Apa yang membuat sepeda tetap tegak saat bergerak?

Apa yang membuat sepeda tetap tegak saat bergerak? Apa hubungan antara kecepatan dan stabilitas? Apakah ini hubungan linear?

Saya bisa menanyakan ini di situs fisika namun saya berharap untuk jawaban yang relatif sederhana. Saya mengambil kelas pengantar dalam fisika di Universitas sehingga fisika dasar dihargai tetapi tidak ada yang terlalu sulit.

Saya pikir bukan massa roda yang berputar sehingga sepeda tetap tegak. Saya membaca sebuah penelitian baru-baru ini menyatakan bahwa jika Anda memiliki roda dengan massa yang identik berputar ke belakang di samping sepeda motor tidak akan kehilangan stabilitas. (Saya tidak yakin di mana saya membaca studi ini).

Mengapa sepeda tetap tegak saat berada di roller?

Pertanyaan ini baru-baru ini menjadi subjek artikel panjang di majalah New Scientist. Untuk meringkas:

"Mengapa sepeda ini mengarahkan jumlah yang tepat pada waktu yang tepat untuk memastikan stabilitas diri?" kertas bertanya. "Kami tidak menemukan penjelasan fisik yang sederhana."

http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html

Artikel ini juga mengutip penelitian yang tidak dapat Anda tempatkan - kekuatan gyroscopic, yang telah lama dianggap sebagai segalanya dan mengakhiri semua stabilitas sepeda - telah terbukti secara ilmiah tidak menjadi konsekuensi yang umum dibayangkan.

Adapun untuk tetap tegak di atas roller, yang tidak tercakup oleh artikel, bagaimanapun, ia tidak membahas apa yang terjadi ketika Anda mengirim sepeda turun ke jalan tanpa seorang pun di atasnya - tampaknya berat dan penyesuaian kemudi yang dilakukan oleh pengendara tidak ada lakukan dengan itu.

Saya tidak berpikir bahwa artikel New Scientist adalah kata terakhir pada subjek. Namun itu baru-baru ini (beberapa minggu) dan merupakan pengantar yang baik untuk misteri. Nikmati!

Geometri sepeda memberikan stabilitas diri. Sudut dan rake garpu menghasilkan situasi di mana ban depan akan cenderung berubah menjadi miring, dan dengan demikian mengoreksi kecenderungan untuk jatuh ke satu sisi.

Efek gyroscopic dari roda dengan sendirinya kemungkinan tidak begitu kuat, tetapi efek gyroscopic pada kemudi bekerja dengan sudut / garu garpu untuk memutar ban ke arah "jatuh" dan memberikan lebih stabilisasi diri.

Secara teori, roller tidak berbeda dengan jalanan - ban depan akan berputar ke arah lean, baik sampai ujung roller menghasilkan bunyi tabrakan atau sepeda stabil.

Sepeda secara inheren stabil karena geometri mereka. Geometri menyebabkan sepeda selalu berubah ke arah yang mulai bersandar, yang membuatnya tegak. Alasannya paling baik diilustrasikan melalui konsep yang dikenal sebagai kontra-kemudi.

Kontra kemudi adalah cara semua kendaraan roda dua berputar. Saat Anda ingin berbelok ke kiri, Anda memutar setang sedikit ke kanan. Gesekan roda menarik bagian bawah sepeda ke kanan, yang memulai gerakan condong ke kiri. Bilah pegangan kemudian mulai mengayun ke kiri untuk melacak melalui belokan.

Saat tiba waktunya untuk menghentikan belokan, Anda memutar setang sedikit ke kiri. Yang menarik bagian bawah sepeda lebih jauh ke kiri, yang membawa bagian bawah sepeda langsung di bawah pusat gravitasi dan dengan demikian menghentikan belokan.

