Gli effetti giroscopici non hanno quasi nulla a che fare con la tua capacità di andare in bicicletta

Gli effetti giroscopici non hanno quasi nulla a che fare con la tua capacità di andare in bicicletta

Oggi ho scoperto che gli effetti giroscopici non hanno quasi nulla a che fare con la tua capacità di andare in bicicletta.

Il problema con le forze generate dall'effetto giroscopico su una bicicletta tipica è che semplicemente non sono molto potenti se si considera la fisica coinvolta nell'avere la maggior parte del centro di massa della bici in alto (con voi su di essa). Stai praticamente formando un pendolo invertito, che è molto più difficile da bilanciare rispetto al contrario.

Per illustrare quanta forza è necessaria qui, avere una persona salire su una bicicletta che è completamente immobile. Ora prova a tenere la bicicletta e la persona centrate semplicemente aggrappandoti all'asse di uno dei pneumatici. Per confrontare questa forza con la quantità generata dagli effetti giroscopici, prendi una gomma staccata con pioli sui lati e aggrappati a loro. Ora qualcuno ha fatto girare la gomma molto velocemente; una volta che gira, prova a piegare la gomma in un modo o nell'altro.

In questo caso successivo, sentirai gli effetti giroscopici, ma dovresti essere in grado di farlo in qualche modo facilmente poiché la forza che sentirai qui è probabilmente solo di alcuni chilogrammi o 5-10 libbre (anche se potrebbe sembrare di più con le braccia distese e dritte di fronte a te). Nel caso precedente, con la persona seduta sulla bici, a meno che non fossero estremamente leggeri o che tu sia Ercole, immagino che non potresti nemmeno avvicinarti a tenerli in equilibrio, soprattutto se le braccia sono completamente tese.

Se questo non ti ha convinto, diamo un'occhiata alla matematica (un esempio fatto dal Dr. Hugh Hunt dell'Università di Cambridge):

Quando si guida abbastanza velocemente a 12 mph (circa 6 m / s), una tipica ruota per bicicletta (diametro 600 mm, circonferenza 2 m) ruota 3 volte al secondo, che è una velocità di rotazione di w = 20 radianti al secondo.

La sua massa periferica, intorno m = 1 kg, si concentra sul bordo, cioè a un raggio di r = 300 mm. Il momento di inerzia J è pertanto J = Sig2 = 0,1 kg m2 (abbastanza vicino).

Supponiamo che sto cadendo e cerco di usare l'effetto giroscopico per aiutarmi a sollevare di nuovo. Considera qualche ondeggiamento piuttosto frenetico del manubrio avanti e indietro sinusoidalmente ad una velocità di, diciamo, fmaniglia= 1,6 oscillazioni al secondo (equivalente a una frequenza angolare di oscillazione w maniglia= 2 p fmaniglia = 10 radianti al secondo) e con un'ampiezza di, per esempio, +/- 6 gradi (es Mmaniglia= 6/180 * p = 0,1 radianti).

Il movimento oscillatorio è quindi TmanigliaMmaniglia peccato(wmaniglia t), e differenziandolo offre una velocità di oscillazione del picco Q = wmaniglia. M maniglia = 10 * 0,1 = 1 rad / s. Questo è il tasso di precessione forzato della ruota anteriore che agisce come un giroscopio. Al suo apice, la coppia richiesta per ottenere questo movimento di precessione, a causa degli effetti giroscopici, lo è M = J w Q = 0,1 * 20 * 1 = 2 N m La bici e io pesiamo, diciamo, 100 kg = 1000 N, quindi l'effetto giroscopico mi aiuterà solo se non si inclinano più di 2 mm dall'essere perfettamente in posizione verticale (1000 N * 0,002 m = 2 N m).

Quindi l'effetto giroscopico su una bicicletta, anche a 12 mph, non è praticamente nulla in termini di ciò che sarebbe necessario per mantenerti in posizione verticale. Allora, come fai a non cadere ogni due secondi sulla tua bicicletta?

In parte questo è dovuto semplicemente alla tua capacità di equilibrio. Tuttavia, probabilmente hai notato che è difficile rimanere in equilibrio su una bicicletta quando sei fermo. Quando inizi ad andare molto lentamente, noterai che esegui in modo naturale correzioni dello sterzo di grandi dimensioni per mantenerti in equilibrio. Questo, infatti, è la cosa principale che ti tiene in piedi in una bicicletta a qualsiasi velocità, vale a dire lo sterzo correttivo. Quando senti uno squilibrio in una direzione, ti farà sterzare in quella direzione per compensare, la forza centripeta risultante finirà per bilanciarti, supponendo che la tua regolazione fosse la giusta quantità di giri data la tua velocità e altri fattori simili . Se hai finito, allora dovrai fare un'altra correzione per compensare lo squilibrio creato dal tuo eccesso di correzione. Più veloce sei, più piccola è la correzione necessaria per mantenerti in equilibrio.

