Anong puwersa ang nagpapagalaw sa mga gulong ng bisikleta? Ang bisikleta ay hindi nahuhulog dahil sa puwersa ng sentripugal. Pisikal na puwersa na nagmumula sa panahon ng paggalaw

Upang maiwasang mahulog ang bisikleta na may dalawang gulong, kailangan mong patuloy na mapanatili ang balanse. Dahil ang lugar ng suporta ng bisikleta ay napakaliit (sa kaso ng isang bisikleta na may dalawang gulong, ito ay isang tuwid na linya lamang na iginuhit sa dalawang punto kung saan ang mga gulong ay dumadampi sa lupa), ang gayong bisikleta ay maaari lamang nasa dynamic na equilibrium. Ito ay nakakamit sa pamamagitan ng pagpipiloto: kung ang bike ay sumandal, ang siklista ay ikiling ang mga manibela sa parehong direksyon. Bilang isang resulta, ang bisikleta ay nagsisimulang lumiko at ang sentripugal na puwersa ay nagbabalik sa bisikleta sa isang patayong posisyon. Ang prosesong ito ay nangyayari nang tuluy-tuloy, kaya ang dalawang-wheeler ay hindi maaaring sumakay ng mahigpit na tuwid; Kung naayos ang mga manibela, tiyak na mahuhulog ang bike. Kung mas mataas ang bilis, mas malaki ang puwersa ng sentripugal at mas kaunti ang kailangan mong ilihis ang manibela upang mapanatili ang balanse.

Kapag lumiko, kailangan mong ikiling ang bike sa direksyon ng pagliko upang ang kabuuan ng gravity at centrifugal force ay dumaan sa linya ng suporta. Kung hindi, ang puwersang sentripugal ay magtutulak sa bisikleta sa tapat na direksyon. Tulad ng kapag gumagalaw sa isang tuwid na linya, imposibleng perpektong mapanatili ang gayong pagkahilig, at ang pagpipiloto ay isinasagawa sa parehong paraan, tanging ang posisyon ng dynamic na balanse ay inilipat na isinasaalang-alang ang sentripugal na puwersa na lumitaw. Ang disenyo ng pagpipiloto ng bisikleta ay nagpapadali sa pagpapanatili ng balanse. Ang axis ng pag-ikot ng manibela ay hindi patayo, ngunit ikiling pabalik. Bilang karagdagan, ito ay pumasa sa ibaba ng axis ng pag-ikot gulong sa harap at sa harap ng punto kung saan dumampi ang gulong sa lupa.

Nakamit ng disenyong ito ang dalawang layunin:

Kung ang gulong sa harap ay hindi sinasadyang lumihis mula sa neutral na posisyon, ang isang frictional moment ay nangyayari kaugnay sa steering axle, na nagbabalik ng gulong pabalik sa neutral na posisyon.

Kung ikiling mo ang bisikleta, isang sandali ng puwersa ang lumitaw na lumiliko sa harap na gulong sa direksyon ng ikiling. Ang sandaling ito ay sanhi ng puwersa ng reaksyon sa lupa. Ito ay inilapat sa punto kung saan ang gulong ay humipo sa lupa at nakadirekta paitaas. Dahil ang steering axis ay hindi dumadaan sa puntong ito, kapag ang bisikleta ay nakatagilid, ang ground reaction force ay inililipat kaugnay sa steering axis.

Kaya, ang awtomatikong pagpipiloto ay isinasagawa, na tumutulong na mapanatili ang balanse. Kung ang bisikleta ay hindi sinasadyang sumandal, ang gulong sa harap ay lumiliko sa parehong direksyon, ang bisikleta ay nagsisimulang umikot, ang puwersa ng sentripugal ay ibabalik ito sa isang patayong posisyon, at ang puwersa ng friction ay ibabalik ang gulong sa harap pabalik sa neutral na posisyon. Dahil dito, maaari kang sumakay ng bisikleta nang "hands-free." Ang bisikleta ay nagpapanatili ng balanse nito sa sarili nitong. Sa pamamagitan ng paglipat ng sentro ng grabidad sa gilid, maaari mong mapanatili ang isang pare-parehong sandalan ng bike at gumawa ng isang pagliko.