Pada banyak sepeda dan pada kecepatan rendah, efek pengemudian dapat diketahui oleh banyak pengendara. Namun, pada kecepatan tinggi, atau dengan kendaraan yang lebih berat seperti sepeda motor, itu lebih penting.

Jadi, bagaimana cara kerjanya di mana tidak ada pengendara? Itu karena garu di garpu dan rel yang disebabkannya. Jika Anda melacak garis imajiner melalui poros garpu Anda ke tanah, itu akan menyentuh tanah di depan di mana roda menyentuh tanah.

Karena roda menyentuh tanah di belakang sumbu kemudi, roda akan selalu merasakan kekuatan dari jalan yang mencoba membawanya ke pusat, menunjuk lurus ke depan. Ketika sepeda dimiringkan ke satu sisi, gaya mulai mendorong roda ke sisi bahwa sepeda berujung.

Jadi semua kekuatan ini bertambah. Penggaruk di garpu membuat motor ingin melaju lurus ke depan. Dan ketika terasa benjolan di satu arah atau yang lain, kemudi kontra akan cenderung membawa sepeda ke arah lain. Kemudian rake fork akan mulai mendorong roda depan lebih jauh, yang kemudian akan meluruskan motor keluar, karena counter steering.

Ini seperti menyeimbangkan sapu di tangan Anda, Anda mengarahkan untuk memindahkan roda di bawah Anda. Pabrikan sepeda membantu dengan merancang geometri kemudi sehingga sepeda akan tetap tegak dengan sendirinya, jika Anda tidak mengacaukannya.

Kekuatan gyroscopic membantu tetapi tidak penting.

Ada beberapa penelitian terbaru tentang ini: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

Sebelumnya diperkirakan bahwa roda yang berputar dari sepeda memberikan stabilitas melalui efek gyroscopic; dan bahwa 'jejak' (jarak di mana titik kontak dari roda depan berada di belakang sumbu kemudi, memainkan peranan penting).

Namun:

Sebuah studi baru dalam Science mengklaim telah menyelesaikan masalah ini - efek gyroscopic dan bantuan jejak, kata peneliti Dr Arend Schwab dari fakultas 3mE di TU Delft, tetapi tidak diperlukan di atas kecepatan tertentu. Dalam artikel Proceeding of the Royal Society 2007 (doi: 10.1098 / rspa.2007.1857), model matematika dengan sekitar 25 parameter fisik dikembangkan pada saat itu yang tampaknya memprediksi apakah, dan pada kecepatan berapa, desain sepeda tertentu akan menjadi. stabil.

Para penulis merancang dan membuat sepeda Two Mass Skate, dengan roda kecil dan roda berputar, yang berarti tidak ada efek gyroscopic untuk dibicarakan, dan jejak negatif kecil (dengan kata lain, di mana titik kontak dari roda depan adalah sedikit di depan sumbu kemudi). Namun sepeda tetap stabil saat bergerak.

Video 7 menit ini memberikan penjelasan tentang stabilitas sepeda, membahas efek giroskopik, kastor, dan kemudi. Secara khusus, ini menunjukkan contoh sepeda (tanpa pengendara) yang dapat menyeimbangkan bahkan ketika satu atau lebih sumber stabilitas dibatalkan. Dengan demikian, ada beberapa fitur desain yang memungkinkan stabilitas - termasuk pengendara.

Saat ini , ada tiga faktor utama yang dianggap mempengaruhi stabilitas sepeda:

1. Jumlah jejak roda depan (yaitu, desain roda kastor)
2. Distribusi massa di depan sumbu kemudi roda depan
3. Presesi giroskopik

Dalam sepeda modern ketiganya bekerja sama untuk memungkinkan sepeda secara otomatis mengarah ke jatuh, sehingga menunjukkan perilaku menikam sendiri. Perilaku kemudi otomatis ini memungkinkan sepeda stabil di atas roller atau bergerak di atas tanah.