All'inizio, questi movimenti correttivi tendono ad essere relativamente grandi e spesso accompagnati da sovracompensazione, perché il tuo corpo sta ancora imparando ad andare in bicicletta. Questo è il motivo per cui tendi ad essere un po 'instabile e rovinare molto quando stai imparando per la prima volta. Col passare del tempo, queste correzioni diventeranno sempre più piccole e più precise fino a quando non ti accorgi di non farle affatto mentre vai in bicicletta sopra velocità super lente (ovviamente le noterai ancora quando ti muovi appena in bici e il simile, come indicato sopra).

Fatti del bonus:

  • Molte persone pensano che se si prendessero due pneumatici e li si girasse in direzioni opposte, si avrebbe lo stesso effetto giroscopico come se girassero nella stessa direzione. In effetti, ciò che accadrà è che, se le ruote fossero girate in direzioni opposte, le due si sarebbero annullate a vicenda, in termini di effetto giroscopico. Questo fatto è stato utilizzato per dimostrare alla gente che è possibile guidare una bici senza problemi senza l'effetto giroscopico montando ruote extra sollevate leggermente da terra che contrastano la rotazione dei pneumatici.
  • Più avanti è il centro di massa per la bici + la persona in sella alla bici, minore è il movimento della ruota anteriore che sarà necessario per mantenere l'equilibrio. Questo è probabilmente più evidente su alcuni motocicli personalizzati in cui la ruota anteriore sporge bene dalla moto.
  • Un altro fattore meno noto nell'abilità di guida di una bicicletta è qualcosa chiamato "pista". In poche parole, questa è una misura di quanto la distanza dal punto della ruota anteriore tocca il terreno percorre il punto di contatto dell'asse dello sterzo, che è il punto in cui l'intero meccanismo dello sterzo (forcella, manubrio, ruota anteriore, ecc.) Ruota. Una pista più lunga renderà la bici molto più stabile di una più corta. Tuttavia, se la pista è troppo lunga, la bici si sentirà difficile da guidare. Le bici con poca traccia, o anche pista negativa, si sentiranno intrinsecamente instabili; tuttavia, a causa dello sterzo correttivo, puoi ancora guidarli. A causa del problema dello sterzo con l'aumento del percorso, le mountain bike e le biciclette da turismo in genere hanno un percorso molto inferiore rispetto alle biciclette da strada. Nel caso delle mountain bike, questo consente una maggiore "agilità" sulla bici per aiutare a compensare terreni accidentati. Nel caso di biciclette da turismo, questo aiuta a compensare il fatto che probabilmente starai facendo un bel po 'di bagagli con te e, quindi, un peso extra basso a terra. Questo è il motivo per cui le biciclette da turismo si sentono spesso instabili se non si dispone di quel bagaglio aggiunto e basso a terra.
  • Mentre le forze giroscopiche e di traiettoria non sono quasi sufficienti per mantenere l'equilibrio su una bici, sono in genere sufficienti per mantenere una bici senza pilota andando dritta fino a quando non rallenta fino a un certo punto, che varia da bici a bici in base alle dimensioni e al percorso della ruota.
  • Qualcosa chiamato "gyrobike" è attualmente in fase di sviluppo per aiutare le persone ad imparare ad andare in bici. Questa bicicletta ha un volano interno che fornisce un aumento significativo dell'effetto giroscopico. Gli inventori di questa bici sperano quindi che si possa sviluppare uno in cui l'effetto giroscopico sia sufficiente a mantenere la bici in massima parte bilanciata anche con un pilota, pur non essendo troppo ingombrante in termini di peso e simili.
  • Un altro punto in cui si vedrà questo fenomeno di autocorrezione "alquanto inconscio" è quando si cerca di stare in piedi in un punto su un piede. Quando lo fai, devi bilanciare attentamente te stesso per evitare di cadere. Non appena inizi a saltare, la maggior parte delle persone ha poche difficoltà a mantenersi in equilibrio. Questo perché, quando sali, non solo generi in qualche modo dei movimenti correttivi, ma avrai anche il tuo piede in giro dove deve essere per stare in equilibrio.

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