Но что еще помогает держать равновесие на велосипеде? Оказывается, гироскопический эффект (смотрите схему ниже). Раскрученное велосипедное колесо обладает всеми свойствами гироскопа. Чем больше его масса (точнее, момент инерции) и скорость вращения, тем сильнее действие гироскопического эффекта. Если колесо повернуть налево вокруг вертикальной оси, оно наклонится в правую сторону. А если его наклонить влево, то оно послушно повернется налево. Оба этих эффекта (их называют гироскопической прецессией) оказываются до крайности полезными для автоматического удержания равновесия и для руления.
Гироскопическая прецессия.
Если вращащееся колесо поворачивать налево, оно наклоняется строго вправо, но если его наклонять влево, оно поворачивается налево.
Пусть велосипедист, опять же безмятежно катясь по прямой, ровной и гладкой дороге без рук и любуясь пейзажем, случайно отклонился от вертикали влево. Немедленно гироскопические силы помогают повернуть переднее колесо налево. И велосипед начинает равномерный вираж в левую сторону. Одновременно возникает центробежная сила, направленная вправо. Она стремится восстановить сходное прямолинейное движение и вертикальное положение, не даёт велосипеду наклониться. Велосипедист тогда вправе выбрать: продолжать поворот, или катить дальше по прямой.
Противоруление.
- Исходная траектория
- Момент противоруления
- Момент противоруления
- Поворот
Теперь еще немного о рулении. Есть два известных способа совершить поворот, когда велосипед катится прямо:
1 — наклониться;
2 — повернуть руль.
В отличие от случайного наклона велосипеда, который был только что рассмотрен, выясним, что реально произойдет, если умышленно повернуть руль влево. Сразу возникает гироскопическая прецессия переднего колеса, действующая направо и, как дополнение к ней, центробежная сила, приложенная к ЦТ. На большой скорости эти две силы легко могут привести к падению. Однако, если на мгновение быстро повернуть руль в противоположном направлении (направо) и вернуть его обратно в исходное положение, то прецессия и центробежная сила наклонят велосипед в искомую сторону — налево. Затем в действие вступает сила тяжести, усугубив наклон и запустив гироскопическую прецессию, поворачивающую переднее колесо и велосипед в установившейся поворот. Реально движение рулем очень маленькое, так как гироскопическая прецессия зависит не от амплитуды движения, а от скорости. Прием этот называют по-разному, «контрруление» или «противоруление». Более всего он известен среди мотоциклистов. Большинство велосипедистов о нем совершенно не задумывается, но постоянно его использует, а что им еще остается?
Теперь нам остается посмотреть, как эффективнее всего направить велосипед из прямолинейного качения в поворот движением корпуса. Чем-то это напоминает идею «контрруления», только наоборот, без движения руля. Иногда встречается термин «контрнаклон». Для того, чтобы наклонить велосипед в одну сторону, надо переместить корпус в другую, как бы оттолкнувшись от него. Но перемещение должно быть не только вбок, но и слегка вверх, как будто раскачивают качели. На практике это означает, что для наклона велосипеда влево необходимо сначала сдвинуть корпус вправо, слегка приподнявшись на педалях, и круговым движением вернуться в исходное состояние (на седло). В обоих случаях, «контрруления» и «контрнаклона», физическое действие выглядит противоестественным, противоположным здравому смыслу. Но при обучении езде на велосипеде эти навыки становятся автоматическими, «зашитыми» на подсознательном уровне, например, как умение плавать.
Гироскопический эффект.
Д. Джонс показал, насколько сильно влияет на устойчивость гироскопический эффект, и можно ли сделать абсолютно неустойчивый велосипед.
Он попробовал убрать гироскопический момент. Для этого был сделан экспериментальный велосипед HB-1, в котором было специальное переднее колесо, не контактирующее с поверхностью. Его диаметр и масса точно совпадали с основным передним колесом велосипеда HB-1. С помощью этого дополнительного колеса достигался нулевой суммарный момент за счёт того, что оно вращалось в противоположную сторону основному колесу.
И несмотря на это было достаточно легко ездить НВ-1. Независимо от того в какую сторону вращалось дополнительно колесо или вообще не вращалось велосипед был лёгок в управлении. Этот эксперимент показал, что на обычных скоростях роль гироскопических сил очень маленькая. Когда же НВ-1 запустили без велосипедиста, он повел себя очень интересно. Если дополнительное колесо вращалось в противоположную сторону, то велосипед сразу падал. Когда оба колеса вращались в одну и ту же сторону, то даже на маленьких скоростях велосипед очень хорошо держал равновесие.
Результаты эксперимента получились достаточно очевидными: велосипед сам по себе стабилизируется гироскопическими силами, а велосипед с велосипедистом — нет. Слишком малы гироскопические силы по сравнению весом и силами инерции велосипедиста.
Вероятнее всего, у дорожных, городских и горных велосипедов гироскопические эффекты начинают хоть как-то сказываться на скоростях далеко за 30 км/ч. А для шоссейных с их сверхлегкими колесами — при гораздо более высоких скоростях. Так что гонщику надо очень постараться, максимально разогнавшись на длинном спуске, войдя в крутой поворот, чтобы этот эффект внёс ощутимый вклад в удержание равновесия. Скорее всего, его быстрее снесет центробежной силой с дороги.