Почему велосипедист не падает когда едет. Почему велосипед не падает при езде

Почему велосипед не падает, не вполне понятно, особенно на первый взгляд. Площадь его опоры очень мала, даже если весьма широкие и слабо накачаны. Поставленный вертикально, он долго не простоит. Обычно он падает на бок через 2 - 4 секунды, но если его удачно толкнуть вперед, падение случится через 10 - 15 секунд. Именно этим решительно отличается от и четырехколесного автомобиля. Даже если отбросить влияние велосипедиста на устойчивость, то во время езды велосипед гораздо устойчивей, чем во время остановки. Управляться он может также по-разному, и не только поворотом . Если вспомнить езду «без рук», то становится понятно, что факторов, обеспечивающих устойчивость велосипеда, несколько. Рассмотрим главные. Но прежде, еще одно короткое замечание: у велосипеда существуют две устойчивости и одна управляемость. Первая устойчивость — это вертикальная, вторая — продольная, или курсовая устойчивость, а управляемость — только продольная (курсовая). Само собой, чем лучше продольная устойчивость, тем хуже управляемость, и наоборот. Сложность заключается во взаимосвязи этих трех важных параметров. Один влияет на другой, другой на третий и рассказать, положим, о вертикальной устойчивости, не упоминая продольную, затруднительно. Но в любом случае, каждому практикующему велосипедисту важно сохранить равновесие, или баланс и катить в правильном направлении.

Равновесию на малой скорости или даже стоя на месте, как лихо демонстрируют некоторые умельцы, помогает геометрия вилки и рулевой колонки. Поворачивая руль, мы сдвигаем центральную линию велосипеда, проходящую через точки контакта с поверхностью переднего и заднего колес. Так мы подстраиваем ее под слегка сдвинувшийся в сторону центр тяжести велосипедиста и его верного двухколесного коня. Балансирование на месте всем хорошо известно и знакомо — это сюрпляс. Подробно о полезных свойствах вилок и их влиянии на устойчивость можно посмотреть чуть ниже.

Вид сверху показывает, как эту линию шин можно сдвинуть в сторону поворачиванием руля из стороны в сторону. Это очень важно для баланса на низкой скорости.

1. Ось поворота на уровне земли
2. Линия через пятна контакта шин
3. Центральная линия

1. Вылет
2. Боковая сила из-за угла скольжения
3. Наклон
4. Пятно контакта шины с дорогой
5. Отклонённое колесо

1. 1/2 дюйма
2. Ось рулевой колонки на уровне земли
3. Передний вылет
4. 7 - 10 грудусов
5. Задний вылет
6. 1/2 градуса
7. Линия движения

Какую скорость считать малой, а какую — большой? Это нетривиальный вопрос. Но все-таки можно получить приблизительную оценку минимальной скорости устойчивого движения велосипеда. Помогает этому теория движения твердого диска (обруча, колеса) по плоскости без проскальзывания. Согласно ней, для обеспечения устойчивости такого диска, близкого к диаметру велосипедного колеса, достаточно скорости около 1 м/сек, или 3,6 км/час.

Скорость ниже минимальной — это уже искусство балансирования, или сюрпляс на треке. Система, составленная из велосипеда и велосипедиста, конечно, очень далека от простого катящегося диска или обруча, но данное значение показывает порядок величины минимальной скорости, необходимой, чтобы устойчиво держаться на велосипеде. И, как каждому хорошо известно, имеет приближенное согласие с повседневным опытом.

Но ведь велосипед — это вам не какой-нибудь «Харлей». Велосипедист весит гораздо больше, чем велосипед, на котором он сидит. Поэтому чтобы в некоторых ситуациях, например, на узкой колее, тропинке, лыжне можно перемещать центр тяжести как вправо, так и влево, меняя положение тела велосипедиста относительно велосипеда. Нужно, как бы отталкиваясь от него в сторону, противоположную первоначальному отклонению, сохранять равновесие, продолжая неуклонное движение вперед. При этом более высокий центр тяжести велосипедиста сильнее воздействует на общий баланс системы велосипедист - велосипед и дает больший контроль над положением и движением велосипеда. Еще один полезный способ движения корпусом при рулении рассмотрим ниже.