Mapapansin na ang kakayahan ng isang bisikleta na nakapag-iisa na mapanatili ang dynamic na balanse ay nakasalalay sa disenyo ng steering fork. Ang kadahilanan ng pagtukoy ay ang braso ng reaksyon ng suporta ng gulong, iyon ay, ang haba ng patayo na ibinaba mula sa punto ng pakikipag-ugnay ng gulong sa lupa hanggang sa axis ng pag-ikot ng tinidor; o, na katumbas, ngunit mas madaling sukatin, ay ang distansya mula sa punto ng contact ng gulong hanggang sa punto ng intersection ng rotation axis ng fork sa lupa. Kaya, para sa parehong gulong ang resultang metalikang kuwintas ay magiging mas mataas, mas malaki ang pagkahilig ng axis ng pag-ikot ng tinidor. Gayunpaman, upang makamit ang pinakamainam na mga dynamic na katangian, ang kailangan ay hindi isang maximum na metalikang kuwintas, ngunit isang mahigpit na tinukoy: kung masyadong maliit ang metalikang kuwintas ay hahantong sa kahirapan sa pagpapanatili ng balanse, kung gayon ang masyadong malaki ay hahantong sa oscillatory instability, lalo na, "shimmy ” (tingnan sa ibaba). Samakatuwid, ang posisyon ng axis ng gulong na may kaugnayan sa axis ng tinidor ay maingat na pinili sa panahon ng disenyo; Maraming mga tinidor ng bisikleta ang idinisenyo upang yumuko o ilipat lamang ang wheel axle pasulong upang mabawasan ang labis na compensating torque.

Ang malawak na opinyon tungkol sa makabuluhang impluwensya ng gyroscopic moment ng umiikot na mga gulong sa pagpapanatili ng balanse ay hindi tama. Naka-on mataas na bilis(simula sa humigit-kumulang 30 km/h) ang gulong sa harap ay maaaring makaranas ng tinatawag na. Ang mga speed wobbles, o "shimmies," ay isang kababalaghan na kilala sa aviation. Sa hindi pangkaraniwang bagay na ito, ang gulong ay kusang umaalog-alog sa kanan at kaliwa. Ang mga high-speed swerve ay pinaka-delikado kapag nakasakay sa "hands-free" (iyon ay, kapag ang siklista ay sumakay nang hindi hinahawakan ang mga manibela). Ang dahilan para sa high-speed wobbles ay hindi dahil sa mahinang pagpupulong o mahina na pangkabit ng front wheel, ang mga ito ay sanhi ng resonance. Ang mga speed wobble ay madaling ihinto sa pamamagitan ng pagbagal o pagbabago ng iyong postura, ngunit kung hindi mo gagawin, maaari silang maging nakamamatay.

Ang pagbibisikleta ay mas mahusay (sa mga tuntunin ng pagkonsumo ng enerhiya bawat kilometro) kaysa sa paglalakad at pagmamaneho. Ang pagbibisikleta sa 30 km/h ay sumusunog ng 15 kcal/km (kilocalories kada kilometro), o 450 kcal/h (kilocalories kada oras). Kapag naglalakad sa bilis na 5 km / h, 60 kcal / km o 300 kcal / h ang nasusunog, iyon ay, ang pagbibisikleta ay apat na beses na mas mahusay kaysa sa paglalakad sa mga tuntunin ng paggasta ng enerhiya sa bawat distansya ng yunit. Dahil ang pagbibisikleta ay nagsusunog ng mas maraming calorie kada oras, ito rin ay isang mas mahusay na aktibidad sa ehersisyo. (Kapag tumatakbo, ang calorie expenditure kada oras ay mas mataas, ngunit ang vibration ay nakakapinsala sa mga tuhod at kasukasuan ng bukung-bukong). Isang sinanay na tao na hindi propesyonal na atleta, ay maaaring makagawa ng 250 watts, o 1/3 hp, sa mahabang panahon. Ito ay tumutugma sa bilis na 30-50 km/h sa patag na kalsada. Ang isang babae ay maaaring bumuo ng mas kaunting kapangyarihan, ngunit mas maraming kapangyarihan sa bawat yunit ng timbang. Dahil sa isang patag na kalsada halos lahat ng kapangyarihan ay ginugugol sa pagtagumpayan ng paglaban sa hangin, at kapag nagmamaneho pataas ang mga pangunahing gastos ay sa pagtagumpayan ng grabidad, ang mga babae, lahat ng iba pang bagay ay pantay, magmaneho nang mas mabagal sa patag na lupa at mas mabilis na paakyat.

