При достатъчна скорост напред, велосипед, бутнат настрани, няма да падне. Учените се опитват да намерят убедително обяснение за тази забележителна характеристика повече от век. Тази седмица изследователи от TU Delft хвърлиха нова светлина върху въпроса в публикация в Science.
Да останем стабилни
Изследването в TU Delft, в сътрудничество с учени от университета Корнел (САЩ), се съсредоточи върху следния интригуващ въпрос: защо велосипедът е самостабилен, над определена скорост? Добавяте скорост към велосипед и след това можете да го тласнете настрани, без да падне.
Въртящи се колела
Учените отдавна се занимават с този сложен въпрос, дори от далечния 19 век. Доскоро консенсусът в научната общност беше, че стабилността е много тясно свързана с два фактора. Първо, въртящите се колела на велосипеда трябваше да осигурят стабилност чрез жироскопични ефекти. Второ, смяташе се, че „следата“играе важна роля. Следата е разстоянието, на което контактната точка на предното колело се движи зад оста на управление.
Предсказване
Публикацията на TU Delft in Science обръща внимание на това старо схващане веднъж завинаги. „От години знаем, че общоприетото обяснение за стабилността на велосипеда е твърде просто“, казва изследователят д-р Аренд Шваб от факултета 3mE в TU Delft.
"Жироскопичните ефекти и пътеката помагат, но не са от съществено значение за стабилността." Д-р Шваб и редица колеги издадоха публикация преди няколко години относно теорията зад стабилността на велосипеда (през 2007 г. в Proceedings of the Royal Society, doi:10.1098/rspa.2007.1857).
По онова време беше разработен математически модел с около 25 физически параметъра, който изглежда можеше да предскаже много точно дали и при какви скорости конкретен дизайн на велосипед ще бъде стабилен.
Експеримент
"В нашата публикация в Science вече показахме не само теоретично, но и чрез експеримент, че нашите прозрения са верни." Заедно с докторанта Джоди Коойман, Шваб проектира и конструира велосипед, с който може да се покаже в експеримент, че както жироскопичните ефекти, така и пътеката не са необходими, за да може един велосипед да остане стабилен сам над определена скорост.
Това е така нареченият велосипед "Two Mass Skate". Той има малки и противоположно въртящи се колела, което означава, че няма жироскопичен ефект, за който да говорим, и малка отрицателна следа (с други думи, където точката на контакт на предното колело е малко пред оста на управление). И все пак велосипедът остава стабилен.
Отказване
„Не беше лесно“, обяснява докторантът Джоди Коойман, който е извършил по-голямата част от експерименталната работа. „Първият прототип не проработи и почти бяхме загубили надежда след няколко опита за повторение, когато изведнъж се оказахме в състояние да покажем стабилността. Но разбира се всичко трябва да си дойде на мястото. Трябва да се справите със земята повърхност, например, която трябва да има точната грапавост и твърдост. В Sporthal II на TU Delft намерихме всички правилни условия."
Кормилно управление
Така че теорията вече е доказана чрез експеримент. Но дали експерименталната работа е довела до появата на нови теоретични прозрения? Д-р Шваб отговаря: "Ние показахме, че разпределението на масата също е важно за стабилността, особено местоположението на центъра на масата на кормилния механизъм на велосипеда." За да бъде велосипедът стабилен, кормилният механизъм трябва да е нестабилен; ако моторът падне, кормилното управление трябва да падне още по-бързо.
Производители на велосипеди
Полезни ли са теоретичните прозрения на Шваб и неговите другари за производителите на велосипеди? „Разбира се. Днешните велосипеди са резултат от доста дълъг еволюционен процес и следователно са доста консервативни. По същество няма нищо в основния дизайн на велосипеда, което да се е променило от края на деветнадесети век. Производителите могат да използват нашия модел, за да правят насочени модификации на стабилността на своите велосипеди. Това може да е от особен интерес за необичайни дизайни, като лежащи велосипеди, сгъваеми велосипеди и товарни велосипеди."
Още
Заглавие: Велосипедът може да бъде самостабилен без жироскопични или колелца
Автори: J. D. G. Kooijman; A. L. Schwab (TU Delft), J. P. Meijaard (University of Twente), J. M. Papadopoulos (University of Wisconsin–Stout), A. Ruina (University of Cornell)
Публикация на Website Science с обширни основни материали, снимки и видео
Проучване на велосипедната динамика на уебсайта