Представим себе обычный случай: велосипедист поворачивает со скоростью v по кругу с радиусом R. Для сохранения равновесия велосипедист должен наклониться на угол α от вертикали или, что тоже самое, на угол φ=90° - α от горизонтали, чтобы компенсировать центробежную силу (смотрите рисунок выше). Условия равенства сил приводят к известной еще со школы элементарной формуле ctg α=(v 2 /gR)=tgφ≤μ (1), где μ — максимально возможный в данный момент коэффициент сцепления шины с дорогой. Для реальной оценки его надо уменьшать на 20 - 25% по сравнению с многочисленными табличными значениями, g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек. Велосипедист поворачивает благодаря силам трения между дорогой и передним колесом. Если дорога скользкая или покрыта льдом, то контролируемый поворот становится затруднительным или невозможным. Вместо поворота может произойти переднего колеса, потеря равновесия и падение.

Пусть теперь велосипедист, спокойно катясь по прямой, ровной и гладкой дороге и любуясь проплывающим мимо пейзажем, случайно отклонился от вертикали на небольшой угол α l . Чтобы не упасть, велосипедист старается повернуть руль в сторону наклона велосипеда на угол β. Спрашивается, на какой угол надо повернуть руль, дабы не упасть? Для ответа достаточно посмотреть на рисунок выше и вспомнить любимую теорему синусов G=2R 2 sinβ (2), где G — расстояние между осями колес (база велосипеда), R 2 — радиус, по которому начинает двигаться велосипед после поворота переднего колеса. Он должен быть меньше, чем радиус, по которому спокойно и уверенно поворачивает велосипедист, отклонившись от вертикали на угол α l , согласно формуле (1). Иначе выправить равновесие не удастся. Теперь подставим формулу (2) в формулу (1). И получим: sin β=(gGtgαl/2v 2) (3). Эта очень простая формула может рассказать много полезного.

Первое. Велосипедисту, катящемуся со скоростью v и отклонившемуся от вертикали на угол α l , нужно повернуть руль на угол больший или равный углу β, который легко подсчитать по формуле (3).

Второе. Чем больше скорость велосипедиста, тем на меньший угол надо повернуть руль и для восстановления равновесия и для прохождения виража. Из этого следует, что велосипедом намного легче управлять на высокой скорости, чем на маленькой. И это хорошо известно всем, кто садился на велосипед.

Третье. Чем больше база велосипеда — G, тем на больший угол надо поворачивать руль, дабы восстановить равновесие или вписаться в поворот. И так же интуитивно ясно, что по узким, лесным извилистым дорожкам легче катить на велосипеде с малой базой.

Четвертое. Навык правильного поворота руля быстро становится автоматическим, подсознательным, и многие велосипедисты не подозревают, что даже при беззаботной езде по прямой им нужно постоянно поворачивать руль. Достаточно посмотреть на след, оставленный колесами велосипеда. Легко увидеть, что относительно прямая колея, оставленная задним колесом, всё время пересекается извилистым следом переднего. А это значит, что переднее колесо во время движения постоянно поворачивает из стороны в сторону, велосипед все время «въезжает» под регулярно падающего велосипедиста и, благодаря этому, сохраняет равновесие.

И, наконец, пятое. Если руль не поворачивается, если рулевая колонка, положим, по каким-то причинам заклинена, ездить практически нельзя (в современном понимании этого слова). Двухколесные самокаты начала XIX века, не имевшие рулевого управления, могли катить только по прямой.

И это приводит нас к любопытной аналогии между сохранением равновесия на велосипеде и удержанием швабры, бильярдного кия или авторучки («Паркер» с золотым пером, например) на раскрытой ладони. Действительно, как удержать кий? Сначала он стоит на ладони вертикально, а затем начинает отклоняться, и ладонь быстро перемещается в сторону наклона. Опора кия смещается, и он начинает наклоняться в другую сторону. Ладонь снова перемещается, и такое балансирование может длиться весьма долго.