Karena stabilitas dicapai melalui keseimbangan beberapa faktor, terlalu banyak faktor apa pun dapat membuat desain menjadi tidak stabil (misalnya, dengan koreksi yang berlebihan). Lebih lanjut, tidak semua faktor memiliki dampak yang sama. Beberapa faktor dalam isolasi mungkin cukup untuk membuat sepeda stabil dengan sendirinya tanpa adanya faktor lain (misalnya, distribusi massa di depan poros kemudi ).

Adanya beberapa faktor juga berarti bahwa desain stabil yang berbeda dapat menggunakan jumlah faktor yang berbeda pula. Misalnya, pada tahun 1940-an sepeda randonneur menggunakan jejak yang jauh lebih sedikit , tetapi menambahkan massa di depan poros kemudi (yaitu, tas depan yang membawa perlengkapan) untuk membuat sepeda yang stabil.

MinutePhysics memiliki video pendek yang bagus untuk mengurai dampak dari efek ini. Saya percaya pada desain paling stabil prosesi gyroscopic (3) akan memiliki efek terlemah.

Dibantu oleh karakteristik stabilitas diri, seperti disebutkan di atas, alasan dasar sepeda tetap tegak saat Anda mengendarainya adalah karena Anda secara aktif menyeimbangkan dengan menjaga titik kontak sepeda di bawah pusat massa Anda. Saat Anda mengendarai, Anda membuat gerakan memutar yang halus untuk menjaga sepeda tetap berada di bawah Anda - saat sepeda jatuh ke kiri, Anda belok kiri, yang menggerakkan roda depan dan meletakkan sepeda kembali di bawah Anda. Pada roller Anda dapat melihat ini ketika sepeda bergerak bolak-balik melintasi roller - dan ketika tidak bisa melakukan itu, Anda terjatuh.

Anda dapat melakukan ini tanpa sadar setelah belajar mengendarai sehingga cukup sulit untuk mengendarai sepeda dengan kemudi terbalik.

Jawaban dasar tanpa terlalu banyak ke dalam fisika adalah momentum sudut . Pada dasarnya benda yang berputar (roda Anda) mengerahkan kekuatan ke arah yang berlawanan jika Anda mencoba "memberi tip". Untuk mencoba ini di rumah, lepas roda depan Anda. Pegang porosnya dengan kedua tangan dan putar roda. Sekarang coba tip roda. Perhatikan bagaimana roda menarik kembali. Coba hal yang sama dengan roda tidak berputar dan perhatikan bagaimana tidak menarik kembali. Semakin cepat roda berputar, semakin sulit menariknya kembali. Saya tidak yakin apakah hubungannya linear atau tidak. Lihatlah di sini untuk melihat momentum sudut yang lebih mendasar . Ini menunjukkan video melakukan demonstrasi menggunakan ban sepeda.

Seharusnya sesederhana ini:

• aksi = reaksi. Jika sepeda tegak, itu akan tetap tegak kecuali ada kekuatan sideway. Ini benar bahkan ketika sepeda tidak bergerak.
• jika ada beberapa kekuatan yang mengganggu keseimbangan, perlu ada jumlah kekuatan penangkal yang sama untuk menjaga keseimbangan.
• ketika sepeda bergerak, kemudi akan menerjemahkan beberapa momentum maju menjadi gaya menyamping, sehingga kemudi dapat digunakan untuk menyeimbangkan sepeda.
• pada roller, sepeda dapat bergerak menyamping untuk menyeimbangkan.
• menggerakkan bobot pengendara seharusnya tidak menghasilkan kekuatan sideway karena untuk bergerak ke satu sisi, pengendara perlu mendorong sepeda ke arah lain dengan jumlah kekuatan yang sama. Setiap keberhasilan dengan ini dapat dikaitkan dengan inefisiensi dalam sistem.

Lalu ada efek gyroscopic roda yang dapat mengubah jumlah dan arah gaya yang bekerja pada sistem.