Ang bisikleta ay nagiging isang unting popular na paraan ng transportasyon sa mga araw na ito, kapag mayroong napakaraming mga kotse na nakakasagabal sila sa pagkakaroon ng isa't isa. Ang mga bisikleta ay may maraming pakinabang sa mga kotse, kaya naman sa marami mga bansang Europeo ay itinuturing na halos pangunahing paraan ng transportasyon. Lumalakas ang kasikatan ng magkakaibigang may dalawang gulong sa ating bansa.

Ang isang bisikleta ay hindi lamang isang paraan ng transportasyon, kundi pati na rin isang kumplikadong sistema ng makina na gumagana ayon sa mga pangunahing batas ng pisika. Lahat mga bisikleta, anuman ang uri, tatak, modelo at gastos, hinahamon ang kanilang mga sakay na pagtagumpayan ang iba't ibang puwersa. Habang nakasakay, nahaharap ang isang siklista sa dalawang pangunahing puwersa - gravity at aerodynamics. Idiniin ng puwersa ng grabidad ang siklista at ang kanyang sasakyan sa lupa. Sa kasong ito, ang vector ng puwersa ay nakadirekta nang mahigpit na patayo sa ibabaw ng lupa. Kung mas mabigat ang bisikleta at ang sakay nito, mas malaki ang puwersa ng grabidad. Malaki ang impluwensya nito sa mga pagsisikap na kailangang gawin ng isang siklista kapag nakasakay sa kanyang sasakyang may dalawang gulong. Kung ang timbang ng iyong katawan at ang bigat ng bisikleta ay mas mababa, kung gayon ang pagsakay ay magiging mas madali, na nangangahulugang ang pagsakay ay magbibigay sa iyo ng mas kaaya-ayang mga sensasyon. Bagaman, para sa ilan, ang bisikleta ay isang makinang pang-ehersisyo para sa pagsunog ng mga calorie.

Pangalawang pundamental pisikal na lakas aerodynamics na kailangang pagtagumpayan ng isang siklista habang ang pagsakay ay aerodynamics. Sa esensya, ito ang puwersa ng paglaban ng paparating na daloy ng hangin, na tumataas habang tumataas ang bilis. Ang mas mabilis na gumagalaw ang siklista, mas malaki ang puwersa ng air resistance. Bilang karagdagan sa paparating na mga agos ng hangin, ang mga hangin sa gilid ay maaari ding kumilos sa isang bisikleta, na lalong nagpapahirap sa paggalaw at pinipilit kang gumamit ng karagdagang mga puwersa. Pagtagumpayan ang mga puwersa ng aerodynamic kapag nakasakay mataas na bilis sa isang patag na kalsada ay hindi madali - para dito kailangan mo ng mahusay pisikal na pagsasanay. Kung wala kang isa, pagkatapos ay mas mahusay na bumili ng bisikleta na may electric drive, na magpapahintulot sa iyo na sumakay sa dalawang mga mode - mekanikal at awtomatiko. Dapat pansinin na kapag nagmamaneho nang mekanikal, mas maraming enerhiya at pagsisikap ang ginugol kaysa sa awtomatikong mode. Upang makatipid ng lakas ng baterya, mas mainam na huwag magmaneho ng electric drive sa lahat ng oras, ngunit sa mga lugar lamang na mahirap pagtagumpayan sa iyong sarili (pag-akyat, magaspang na lupain, at iba pa).