То же самое делает и велосипедист. Но возникает естественный вопрос: чем проще балансировать — шваброй или авторучкой? Ответ не вполне очевиден, но, твердо освоив школьный курс на «хорошо», получить правильный результат несложно. Прежде всего, на что похожи стоящая швабра, авторучка и катящийся велосипед? Правильно! На перевернутый физический маятник. Вместо точки подвеса есть точка опоры. И такие перевернутые маятники всем хорошо знакомы — например, механический метроном, которым задают ритм при изучении музыки. Чем выше поднимают грузик на планке, тем больше период колебаний, и тем медленнее качается маятник метронома. А если грузик опустить вниз, к точке опоры, то период колебаний уменьшится, и маятник быстро-быстро зачастит.

С некоторыми оговорками и при малых отклонениях от вертикали его можно рассмотреть как математический маятник и написать крайне простую формулу для периода колебаний. T≈2π√l/g , где l — расстояние от точки опоры до центра масс (ЦМ). Время отклонения от вертикали на малый угол α1 равно: t=T/4≈(π/2)√l/g . Оно не зависит от массы швабры и «откормленности» велосипедиста. Прикинем: швабра имеет l=1м, 1=1,6*0,32=0,5 с. У авторучки же l=0,1 м, t= 1,6*0,1=0,16 с. А высокий велосипед — l=1,2 метра, t= 1,6*0,35=0,56 с. Результат прост и нагляден.

Точно так ведет себя и любой предмет: чем он выше, чем больше расстояние от точки опоры до центра масс (центра тяжести), тем медленнее он отклоняется от вертикали на малый угол, и тем легче им балансировать или удерживать на нем равновесие. И тут вне конкуренции велосипед «Паук», у которого центр масс располагался на высоте около двух метров. Но падать с такой высоты было больно и опасно, и «Пауки» не выжили. Поэтому намозолившее глаза выражение «низкий устойчивый силуэт» справедливо только для трех или четырех колесных экипажей. Если так говорят о двухколесных велосипедах или мотоциклах, то это нонсенс и техническая безграмотность.

Что мешает нам кататься на велосипеде: 10 самых распространенных причин

Что мешает нам кататься на велосипеде: 10 самых распространенных причин

Если вы спросите у случайных прохожих, любят ли они кататься на велосипеде, то в большинстве случаев получите положительный ответ. Однако если Вы немного измените вопрос и спросите, катаются ли эти люди на велосипеде, то более 80% ответят что нет, по тем или иным причинам. Получается парадокс: люди любят кататься, но не делают этого.

Однако прежде чем начать, стоит сделать небольшую оговорку. Так сказать, обработать возможное возражение. Вам может показаться, что весь список можно уместить в два слова: лень и нехватка времени. И все отговорки, которые нам доводилось слышать во время опросов, - просто следствие этих двух факторов. Однако даже у лени и нехватки времени есть свои предпосылки, на которые мы хотим обратить особое внимание в этой статье.

Причина №1: усталость

Работа выжимает все соки. Вечером хватает сил только на то, чтобы прийти домой, поужинать, принять душ и лечь спать. В крайнем случае - сходить в кино или посидеть с друзьями в кафе. Расслабиться. Конечно, велосипед - это здорово, но сил крутить педали и куда-то ехать нет. Да и желания - тоже. Знакомая ситуация?

Но если посмотреть с другой стороны. Никто не заставляет ставить рекорды скорости или покорять бездорожье. Ведь в конце концов, ничто не мешает собраться с друзьями и просто отдохнуть во время велопрогулки. У многих людей есть проблема: сделать первый шаг - собраться и выехать. Однако представьте, что вы встретились с друзьями, и вдруг у каждого из вас появился велосипед. Что мешает вам поехать здесь и сейчас? Правильно, ничего. И даже усталость не мешает. Поэтому причина, скорее, организационная, нежели физическая усталость.

Кроме того, медленная езда на велосипеде расслабляет лучше, чем мягкая кровать, так как мы активно дышим свежим воздухом обогащая организм кислородом.

Причина №2: трудоголизм

Еще одна причина, связанная с работой, и особенно актуальная для жителей мегаполисов. Вспомните, бывало ли у вас такое: кажется, что посидишь еще часок-другой, сдашь проект, и можно покататься. Однако проходит время... Час превращается в три. Где три - там шесть. А дальше усталость, выгорание и уже ничего не хочется.

А ведь между тем перерыв на велопрогулку значительно ускоряет метаболизм и мыслительные процессы, освежает идеи и позволяет иначе взглянуть на многие вещи.

