Пока наука не может дать однозначного ответа. Но все ближе…
Езда на велосипеде. Это как кататься на велосипеде, да? Ну, нет, если вы профессор Корнельского университета Энди Руина.
Он вместе с соавторами Джимом Пападопулосом, Арендом Швабом, Джоди Коойман и Яапом Мейджаардом написал статью под названием «Велосипед может быть самостабильным без гироскопических или касторовых эффектов», в которой предполагается, что ранее упомянутые условия устойчивости не достаточно объясняют - и даже не нужны - явление самоустойчивого велосипеда.
‘Удивительно, что люди вообще могут не ложиться спать на велосипеде. Но одна из самых удивительных вещей в велосипедах - это то, что они могут балансировать сами», - говорит Руина.
Приводя в пример известную сцену из фильма Жака Тати «День праздника» 1949 года, где неуклюжий почтальон Франсуа преследует своего сбежавшего скакуна, который мчится по проселочной дороге без всадника, Руина и его коллеги-ученые приступили к исследованию общепринятого мнения о том, что двумя необходимыми условиями для того, чтобы велосипед оставался в вертикальном положении, были либо гироскопический крутящий момент вращения колес, либо касторовый след переднего колеса.
«Велосипед можно держать вертикально только во время движения», - говорит Руина. «Хорошо известно, что рулевое управление дает вам баланс. Мы можем показать это, если заблокируем руль велосипеда без водителя, подтолкнем его вперед, а затем отпустим. Велосипед быстро упадет так же, как он падает, когда стоит на месте».
Руина сравнивает эффект с балансировкой метлы на руке. Когда вертикальная метла начинает наклоняться влево, балансир также перемещает руку влево, возвращая нижнюю часть метлы под ее падающую верхнюю часть, тем самым восстанавливая равновесие. Но если исключить водителя из уравнения, почему это происходит с велосипедом?
‘Люди, естественно, думают, что если что-то быстро вращается, оно становится жестким из-за гироскопического эффекта, поэтому, когда вы его поворачиваете, оно хочет повернуться в другую сторону. Это одно из распространенных объяснений. Во-вторых, велосипед ведет себя как ролик на тележке для покупок.
Контактный пункт
Люди предполагают, что фактическая точка контакта переднего колеса с землей находится перед осью рулевого управления из-за угла наклона рулевой колонки и наклона вилки. Но на самом деле колесо касается пола сразу за этой осью».
В результате, подобно ролику, который может вращаться на 360° вокруг вертикальной оси (представьте, что ваша гарнитура - это подшипник ролика, а ступица - его ось), ваше переднее колесо «следует» за рулем. Так что, как тележка для покупок, толкните свой велосипед вперед, и переднее колесо обязательно подвернется и будет следовать за направлением движения.
Однако расчеты исследователей показали, что ни гироскопический, ни касторовый эффект на самом деле не ответственны за склонность велосипеда к подруливанию и самостабилизации.
Чтобы доказать это, Руина и его команда построили то, что они называют «Two Mass Skate» (TMS). Похожий на складной самокат, TMS обладает теми же свойствами, что и велосипед - два колеса и передняя и задняя секции массы, соединенные шарниром (то есть рулевой колонкой), - но он сделан таким образом, что не склонен к гироскопическим или касторовым эффектам.
Для этого два маленьких колеса соприкасаются с землей, каждое из которых имеет соприкасающееся и, следовательно, вращающееся в противоположных направлениях колесо равной массы наверху, что компенсирует любой гироскопический эффект с противоположным движением (колеса TMS больше похожи на коньки). И точка контакта переднего колеса лежит впереди оси поворота, а не сзади, как у кастора.
Когда толкаешь вперед и отпускаешь, этот безколесный «велосипед» остается в вертикальном положении, даже поправляясь при боковом ударе.
Таким образом, это доказывает, что что-то еще, кроме гироскопических или касторовых эффектов, должно быть ответственно за склонность велосипеда к самостабилизации за счет поворота под себя. Чтобы объяснить это, исследователи утверждают, что распределение массы, особенно на рулевом узле, является ключевым.
Возвращаясь к примеру с метлой, Руина предлагает: «TMS имеет массу, которая находится впереди оси рулевого управления, а также массу в раме. Когда передняя часть велосипеда падает, он падает быстрее, точно так же, как если вы удерживаете карандаш на руке, он падает быстрее, чем метла.
Итак, передняя масса падает быстрее, чем задняя, но они связаны друг с другом осью поворота. Таким образом, в попытке упасть быстрее передняя часть приводит в движение руль и возвращает мотоцикл под себя».
Руина отмечает, что это все еще не решает вопрос устойчивости велосипеда, не в последнюю очередь в том, что касается велосипеда без водителя. Но что он действительно делает, так это поднимает новые вопросы о том, как мы остаемся в вертикальном положении на велосипеде, что однажды может привести к фундаментальным изменениям в дизайне.
Как выразились исследователи: «Эти результаты намекают на то, что эволюционный процесс, который привел к распространенным современным конструкциям велосипедов, возможно, еще не исследовал потенциально полезные области в пространстве дизайна». Итак, вот.
