Технический курс требует хороших навыков прохождения поворотов. Но, согласно физике, как далеко вы можете опрокинуть свой велосипед, прежде чем упадете на палубу?
Ученые ломали голову над тем, что делает велосипедный баланс со времен старого пенни фартинга. Многие эксперты предположили, что эти вращающиеся обручи заставляют велосипед вести себя как гироскоп, но все не так просто. Группа инженеров из Ноттингемского университета определила 25 отдельных переменных, влияющих на движение велосипеда, сославшись на то, что «простое объяснение кажется невозможным, потому что наклон и поворот связаны комбинацией эффектов, включая гироскопическую прецессию, боковые силы реакции земли». на переднем колесе, отставание точки контакта с землей за осью рулевого управления, гравитационные и инерционные реакции…'
Известно, что пока велосипед движется со скоростью около 14 км/ч (9 миль в час), он может оставаться в вертикальном положении без присутствия водителя. Но опять же, ученые не могут объяснить почему.
На этом фоне добавление дополнительного измерения поворота и расчет угла, на который вы можете наклониться при повороте, прежде чем вы ударитесь о асфальт, явно является сложной задачей. В правильных условиях можно увидеть углы в 45°, но как нам добраться до этой точки?
«Мы знаем, что на велосипед и на велосипедиста действуют три реальные силы», - говорит Ретт Аллен, увлеченный велосипедист и доцент физики Университета Юго-Восточной Луизианы в США.
‘Сила гравитации толкает мотоцикл и всадника вниз; есть дорога, которую мы называем «нормальной» силой, и есть сила трения, толкающая велосипед к центру кругового пути, по которому он движется».
Фальшивая сила
Есть еще центробежная сила.«Это действительно оказывает влияние, но это фальшивая сила», - говорит Аллен. Многие физики утверждают, что центробежной силы не существует, и что это просто отсутствие центростремительной силы - силы внутреннего притяжения, которая обеспечивает движение велосипеда по кругу, аналогично гравитации, притягивающей внутрь спутник, чтобы удерживать его на орбите.
Рассчитывается по уравнению F=mv2/r, где F – центростремительная сила (Ньютоны), m – масса велосипеда и велосипедиста (кг), v – скорость (м/с), а r - радиус угла в метрах.
«Физика прохождения поворота заключается в том, что вы делаете это, ускоряясь радиально внутрь, что сводится к центростремительной силе», - говорит Дэвид Уилсон, почетный профессор инженерных наук Массачусетского технологического института.
‘Сила должна исходить от шин. Велосипед должен наклоняться так, чтобы комбинация реакции шины и радиальной силы соответствовала результирующей силе велосипеда и водителя».
Кроме того, ключом к тому, насколько далеко вы можете наклониться, является коэффициент трения, который представляет собой отношение силы трения между двумя телами и силой, приложенной к ним – в данном случае шина и асфальт.
Большинство сухих материалов имеют коэффициент трения от 0,3 до 0,6, тогда как резина при контакте с асфальтом может давать коэффициент трения от одного до двух. При движении поверхностей друг относительно друга – как при циклировании – этот показатель несколько уменьшается.
Чтобы велосипед оставался в вертикальном положении, боковая сила (центростремительная) должна равняться коэффициенту трения, а эта цифра может быть на удивление большой. Например, гонщик весом 70 кг на велосипеде весом 10 кг, движущийся со скоростью 20 миль в час по кривой радиусом 20 м, испытывает центростремительную силу в 316 ньютонов.
Эта сила должна создаваться шинами, и если бы силы не существовало, велосипед и водитель просто двигались бы по прямой.
Используя некоторые впечатляющие тригонометрические расчеты, которые заняли бы целую книгу, коэффициент трения равен функции тангенса максимального угла наклона.
«Колесо будет скользить, когда коэффициент трения будет превышен», - говорит Марко Аркестейн, преподаватель спортивных наук в Университете Аберистуита. «Это может быть связано с увеличением силы трения [например, из-за затягивания троса через угол] или уменьшением нормальной силы [например, из-за углубления на дороге].»
Коэффициент трения также может меняться из-за изменения поверхности. Вот почему поворот на белой линии может быть опасным. «Это особенно актуально на мокрой дороге», - говорит Аркестейн. «Краска менее пористая, поэтому вода не рассеивается».
Вес всадника
Еще больше усложняет ситуацию вопрос веса гонщика. «С точки зрения физики, маленькие ребята должны больше наклоняться, - говорит Аркестейн. «Кроме того, они обычно более проворны, что помогает».
Аллен не так определенен, предполагая, что, хотя вес гонщика имеет «немного» значение, большее значение имеет центр масс гонщика и велосипеда.
«В конце концов, это самый важный фактор», - говорит он. Более тяжелые гонщики, как правило, более высокие гонщики, особенно в профессиональном пелотоне, а это означает, что размеры их рамы больше, а центр масс выше. Также необходимо учитывать дорожные условия. Если вы находитесь на пределе, неровность на дороге может привести к потере сцепления с дорогой и падению.
Дороги Великобритании иногда более цепкие, чем дороги наших континентальных европейских кузенов, потому что они более пористые, чтобы поглощать дождь и предотвращать скользкую поверхность. Поэтому наши дороги грубее. Но они часто более ухабистые и находятся в худшем состоянии из-за повреждений от мороза, поэтому езда на велосипеде и вождение автомобиля во Франции в сухую погоду доставляют абсолютное удовольствие.
В конце концов, каков максимальный угол наклона? Для профессора механики и инженерии Джима Пападопулоса на этот вопрос нельзя ответить, пока вы не добавите последний фактор - след.
Это воображаемая линия, проецируемая вниз по рулевой трубе на землю. Если эта точка находится перед точкой контакта колеса с землей, она считается «положительной» и более стабильной. Сзади велосипед с большей вероятностью опрокинется. Трейл уменьшается, чем больше вы наклоняетесь.
«Велосипедисты, как правило, остаются в положительной области трассы и не превышают 45° наклона», - говорит он. «Обычно меньше, но когда радиус поворота превышает 5 м, можно достичь 45°. Это потому, что трейл становится менее важной проблемой - тогда мы возвращаемся к проблеме сцепления».
Так что 45° возможен на быстром, широком повороте с хорошим покрытием, но с таким количеством переменных, к сожалению, нет однозначного ответа. Насколько далеко вы можете опереться, зависит от проб и (надеюсь, не слишком болезненных) ошибок.