Причина №3: плохая погода

Да, погода, безусловно, сдерживает. Однако это в равной степени относится к любому отдыху на открытом воздухе. Жарить шашлык и петь песни под гитару под проливным дождем - тоже удовольствие ниже среднего. Или все же нет? Как вы думаете, сколько россиян из почти 150 млн. человек никогда не едят шашлык на природе, потому что бывает плохая погода?

Другое дело, что многим людям просто не хочется лишний раз пачкаться или мерзнуть. Как только подумаешь, что это же нужно достать велосипед. А для этого надо разбирать пол балкона. Потом после поездки его помыть и сложить обратно. Желание кататься тает на глазах. Тогда ловишь себя на мысли: вот если бы он стоял готовенький у подъезда…

Как раз для тех, кто не хочет думать о хранении “железного коня”, прекрасно подойдет городской прокат, если велостанция находится недалеко от дома. Этот же вариант идеален, если у вас нет своего велосипеда.

Причина №4: одному скучно, нет компании

Социальный фактор ежедневно останавливает миллионы людей от катания на велосипеде. И дело даже не в том, что нет друзей. Друзья-то как раз-таки есть. Но большинство из них очень заняты. У всех работа, семьи. Трудно взять и вырваться и рутины.

А ведь между тем эта проблема решается очень просто. Вступите в велоклуб или зарегистрируйтесь на велофоруме, и у вас всегда будут желающие составить компанию.

Причина №5: негде кататься

Еще одна актуальная проблема для мегаполисов. Многие жители больших городов хотели бы кататься, но ездить среди машин и дышать выхлопными газами - весьма сомнительное удовольствие.

Для решения этой проблемы существует сервис . Вы удивитесь, но даже если вы живете в перенаселенном мегаполисе, вас окружают десятки и сотни увлекательных веломаршрутов, которые проходят и по историческим центрам, и по лесопарковым зонам.

Причина №6: техническая неисправность

Многие люди, когда их велосипед выходит из строя, по любой причине, будь то прокол колеса или неисправность навесного оборудования, откладывают ремонт в “долгий ящик”. “Как-нибудь потом, сейчас пока времени нет этим заниматься”. И так это “потом” кочует сперва изо дня на день, потом с недели на неделю, потом с месяца на месяц. Человек отвыкает от велосипеда, и вновь вернуться к велопрогулкам становится все сложнее.

А ведь между тем вокруг много специализированных мастерских, которые не только ремонтируют, но и регулярно обслуживают велосипеды. Привезите к ним своего “железного коня”, и они сделают все остальное без вашего участия и с минимальными временными затратами.

Причина №7: отсутствие инфраструктуры

Есть люди, которые говорят, что катались бы больше, если бы у нас была лучше развита велоинфраструктура. “Вот в Европе, - говорят они, - намного больше хороших велодорожек, потому и велосипедистов так много”. И это большое заблуждение. Любой город растет там, где живут люди, а не наоборот. Не было еще такого, чтобы мегаполис в глухом месте выстроили, а потом он заселялся. Вот и инфраструктура для велосипедистов лучше там, где их больше.

Посмотрите на Копенгаген. Этот город заслуженно признан лидером в развитии велоинфраструктуры. Так он выглядит в наши дни:

А вот так он выглядел в 1930-е годы:

Об отдельных велодорожках в те годы датчане еще не думали, но некоторое количество велосипедистов на улицах, как видите, уже можно было заметить. Посмотрите внимательно, на втором снимке прямо в их толпе ползет автомобиль. Выходит, это автомобилисты в Копенгагене боролись за отдельные дорожки, чтобы спастись от велосипедистов. Наивно ожидать от властей инфраструктуру, как в Дании, если мы сами не используем велосипед в качестве транспорта постоянно.

Причина №8: безопасность

Многие стараются не ездить на велосипедах в городе из соображений безопасности. И здесь нужно прояснить один важный момент. Вы наверняка не раз видели сводки ДТП с участием велосипедистов или репортажи о травмах во время велопарадов.

