"Це так само просто, як їзда на велосипеді", - говорить популярний вираз, який використовується для вираження простоти, необхідної для виконання деяких завдань; А що стосується їзди на велосипеді, це вираз, який не далеко від істини, адже їзда на велосипеді настільки проста, що майже кожен насправді знає, як це зробити - або принаймні для тих, хто це запропонував, - але ¿це насправді так просто, як ми думаємо? ->

Що стосується факту кручення педалей, так, це так, але, хоча для більшості велосипедистів загальноприйнятим є те, що ми більше зосереджені на нерівностях дороги; уникати наїзду автомобіліста; відсутність безпечної інфраструктури або уникнення автобуса, це відволікає нас, і ми не помічаємо явищ, які є, безперечно, цікавими і присутні у кожному натисканні на педаль, які ми приймаємо, а саме: ті явища, які вивчає фізика і які є фундаментальною частиною розуміння механізмів нашого велосипеда.

І розуміння цих явищ починається з однієї з перших проблем, яку ви долаєте, коли ви стартуєте на велосипеді, а саме дотримання рівноваги. Це знання йде набагато далі, ніж подолання нашого страху перед падінням, тому що з нього починаються наслідки, пов’язані з наукою, що стоїть за велосипедом.

наука

Фізика велосипедів

Оскільки наука про підтримку рівноваги під час їзди на велосипеді зовсім не проста, і я кажу не просто про рішучість нашого тіла уникати ударів об бруківку, а про об’єднання фізичних явищ, які діють на одній з найпоширеніших машин що існують: велосипед.

Наш таємничий велосипед

І саме завдяки фізиці наш велосипед стає цікавим і навіть таємничим, оскільки саме фізика відповідає за опис сил, що дозволяють працювати нашому велосипеду, залишатися вертикально та змінними, що роблять це можливим. краще, ніж інший, або чому велосипед здатний їхати по прямій, навіть без їзди, щоб керувати ним. ->

Що змушує наш велосипед стояти?

Кажуть, що Альберт Ейнштейн заявив, що "життя схоже на їзду на велосипеді: щоб утримати рівновагу, ти повинен продовжувати рухатися". І він мав рацію. Ключовим фактором, щоб ваш велосипед не впав, є рух, тому що, якщо він у стані спокою, він падає, але якщо додати рух, він залишається вертикальним, і якщо ми підтримуємо цей рух з постійною швидкістю (кінетична енергія), це гарантує нам плавну їзду, навіть без утримання рулі.

Гіроскопічна дія

Але нехай гіроскопічна дія пояснить, як велосипед стоїть вертикально, для цього дайте нам знати, що існує два поняття фізики, які взаємодіють: величина та напрямок. Під величиною ми маємо на увазі силу, що генерується обертовим рухом коліс. Коли вони рухаються, щоб виграти битву проти сили тяжіння, ми рухаємося вперед, не падаючи. Чим вища швидкість, тим більший кутовий момент. Отже, простіше підтримувати рівновагу при прискоренні, ніж при уповільненні.

Щоб зрозуміти це трохи краще, давайте проведемо експеримент. Зніміть одне колесо - попереду легше і, мабуть, чистіше - і, утримуючи вісь, поверніть його. Тепер спробуйте повернути колесо, рухаючи вісь. Ви побачите, що воно чинить опір. Тепер, коли колесо все ще крутиться, засуньте один палець під один бік цієї осі, а другий бік відпустіть. Чарівним чином воно залишається там, ніби хтось невидимий тримає іншу сторону.

Що змушує мене йти прямо?

На велосипеді рульова вісь опускається вниз на вилку або вилку. Якщо ви уявляєте лінію, яка продовжується до кінця вилки, вона насправді торкається землі перед тим, де шина торкається землі. Тобто, вісь рульового управління знаходиться перед точкою контакту. Відстань між цими двома точками називається "стежкою". ->

Чим довше «слід» на велосипеді буде стабільнішим, але чим він коротший, тим менш стабільним він буде і тим складніше буде їздити. Ось чому їзда на одноколісному велосипеді складніша, ніж їзда на велосипеді. Ну, а в одноколісному велосипеді - крім того, що він має лише опорну точку - його рульова вісь знаходиться трохи нижче вершника, а не перед колесом, як це відбувається з велосипедом.