Naaalala ko pa ang isang aralin sa pisika kung saan tinalakay ang isyung ito. Sa totoo lang, nagulat ako nang malaman kung gaano karaming mga kaganapan ang nangyayari kapag nakasakay sa isang bisikleta, kung gaano karaming mga puwersa ang patuloy na nakikipag-ugnayan ... Susubukan kong ipaliwanag, bakit gumagalaw ang bike, at sino ang nag-imbento nito.

Ano ang ginagawa ng isang bisikleta na gumagalaw?

Masasabi na isang kapangyarihan ng tao.:), ngunit mas seryoso - maskulado. Dahil sa ang katunayan na ang isang modernong bisikleta ay higit sa lahat ay isang modelong may dalawang gulong, ang sakay kailangang mapanatili ang balanse, habang binabayaran ang mga aksyon ng iba pang pwersa na lumilitaw sa panahon ng paggalaw. Sa katunayan, ang katotohanan na ang isang bisikleta ay isang simpleng disenyo ay hindi nangangahulugan na ang lahat ay napakasimple. Mga pangunahing batas ng agham- ang batayan ng mga pisikal na puwersa na lumitaw sa panahon ng pagbibisikleta.

Pisikal na puwersa na nagmumula sa panahon ng paggalaw

Una sa lahat, dapat tandaan na ang mga pwersang kasangkot sa proseso ng paggalaw ay nahahati sa panlabas at panloob. Kaya, ang mga panlabas ay:

grabidad- sa madaling salita, ang puwersa ng grabidad, na inilarawan ni Newton;
aerodynamic drag forces- magkaroon ng pinakamalaking epekto;
rolling resistance- halimbawa, tumataas ito kapag gumagalaw sa buhangin;
pwersa na dulot ng maniobra- kapag nagbabago ng direksyon.

Kasama sa mga panloob ang:

metalikang kuwintas- ang puwersa na nagpapaikot sa gulong sa paligid ng axis nito;
ibang pwersa- halimbawa, alitan ng mga gumagalaw na bahagi.

Sino ang nag-imbento ng bisikleta

Ang debate ay nagpapatuloy hanggang sa araw na ito, at ang sagot ay depende sa kung aling bansa ang itinatanong. Sa isang pagkakataon, ang mga pagtatangka ay ginawa pa ngang lumikha ng isang kuwentong "bisikleta", ngunit ang tanging konklusyon ay ito imbensyon ay ang merito ng maraming tao na nag-ambag sa paglitaw nito sa kanilang mga ideya. Gayunpaman, mayroon ding mga pangunahing petsa sa kasaysayan ng bisikleta. Halimbawa, noong 1412 sa Italya isang istraktura ang itinayo na naging posible upang ilipat gamit lakas ng kalamnan. Bagaman ito ay isang ordinaryong kotse sa 4 na gulong, gayunpaman na may transmission sa rear axle gamit ang lubid at kalo.

Ang unang istraktura na kahawig ng modernong isa ay nagsimula noong 1817, kung kailan kakulangan ng mga kabayo humantong kay Karl Drèze na may alternatibo sa kabayo. Ang modelong ito ay may pangunahing tampok - isang kakaiba manibela sa anyo ng isang hawakan, na naging batayan para sa pagtatayo ng lahat Sasakyan dalawang gulong na uri - rolling force resistance. Ang pinaka-kagiliw-giliw na bagay ay ang paggalaw ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagtakbo - ang mga sakay ay natakot na alisin ang kanilang mga paa sa lupa, takot mahulog.

Ang isang modelo ay itinayo noong 1884, katulad ng bisikleta na nakasanayan natin - "Tramp". Ang ibinigay na disenyo paghahatid ng kadena, magkaparehong mga gulong, at higit sa lahat - ang posisyon ng driver sa pagitan nila.