В 90% случаев такие происшествия случаются из-за несоблюдения правил безопасности самими велосипедистами. Например, даже в правилах дорожного движения четко сказано, что нельзя пересекать проезжую часть на велосипеде, нужно спешиться. И причина здесь очень проста: водитель поворачивающего автомобиля может не заметить велосипедиста из-за стойки, т.к. скорости сопоставимы. Но если спешиться, то риск ДТП уменьшается в разы.

Причина №9: мифы и предрассудки

Многие боятся ездить на велосипеде, потому что считают, что велосипедисты более склонны к целому ряду заболеваний. В первую очередь это травмы суставов, которые могут довести чуть ли не до инвалидности.

Действительно, суставы подвергаются повышенным нагрузкам, однако травмирования легко избежать, если вовремя пить жидкость на длинных дистанциях и сохранять правильный каденс, частоту оборотов педалей (порядка 60-80 оборотов в минуту).

Более того, если следовать логике предрассудков, то сидячая работа и малоподвижный образ жизни также создают риск заболеваний, причем по гораздо более широкому спектру.

Причина №10: монотонность и однообразие

Многие перестают ездить на велосипедах просто потому, что им надоедает. Одни и те же маршруты, езда в одиночку, слишком большие временные затраты на планирование новых маршрутов и т.д.

Для решения этой проблемы также стоит использовать сервис . С ним перед вами каждый день открываются новые маршруты и появляются новые люди, с которыми можно отправиться на велопрогулку.

Заключение

Как видите, причин и объяснений того, почему люди не катаются, существует много. Но если вдуматься, ни одна их них не является серьезной и труднопреодолимой проблемой.

Поездка на велосипеде может подарить позитив, заряд бодрости, энергии и новых идей. Вы только возьмите велосипед и отправляйтесь в путь. А мы с MnogoTrop поможем Вам легко найти новое интересное для этого место.

Катайтесь с удовольствием!

На велосипедах начального уровня устанавливают трансмиссию самых дешевых групп, и когда передачи начинают плохо переключаться и заедать, то владельцы лишь разводят руками — что, мол, возьмешь с дешевого хлама.

Большое удивление постигает тех, кто покупает значительно более дорогой байк, и через некоторое время опять сталкивается с проблемами переключения. Дело здесь, разумеется, не в карме, а в неправильном отношении к технике.

Я ни в коем случае не заявляю, что между начальными и топовыми компонентами нет разницы. Разумеется, опытный велосипедист с закрытыми глазами отличит работу Shimano Alivio от XTR по трем щелчкам.

Причины нечеткой работы переключателей передач

Тросики и рубашки . Это самая распространенная проблема, особенно у начинающих велосипедистов. Я просто удивляюсь, в каком ужасном состоянии они находятся у некоторых велолюбителей.

Осмотрите участки тросиков, которые не скрыты рубашкой, пощелкайте манеткой, чтобы обнажилась скрытая часть. Не должно быть никаких задранностей или вылезших нитей. Если такие дефекты присутствуют, то выбрасывайте и тросы, и рубашки сразу, и идите в магазин за новыми.

На конце троса обязательно должен быть алюминиевый колпачок, который предохраняет его от распушения. Пассатижами можно его аккуратно снять и открутить болт, крепящий тросик к заднему переключателю.

Освобождайте рубашку из упоров, аккуратно снимая её с троса. Сам трос можно оставить в его гнезде в манетке. Когда он полностью обнажен, еще раз осмотрите на предмет задравшихся нитей и потертостей. Брызните на тряпку WD40 и тщательно протрите его.

Рубашки, если они в порядке, вполне можно также использовать по второму разу. Залейте в них побольше WD40, и аккуратно пошуруйте там тросом. Задача — выгнать всю грязь, которая скопилась за период катания.

Здесь прошу учесть такую вещь — тросы и рубашки не нуждаются в смазке. Ни в коем случае на смазывайте их густыми смазками, типа солидола. Буквально через несколько выездов по грунту у вас в рубашках будет консистенция, состоящая с основном из грязи.

Если нужно успокоить душу, то брызните тефлоновым спреем, он быстро высохнет, но оставит тонкий скользящий слой. Который, впрочем, сотрется через десяток переключений. 🙂

Еще один момент. Существуют тросики с тефлоновым покрытием, например, Shimano XTR Cable, стоящие весьма немалых денег. Я во времена фетишизма только такими и пользовался, из-за скользящего покрытия усилие на манетке немного меньше.