Таємниця велосипеда, який рухається сам

Однак в основі загадки про машинобудування та фізику, в яку входить наш велосипед, є щось, що ми всі спостерігали. Якщо ви натискаєте на велосипед, він врівноважується, автоматично керуючи рухом, щоб виправити будь-які коливання, доки він не уповільнить і врешті-решт не впаде набік. Хоча "шлях" між колесами визначає простоту поводження з велосипедом, а гіроскопічний ефект сприяє стабільності, жодне з них не відповідає за самобалансуючий ефект велосипеда, це є загадкою навіть для науки, але теорії все ще залишаються пропонуються відповіді.

Щоб ви зрозуміли, про що я говорю, ви можете переглянути це відео за: Minute Physics.

Витривалість

І в пошуках цієї відповіді ми висуваємо іншу концепцію: опір руху на наших колесах.

Опір колеса може надзвичайно змінюватися залежно від поверхні, на якій воно рухається. Звивисту дорогу проїхати набагато складніше, ніж рівну. Але значна частина цього опору протектору також залежить від типу шини, яку ми використовуємо.

Більшість дорожніх та міських велосипедів мають більш тонкі шини, тоді як гірські - великі, товсті. Кожен тип шин розроблений для поверхонь, по яких вона циркулює.

Дорожні шини накачуються до 100 або навіть 120 фунтів на квадратний дюйм. Тонка, міцна покришка на асфальтовій поверхні не сильно розплющиться. Чим менше шина сплющена внизу, тим менша площа поверхні контактує з дорогою. Менший контакт у цьому випадку означає менше тертя та більшу швидкість, яку ми виробляємо, оскільки менше опору поверхні кочення - ось чому так важливо підтримувати шини належним чином накачаними.-.

Широкі, товсті шини для гірських велосипедів більше сплющуються на твердій асфальтовій поверхні. Однак на грунтовій дорозі гірська велосипедна шина «пливе» по нерівній поверхні. І навпаки, більш тонка дорожня шина глибоко врізається в бруд, змушуючи мотоцикліста сильніше крутити педалі, щоб вийти з канавки, яку вона створює.

Втрачаючи енергію

Легко зрозуміти, як шина “сплющується” внизу, коли вона повертається. Але як не дивно, колеса поїздів - зі сталі - на сталевій рейці відчувають той самий ефект.

Тимчасове сплощення колеса, а також опускання на контактній поверхні - це те, що відоме як "опір коченню". Цей термін використовується для опису того, скільки енергії втрачається при крученні педалей при русі колеса вперед. Шини низького тиску, які рухаються по м’якій землі, як правило, мають вищий опір коченню. Це одна з головних причин, чому дорожні перегони є швидшим видом спорту, ніж гірські велосипеди.

Але як вони забезпечують, щоб колесо не деформувалось понад норму? І тут спиці вашого велосипеда відіграють принципову роль.

Існує багато різних способів говорити про забивання велосипедного колеса. Більшість велосипедів мають тангенціальні спиці, це означає, що спиці з'єднуються не від землі до обода прямолінійно, а під кутом. Існує багато різних дотичних променів. І хоча зрідка на велосипедах будуть повністю радіальні спиці. Тангенціальне забивання допомагає передавати крутний момент (силу) маси на колеса більш ефективно, ніби це важіль.

Коло з радіальною спицею мало того, що було б менш ефективним, ніж тангенціально жолоблене, воно було б значно слабшим. Велосипедне колесо повинно вміти справлятися з різними силами. На додаток до підтримки ваги вершника, колесо повинно витримувати сили кручення педалей та гальмування та неприємні наслідки дорожнього покриття.

Напруга без стиснення

Легко уявити спиці як колони, які тримають колесо і допомагають зберегти його форму. Але “опора”, яку отримує колесо, створюється шляхом витягування спиць до центру колеса (натяг), замість натискання з центру (стиснення).

Якщо у вас була можливість утримати балку, яка не монтується, ви, напевно, зрозуміли, наскільки вона неміцна. Можна скласти одну навпіл, не надто багато зусиль. Однак, якщо ви спробували від'єднати той, який був встановлений, ви не змогли. «Потяг» спиць до центру маси - це те, що додає міцності колесу вашого велосипеда.

Що таке гірський велосипед?

Тож наскільки міцні велосипедні колеса? Залежно від матеріалу та протектора, колеса можуть регулярно утримувати приблизно в 400 разів більше власної ваги, і вони не зруйнуються, поки вони не становлять приблизно 700 разів більше власної ваги, що робить його однією з найміцніших конструкцій, коли-небудь виготовлених.

Швидкості та передачі - Співвідношення

Розвиток приводного ланцюга допоміг зробити велосипед, який ми знаємо сьогодні, можливим. Ланцюговий привід усунув необхідність мати вершника прямо на колесі. Натомість вершник зможе розташуватися між двома колесами для кращої рівноваги. З появою передач вершник також міг ефективніше крутити педалі.