Upang maiwasang mahulog ang bisikleta na may dalawang gulong, kailangan mong patuloy na mapanatili ang balanse. Dahil ang lugar ng suporta ng bisikleta ay napakaliit (sa kaso ng isang bisikleta na may dalawang gulong, ito ay isang tuwid na linya lamang na iginuhit sa dalawang punto kung saan ang mga gulong ay dumadampi sa lupa), ang gayong bisikleta ay maaari lamang nasa dynamic na equilibrium. Ito ay nakakamit gamit ang pagpipiloto: kung ang bike ay sumandal, ang siklista ay ikiling ang mga manibela sa parehong direksyon. Bilang resulta, ang bisikleta ay nagsisimulang lumiko at ang sentripugal na puwersa ay nagbabalik sa bisikleta sa isang patayong posisyon. Ang prosesong ito ay nangyayari nang tuluy-tuloy, kaya ang dalawang-wheeler ay hindi maaaring sumakay ng mahigpit na tuwid; Kung naayos ang mga manibela, tiyak na mahuhulog ang bike. Kung mas mataas ang bilis, mas malaki ang puwersa ng sentripugal at mas kaunti ang kailangan mong ilihis ang manibela upang mapanatili ang balanse.

Ang disenyo ng pagpipiloto ng bisikleta ay nagpapadali sa pagpapanatili ng balanse. Ang axis ng pag-ikot ng manibela ay hindi patayo, ngunit ikiling pabalik. Ito rin ay umaabot sa ibaba ng axis ng pag-ikot ng gulong sa harap at sa harap ng punto kung saan ang gulong ay dumampi sa lupa. Nakamit ng disenyong ito ang dalawang layunin:

Kapag ang gulong sa harap ng isang gumagalaw na bisikleta ay hindi sinasadyang lumihis mula sa neutral na posisyon, ang isang frictional moment ay nangyayari kaugnay sa steering axle, na nagbabalik ng gulong pabalik sa neutral na posisyon.
Kung ikiling mo ang bisikleta, isang sandali ng puwersa ang lumitaw na lumiliko sa harap na gulong sa direksyon ng ikiling. Ang sandaling ito ay sanhi ng puwersa ng reaksyon sa lupa. Ito ay inilapat sa punto kung saan ang gulong ay humipo sa lupa at nakadirekta paitaas. Dahil ang steering axis ay hindi dumadaan sa puntong ito, kapag ang bisikleta ay nakatagilid, ang ground reaction force ay inililipat kaugnay sa steering axis.

Sa gayon, ito ay isinasagawa awtomatikong pagpipiloto, tumutulong na mapanatili ang balanse. Kung ang bisikleta ay hindi sinasadyang sumandal, ang gulong sa harap ay lumiliko sa parehong direksyon, ang bisikleta ay nagsisimulang umikot, ang puwersa ng sentripugal ay ibabalik ito sa isang patayong posisyon, at ang puwersa ng friction ay ibabalik ang gulong sa harap pabalik sa neutral na posisyon. Dahil dito, maaari kang sumakay ng bisikleta nang "hands-free." Ang bisikleta ay nagpapanatili ng balanse nito sa sarili nitong. Sa pamamagitan ng paglipat ng sentro ng grabidad sa gilid, maaari mong mapanatili ang isang pare-parehong sandalan ng bike at gumawa ng isang pagliko.

Mapapansin na ang kakayahan ng isang bisikleta na nakapag-iisa na mapanatili ang dynamic na balanse ay nakasalalay sa disenyo ng steering fork. Ang kadahilanan ng pagtukoy ay ang braso ng reaksyon ng suporta ng gulong, iyon ay, ang haba ng patayo na ibinaba mula sa punto ng pakikipag-ugnay ng gulong na may lupa hanggang sa axis ng pag-ikot ng tinidor; o, na katumbas, ngunit mas madaling sukatin, ay ang distansya mula sa punto ng contact ng gulong hanggang sa punto ng intersection ng rotation axis ng fork sa lupa. Kaya, para sa parehong gulong ang resultang metalikang kuwintas ay magiging mas mataas, mas malaki ang pagkahilig ng axis ng pag-ikot ng tinidor. Gayunpaman, upang makamit ang pinakamainam na mga dynamic na katangian, ang kailangan ay hindi isang maximum na metalikang kuwintas, ngunit isang mahigpit na tinukoy: kung masyadong maliit ang isang metalikang kuwintas ay hahantong sa kahirapan sa pagpapanatili ng balanse, kung gayon ang masyadong malaki ay hahantong sa oscillatory instability, lalo na, "shimmy ” (tingnan sa ibaba). Samakatuwid, ang posisyon ng axis ng gulong na may kaugnayan sa axis ng tinidor ay maingat na pinili sa panahon ng disenyo; Maraming mga tinidor ng bisikleta ang idinisenyo upang yumuko o ilipat lamang ang wheel axle pasulong upang mabawasan ang labis na compensating torque.