К сожалению, примерно за год активного катания тефлон в местах трения стирается начисто. Однако у этих тросов есть очень большое преимущество — в комплекте к ним идут упоры-носики, которые эффективно предохраняют от попадания грязи.

Возвращаясь к рубашкам, проследите, чтобы нигде не было слишком длинных, или наоборот, коротких отрезков, из-за этого в местах изгиба будет повышенное трение, и рано или поздно там скопится грязь.

Гнутый петух. Если вы не знаете, что это за деталь, то здесь можете прочитать заметку про . Иногда бывает, что вроде бы идеально настроенный задний переключатель работает нечетко, несмотря на свежие тросики и рубашки.

Причина может быть в том, что при транспортировке велосипед где-то зажало, и петух чуть-чуть погнуло. Если вы не можете добиться четкого переключения скоростей, то снимите петух и положите его на стол.

Если он немного кривой, то нужно выгибать. Не перестарайтесь, алюминий может дать микротрещины. Как именно его гнуть — не буду советовать. Я это делаю кустарным способом — ставлю на велосипед и тяну руками. В идеале — нужно править специальной машинкой, которая учитывает даже асимметричность дропаутов.

Люфт заднего переключателя. Подвигайте задний переключатель на себя-от себя, держась там, куда входит трос. В идеале люфта не должно быть вообще, но небольшой свободный ход не представляет собой ничего криминального, особенно на начальных группах трансмиссии.

В процессе эксплуатации этот люфт имеет свойство увеличиваться, и тогда начинаются задержки в переключении, нечеткость и тд. Если с тросами и петухом всё в порядке, то при точной настройки можно побороть негативный эффект люфта.

__________________________________

Чаще всего, причина того, что на велосипеде плохо переключаются передачи в комплексе проблем. Грязь в рубашках, немного гнутый петух, небольшой люфт переклюка, плохая настройка — все допуски складываются.

Причем, многие катальцы ездят так, и находят нормальным, когда скорости переключаются по принципу три вперед, две назад. Ребята, это ненормально!

Любая трансмиссия, будь это даже самая низкая Shimano Tourney, должна работать четко. Не привыкайте к плохому, иначе даже купив дорогой байк, через сезон-другой получите тоже самое.

Купить троса, переключатели и прочие компоненты по самой выгодной цене можно в лучших онлайн веломагазинах

Обыкновенное колесо катится само по себе достаточно устойчиво: при наклоне в какую-либо сторону оно не падает под действием силы тяжести, а поворачивает в сторону наклона и едет по дуге. Этот эффект называется гироскопическим.

Существует много гипотез, объясняющих устойчивость движения системы гонщик- велосипед. Остановимся на некоторых из них.

Гипотеза 1. Гипотеза предполагает обеспечение устойчивости движения только за счет принудительного перемещения центра масс системы путем изменения положения тела гонщика относительно точек опоры колес. Типичными примерами, подтверждающими эту гипотезу, служат езда на велосипеде, с заклиненной рулевой колонкой или цирковой трюк езды на велосипеде по жесткому прямолинейному профилю под куполом цирка с применением поперечно-расположенного шеста, гантелей и других массивных вспомогательных средств.

Наиболее достоверно подтверждают данную гипотезу приемы обеспечения устойчивости при движении велосипеда в узкой колее разбитой дороги или при попадании колес велосипеда во время гонки в желоб трамвайного рельса. При этом система выходит из равновесия и отклоняется от вертикальной плоскости. Для возвращения системы в равновесие и обеспечения устойчивости движения гонщик выполняет маневр, состоящий в том, что он преднамеренно отталкивается от велосипеда в сторону, противоположную первоначальному отклонению, перенося центр масс в плоскость, в которой расположена точка опоры.

Гипотеза 2. Эта гипотеза предлагает обратное действие, т. е. изменение положения точек опоры системы гонщик-велосипед на поверхности дороги. Аналогов подобного действия в практике повседневной жизни встречается немало. Например, для обеспечения устойчивости карандаша, вертикально стоящего на кончике пальца, достаточно сместить точку его опоры. Обеспечение устойчивости такого вертикально стоящего стержня является полной аналогией сюрпляса, когда за счет разворота переднего колеса гонщику удается находить для него такое положение на полотне трека, что центр масс системы остается в вертикальной плоскости, проходящей через точки контакта переднего и заднего колес с поверхностью трека.

