсь объяснить, почему движется велосипед , и кто его изобрел.

Что приводит велосипед в движение

Можно сказать, что одна человеческая сила. :), но если более серьезно - мускульная. В виду того, что современный велосипед, в основном - двухколесная модель, ездоку необходимо удерживать равновесие , при этом компенсируя действия других сил, что возникают при движении. Действительно, то, что велосипед - несложная конструкция, совсем не означает, что все так просто. Фундаментальные законы науки - основа физических сил, возникающих в процессе прогулки на велосипеде.

Физические силы, возникающие при движении

В первую очередь, необходимо отметить, что силы участвующие в процессе движения делятся на внешние и внутренние . Итак, внешние это:

гравитация - другими словами, сила тяжести, описанная еще Ньютоном;
аэродинамические силы сопротивления - оказывают наибольшее действие;
сопротивление качению - например, возрастает при движении по пескам;
силы, что обусловлены совершением маневра - при изменении направления.

К внутренним относятся:

крутящий момент - та сила, что заставляет совершать оборот колеса вокруг оси;
иные силы - например, трение подвижных частей.

Кто изобрел велосипед

Споры не утихают и поныне, а ответ будет зависеть от того, представителю какой нации вопрос задается. Одно время даже предпринимались попытки создания «велосипедной» истории, однако единственный вывод гласил, что это изобретение - заслуга множества людей , способствовавших своими идеями его появлению. Однако в истории велосипеда есть и ключевые даты. Например, в 1412 году в Италии была построена конструкция, что позволяла перемещаться при помощи мышечной силы. Хоть это и была обычная тачка на 4 колесах, однако с передачей на заднюю ось при помощи веревки и шкивов.

Первая конструкция, напоминающая современную, датируется 1817 годом, когда дефицит лошадей привел к тому, что Карл Дрез придумал альтернативу лошади. Эта модель имела ключевую особенность - своеобразный руль в виде ручки , что и стало основой при постройке всех транспортных средств двухколесного типа - сопротивление силе качения . Самое интересное то, что движение осуществлялось при помощи бега - ездоки боялись убирать ноги с земли, опасаясь падения.

В 1884 году была построена модель, похожая на привычный нам велосипед - «Бродяга». Конструкция предусматривала передачу при помощи цепи , одинаковые колеса, а главное - расположение водителя между ними.

Для того, чтобы двухколесный велосипед не упал, нужно постоянно поддерживать равновесие. Поскольку площадь опоры велосипеда очень мала (в случае двухколесного велосипеда это всего лишь прямая, проведённая через две точки, в которых колеса касаются земли), такой велосипед может находиться только в динамическом равновесии. Это достигается с помощью подруливания : если велосипед наклоняется, велосипедист отклоняет руль в ту же сторону. В результате велосипед начинает поворачивать и центробежная сила возвращает велосипед в вертикальное положение. Этот процесс происходит непрерывно, поэтому двухколесный велосипед не может ехать строго прямо; если руль закрепить, велосипед обязательно упадёт. Чем выше скорость, тем больше центробежная сила и тем меньше нужно отклонять руль, чтобы поддерживать равновесие.

Конструкция рулевого управления велосипеда облегчает поддержание равновесия. Ось вращения руля расположена не вертикально, а наклонена назад. Кроме того, она проходит ниже оси вращения переднего колеса и впереди той точки, где колесо касается земли. Благодаря такой конструкции достигаются две цели:

При случайном отклонении переднего колеса движущегося велосипеда от нейтрального положения возникает момент силы трения относительно рулевой оси, который возвращает колесо обратно в нейтральное положение.
Если наклонить велосипед, возникает момент силы, поворачивающий переднее колесо в сторону наклона. Этот момент вызван силой реакции опоры. Она приложена к точке, в которой колесо касается земли и направлена вверх. Из-за того, что рулевая ось не проходит через эту точку, при наклоне велосипеда сила реакции опоры смещается относительно рулевой оси.

Таким образом, осуществляется автоматическое подруливание , помогающее поддерживать равновесие. Если велосипед случайно наклоняется, то переднее колесо поворачивается в ту же сторону, велосипед начинает поворачивать, центробежная сила возвращает его в вертикальное положение, а сила трения возвращает переднее колесо обратно в нейтральное положение. Благодаря этому, можно ехать на велосипеде «без рук». Велосипед сам поддерживает равновесие. Сместив центр тяжести в сторону, можно поддерживать постоянный наклон велосипеда и выполнить поворот.

Распространённое мнение о существенном влиянии гироскопического момента вращающихся колёс на поддержание равновесия является неправильным.

На высоких скоростях (начиная примерно с 30 км/ч) переднее колесо может испытывать т.н. скоростные виляния (speed wobbles ), или «шимми» - явление, хорошо известное в авиации. При этом явлении колесо самопроизвольно виляет вправо и влево. Скоростные виляния наиболее опасны при езде «без рук» (то есть когда велосипедист едет, не держась за руль). Причина скоростных виляний - не в плохой сборке или слабом креплении переднего колеса, они вызваны резонансом. Скоростные виляния легко погасить, снизив скорость или изменив позу, но если этого не сделать, они могут быть смертельно опасными.

Езда на велосипеде эффективнее (по затратам энергии на километр) как ходьбы, так и езды на автомобиле. При езде на велосипеде со скоростью 30 км/ч сжигается 15 ккал/км (килокалорий на километр), или 450 ккал/ч (килокалорий в час). При ходьбе со скоростью 5 км/ч сжигается 60 ккал/км или 300 ккал/ч, то есть езда на велосипеде в четыре раза эффективнее ходьбы по затратам энергии на единицу расстояния. Поскольку при езде на велосипеде расходуется больше калорий в час, она также является лучшей спортивной нагрузкой. При беге затраты калорий в час ещё выше. Необходимо учитывать, что ударные нагрузки при беге, а также неправильная езда на велосипеде (например, езда в гору на высоких передачах, переохлаждение коленей, отсутствие достаточного количества жидкости и т.д.) могут травмировать колени и голеностопный сустав. Тренированный мужчина, не являющийся профессиональным спортсменом, может в течение длительного времени развивать мощность 250 ватт, или 1/3 л. с. Это соответствует скорости 30-50 км/ч по ровной дороге. Женщина может развивать меньшую абсолютную мощность, но большую мощность на единицу веса. Поскольку на ровной дороге почти вся мощность расходуется на преодоление сопротивления воздуха, а при езде в гору основные затраты - на преодоление силы тяжести, женщины, при прочих равных условиях, едут медленнее по ровному месту и быстрее в гору.

По материалам Википедии