Ang malawak na opinyon tungkol sa makabuluhang impluwensya ng gyroscopic moment ng umiikot na mga gulong sa pagpapanatili ng balanse ay hindi tama.

Sa mataas na bilis (nagsisimula sa humigit-kumulang 30 km/h), ang gulong sa harap ay maaaring makaranas ng tinatawag na speed wobbles, o "shimmies," ay isang phenomenon na kilala sa aviation. Sa hindi pangkaraniwang bagay na ito, ang gulong ay kusang umaalog-alog sa kanan at kaliwa. Ang mga high-speed swerve ay pinaka-delikado kapag nakasakay sa "hands-free" (iyon ay, kapag ang siklista ay sumakay nang hindi hinahawakan ang mga manibela). Ang dahilan para sa high-speed wobbles ay hindi dahil sa mahinang pagpupulong o mahina na pangkabit ng front wheel, ang mga ito ay sanhi ng resonance. Ang mga speed wobble ay madaling ihinto sa pamamagitan ng pagbagal o pagbabago ng iyong postura, ngunit kung hindi mo gagawin, maaari silang maging nakamamatay.

Ang pagbibisikleta ay mas mahusay (sa mga tuntunin ng pagkonsumo ng enerhiya bawat kilometro) kaysa sa paglalakad at pagmamaneho. Ang pagbibisikleta sa 30 km/h ay sumusunog ng 15 kcal/km (kilocalories kada kilometro), o 450 kcal/h (kilocalories kada oras). Kapag naglalakad sa bilis na 5 km / h, 60 kcal / km o 300 kcal / h ang nasusunog, iyon ay, ang pagbibisikleta ay apat na beses na mas mahusay kaysa sa paglalakad sa mga tuntunin ng paggasta ng enerhiya sa bawat distansya ng yunit. Dahil ang pagbibisikleta ay nagsusunog ng mas maraming calorie kada oras, ito rin ay isang mas mahusay na aktibidad sa ehersisyo. Kapag tumatakbo, mas mataas pa ang calorie expenditure kada oras. Dapat itong isaalang-alang na ang epekto ng pagtakbo, pati na rin ang hindi wastong pagbibisikleta (halimbawa, pagsakay sa pataas sa mataas na gears, sobrang paglamig ng mga tuhod, kakulangan ng sapat na likido, atbp.) ay maaaring makapinsala sa mga tuhod at bukung-bukong joints. Ang isang sinanay na lalaki na hindi isang propesyonal na atleta ay maaaring magkaroon ng lakas na 250 watts, o 1/3 hp, sa mahabang panahon. Sa. Ito ay tumutugma sa bilis na 30-50 km/h sa patag na kalsada. Ang isang babae ay maaaring bumuo ng mas kaunting ganap na kapangyarihan, ngunit higit na kapangyarihan sa bawat yunit ng timbang. Dahil sa isang patag na kalsada halos lahat ng kapangyarihan ay ginugugol sa pagtagumpayan ng paglaban sa hangin, at kapag nagmamaneho pataas ang mga pangunahing gastos ay sa pagtagumpayan ng grabidad, ang mga babae, lahat ng iba pang bagay ay pantay, magmaneho nang mas mabagal sa patag na lupa at mas mabilis na paakyat.

Batay sa mga materyales sa Wikipedia