Гипотеза 3. Эта гипотеза связана с особенностью конструктивного решения узла передней вилки велосипеда и диаметром переднего колеса. Практические испытания различных конструкций показали, что из всего их многообразия можно выделить такие решения, которые определяют устойчивость направленного движения системы гонщик-велосипед. Принципиально важным для конструкции рамы велосипеда является угол наклона оси рулевой колонки и изгиб передней вилки.

Устойчивость системы достигается почти во всех случаях, за исключением тех, когда совпадают точка пересечения оси рулевой колонки с поверхностью дороги (точка А) и точка пересечения плоскости дороги и вертикали, проходящей через ось переднего колеса (точка В), или точка В находится спереди точки А по направлению езды велосипеда.

Езда без рук на таком велосипеде невозможна, а нормальная управляемая рулем езда крайне затруднительна. Минимальное внешнее воздействие выводит систему из равновесия, и быстро нарастающий дестабилизирующий момент приводит к падению.

Гипотеза 4. Устойчивость системы обеспечивается гироскопическим эффектом. Первое правило при обучении езде на велосипеде гласит: поддерживай скорость движения и поворачивай руль в сторону падения. Этот эффект наблюдается при езде на велосипеде, когда руки убраны с руля, особенно это становится очевидным при спуске по извилистой дороге, когда для входа в очередной вираж достаточно наклонить корпус в сторону центра кривизны виража – и велосипед будет двигаться по криволинейной траектории, соответствующей скорости движения и наклону велосипеда.

Обобщая, можно сказать, что если под понятием «устойчивость движения» иметь в виду способность системы гонщик-велосипед сохранять заданную форму движения, то рассматриваемая система неустойчива в статике, а ее абсолютно прямолинейное движение невозможно. Траектории движения точек опоры (точек контакта колес с поверхностью дороги) колеблются относительно некоторой прямой линии, выбранной в качестве основного направления движения системы. Хорошо подтверждают это положение безуспешные попытки езды с заклиненной рулевой колонкой, хотя, казалось бы, именно при заклиненной колонке велосипед должен двигаться прямолинейно.

Если задавать вопрос "почему велосипед не падает?" всем подряд, то большинство, скорее всего, не смогут ответить на него. Просто пожмут плечами. Меньшая часть, считающая себя технически грамотными людьми, ответит, что это, вероятно, из-за эффекта гироскопа. И, наверно, будут удивлены, узнав, что гироскоп не имеет к этому никакого отношения, это показал эксперимент в котором нивелировали этот эффект, а велосипед продолжал ехать. И лишь незначительное меньшинство ответит правильно. Итак, почему не падают велосипедисты?

Велосипед не падает из-за центробежной силы

Для сохранения равновесия любого тела необходимо, чтобы перпендикуляр, опущенный из центра его тяжести, не выходил за площадь опоры. Чем меньше последняя, тем менее устойчиво положение.

Площадь опоры велосипеда предельно мала – по сути, она представляет собой прямую линию, проведенную между точками касания колесами земли. Поэтому велосипед (с велосипедистом или без него) не может стоять, находясь в неподвижном положении. Но при движении устойчивость чудесным образом возвращается к нему. Почему это происходит?

Все дело в центробежной силе, которая возникает при подруливании. Если движущийся велосипед начинает наклоняться в какую-нибудь сторону, велосипедист слегка поворачивает руль в сторону наклона, заставляя машину поворачиваться. При этом возникает центробежная сила, направленная в сторону, противоположную наклону. Она-то и возвращает велосипед в вертикальное положение. Двухколесный велосипед не способен ехать строго по прямой. Если его руль зафиксировать в неподвижном положении, он обязательно упадет, потому что исключается возможность подруливания.

Этот процесс – отклонение от вертикали и возвращение к ней – происходит непрерывно. Велосипедист даже не задумывается о том, что происходит. Его руки автоматически совершают подруливание, которое необходимо для сохранения вертикального положение. К слову сказать, именно в приобретении автоматизма подруливания и состоит обучение езды на велосипеде.