Одноланцюговий привід (без передач або перемикання передач: шестерні) ефективний на рівних поверхнях та під гору. Однак, коли йдеться про зустрічний вітер, підйом на пагорби, вершник повинен стояти на педалях і напружуватися, крутячись педалями на дуже низькій швидкості. Шестерні, або шестерні, дозволяють мотоциклісту крутити педалі зі зручною та ефективною швидкістю під час руху вгору або на зустрічному вітрі.

У ранньому велосипеді High Wheel педалі прикріплювались безпосередньо до колеса. Один поворот педалей дорівнював одному повороту колеса. Шестерні або шестерні дозволяють вершнику змінювати це співвідношення. Для крутих пагорбів ми вибираємо передачу, яка дозволяє багато разів крутити педалі, щоб повернути колесо лише один раз; рівно або вниз, ми можемо вибрати передачу, яка багато разів обертає колесо для кожного повороту педалей.

Це означає, наприклад, що кожного разу, коли ви робите поворот, ланцюг обертається навколо 54 зубів зірки та її 27 зубів задньої зірочки, що змушує колесо вашого велосипеда повертатися двічі. Забезпечення співвідношення 2: 1. Якби задня шестерня мала 11 зубів, це співвідношення було б ближче до 5: 1 і так далі.

Стрес у коробці

Ще однією з фізичних концепцій, яка взаємодіє з нашим велосипедом, є стрес. Рами для велосипедів повинні бути побудовані, щоб витримувати різноманітні навантаження. По-перше, рама повинна підтримувати себе та інші компоненти велосипеда. Вони вважаються "статичними зарядами". Окрім того, рама повинна бути здатною враховувати вагу вершника, силу педалей та гальмування, а також наслідки дорожнього покриття. Це «динамічні навантаження»; вони є найбільш проблематичними для рамника, оскільки, як випливає з назви, вони рухаються і змінюються за інтенсивністю

Коли виробник велосипедів вибирає матеріал для виготовлення велосипедної рами, вони, як правило, враховують такі властивості матеріалу:

  • Еластичність: Коли об’єкт реагує на згинання або розтягування, повертаючись до початкової форми, кажуть, що він має високий рівень еластичності. Матеріал, який згинається, а потім тримає гнуту форму, має дуже низьку еластичність.
  • Межа текучості: це сила сили, необхідна для згинання матеріалу до точки, коли він не може повернутися до своєї початкової форми.
  • Кінцева сила - це кількість сили, необхідної для розбиття матеріалу. Це точка, при якій рама велосипеда ламається, як правило, з небезпечними наслідками для мотоцикліста.

Матеріали та дизайн

На велосипеді, виготовленому зі сталі, труби будуть вужчими, оскільки сталь має хорошу «кінцеву силу», з набагато меншою «границею текучості». Це добре, оскільки це означає, що сталевий каркас добре зігнеться перед руйнуванням.

На відміну від цього, використання алюмінію стало обраним матеріалом для каркасів завдяки його меншій вазі. Однак алюміній має стійкість до "виходу" дуже близьку до своєї "максимальної міцності". Іншими словами, він досить крихкий і схильний до поломок. Тому виробники каркасів реагували на це, будуючи алюмінієві велосипеди з більш широкими трубками та більш товстими зварними швами, щоб зменшити "напруження" та можливість поломки рами.

Інші матеріали, такі як вуглецеве волокно та титан, мають такі якості, як: невелика вага, висока еластичність, висока "гранична міцність", відносно низька "експлуатаційна" міцність. Це означає, що рами, виготовлені з цих матеріалів, повинні бути добре спроектовані, щоб бути досить жорсткими, щоб протистояти зусиллям педалей.

Хоча алмазний дизайн є основою більшості велосипедів, побудованих сьогодні, деякі будівельники каркасів експериментують з новими варіаціями цього класичного дизайну. Наприклад, деякі рами з вуглецевого волокна виготовляються з овальними трубками, що робить велосипед більш аеродинамічним. Нові велосипеди з повною підвіскою модифікували алмазну конструкцію, щоб забезпечити великий удар на кріпленні сидіння (трубки). Однак більшість змін у дизайні є більш тонкими і пов’язані з максимізацією продуктивності для різних типів рельєфу або використання.

Велосипеди сповнені щастя, здоров’я та ефективності, а також шестерні, важелі, підшипники, сили, контрсили, імпульс, інерція, повороти, тертя, тяга, гіроскоп та багато інших витончених речей.