Конструкция велосипеда и поддержание равновесия

Конструкция рулевой колонки и передней вилки велосипеда облегчает автоматическое поддержание равновесия. Ось рулевой колонки (передней вилки) проходит не вертикально, а наклонно к земле. Точка ее пересечения с грунтом располагается впереди того места, где переднее колесо соприкасается с дорогой. Такая схема способствует тому, что если переднее колесо случайно отклоняется от среднего положения, сразу возникает момент реактивных сил, который возвращает его на место.

При наклоне велосипеда реакция опоры переднего колеса, которая приложена в точке его касания с землей и направлена вверх, автоматически поворачивает колесо в сторону наклона. Возникает центробежная сила и велосипед возвращается в вертикальное положение.

Для лучшего понимания этого процесса, нужно просто принять во внимание, что схема сил, действующих на переднее колесо велосипеда, является примерно такой же, как и у тележек с вращающимися колесами. В какую сторону тележку не толкать, колеса автоматически поворачиваются в нужном направлении. Кстати, именно эта особенность конструкции велосипеда обеспечивает возможность езды, не держась руками за руль. Велосипед самостоятельно поддерживает равновесие. А чтобы выполнить поворот, достаточно сместить центр тяжести своего тела в сторону.

Степень способности конкретного велосипеда поддерживать динамическое равновесие определяется конструкцией его рулевой колонки и вилки. Главный параметр здесь – расстояние от точки соприкосновения переднего колеса с землей, до точки пересечения оси рулевой колонки (передней вилки) с грунтом. Как уже говорилось, последняя находится впереди первой. Реактивный момент, действующий на колесо при его повороте, будет тем выше, чем больше это расстояние. Для оптимальных динамических характеристик велосипеда требуется не самый большой, а строго определенный реактивный момент. Слишком малый уменьшит автоматическое поддержание равновесия, чрезмерно большой – приведет к возникновению «шимми». Поэтому наклон оси рулевой колонки и параметры передней вилки при проектировании велосипеда выбираются очень тщательно.

Что такое «шимми»

При высокой скорости (выше 30 км/час) переднее колесо велосипеда может начать самопроизвольно вилять вправо-влево. Это явление, которое, кстати, имеет место и в авиации, называется «speed wobbles» или «шимми». Причина его заключается не в неисправности велосипеда (плохой сборке или ослаблении креплений), а в том, что возникает резонанс переднего колеса. «Шимми» очень опасно в том случае, когда велосипедист едет «без рук», то есть не держится за руль. Чтобы погасить возникший резонанс, нужно снизить скорость или изменить позу.

Велосипед – энергоэффективней

По затратам энергии на единицу преодоленного расстояния велосипед эффективней не только ходьбы, но и езды на автомобиле. При движении велосипеда со скоростью 30 км/час тратится 15 ккал на 1 км. Ходьба со скоростью 5 км/час приводит к сжиганию 60 ккал на 1 км. То есть по энергозатратам на единицу расстояния движение на велосипеде в 4 раза эффективнее ходьбы.

… и функциональней

Если рассматривать езду на велосипеде с точки зрения спортивной нагрузки, то она тоже оказывается предпочтительней ходьбы. Катание на велосипеде отнимает 450 ккал в час, в то время как при ходьбе тратится только 300 ккал. Конечно, физическую нагрузку можно увеличить, перейдя с шага на бег. Но в этом случае возрастает нагрузка на колени и голеностопные суставы, что нежелательно, поскольку со временем может привести к травме этих проблемных мест.

Когда женщины быстрее

Тренированный мужчина, даже не будучи профессиональным спортсменом, может длительное время развивать мощность 250 Вт или 0,33 л. с. При езде на велосипеде по ровной дороге это примерно соответствует скорости 30 км/час. Женщины не могут развивать такой мощности, как мужчины, но в расчете на единицу веса их энергетические показатели превосходят мужские. При езде по ровной дороге, когда вся мощность тратится в основном на преодоление сопротивления воздуха, женщины едут медленнее, чем мужчины. Зато при езде в гору, когда энергия тратится на преодоление силы тяжести, они способны ехать быстрее сильной половины.