Почему едешь на велосипеде падаешь. Почему человек не падает с велосипеда? Конструкция велосипеда и поддержание равновесия

Для того, чтобы двухколесный велосипед не упал, нужно постоянно поддерживать равновесие. Поскольку площадь опоры велосипеда очень мала (в случае двухколесного велосипеда это всего лишь прямая, проведённая через две точки, в которых колеса касаются земли), такой велосипед может находиться только в динамическом равновесии. Это достигается с помощью подруливания: если велосипед наклоняется, велосипедист отклоняет руль в ту же сторону. В результате велосипед начинает поворачивать и центробежная сила возвращает велосипед в вертикальное положение. Этот процесс происходит непрерывно, поэтому двухколесный велосипед не может ехать строго прямо; если руль закрепить, велосипед обязательно упадёт. Чем выше скорость, тем больше центробежная сила и тем меньше нужно отклонять руль, чтобы поддерживать равновесие.

При повороте нужно наклонить велосипед в сторону поворота так, чтобы сумма силы тяжести и центробежной силы проходила через линию опоры. В противном случае центробежная сила опрокинет велосипед в противоположную сторону. Как и при движении по прямой, идеально сохранять такой наклон невозможно, и подруливание осуществляется точно так же, только положение динамического равновесия смещается с учётом возникшей центробежной силы. Конструкция рулевого управления велосипеда облегчает поддержание равновесия. Ось вращения руля расположена не вертикально, а наклонена назад. Кроме того, она проходит ниже оси вращения переднего колеса и впереди той точки, где колесо касается земли.

Благодаря такой конструкции достигаются две цели:

При случайном отклонении переднего колеса от нейтрального положения возникает момент силы трения относительно рулевой оси, который возвращает колесо обратно в нейтральное положение.

Если наклонить велосипед, возникает момент силы, поворачивающий переднее колесо в сторону наклона. Этот момент вызван силой реакции опоры. Она приложена к точке, в которой колесо касается земли и направлена вверх. Из-за того, что рулевая ось не проходит через эту точку, при наклоне велосипеда сила реакции опоры смещается относительно рулевой оси.

Таким образом, осуществляется автоматическое подруливание, помогающее поддерживать равновесие. Если велосипед случайно наклоняется, то переднее колесо поворачивается в ту же сторону, велосипед начинает поворачивать, центробежная сила возвращает его в вертикальное положение, а сила трения возвращает переднее колесо обратно в нейтральное положение. Благодаря этому, можно ехать на велосипеде «без рук». Велосипед сам поддерживает равновесие. Сместив центр тяжести в сторону, можно поддерживать постоянный наклон велосипеда и выполнить поворот.

Можно заметить, что способность велосипеда самостоятельно сохранять динамическое равновесие зависит от конструкции рулевой вилки. Определяющим является плечо реакции опоры колеса, то есть длина перпендикуляра, опущенного из точки касания колеса земли на ось вращения вилки; или, что эквивалентно, но проще измерить - расстояние от точки касания колеса до точки пересечения оси вращения вилки с землёй. Таким образом, для одного и того же колеса возникающий момент будет тем выше, чем больше наклон оси вращения вилки. Однако для достижения оптимальных динамических характеристик нужен не максимальный момент, а строго определенный: если слишком малый момент приведёт к трудности удержания равновесия, то слишком большой - к колебательной неустойчивости, в частности - «шимми» (см. ниже). Поэтому положение оси колеса относительно оси вилки тщательно выбирается при проектировании; многие велосипедные вилки имеют изгиб или просто смещение оси колеса вперёд для снижения избыточного компенсирующего момента.

Распространённое мнение о существенном влиянии гироскопического момента вращающихся колёс на поддержание равновесия является неправильным. На высоких скоростях (начиная примерно с 30 км/час) переднее колесо может испытывать т. н. скоростные виляния (speed wobbles), или «шимми» - явление, хорошо известное в авиации. При этом явлении колесо самопроизвольно виляет вправо и влево. Скоростные виляния наиболее опасны при езде «без рук» (то есть когда велосипедист едет, не держась за руль). Причина скоростных виляний - не в плохой сборке или слабом креплении переднего колеса, они вызваны резонансом. Скоростные виляния легко погасить, снизив скорость или изменив позу, но если этого не сделать, они могут быть смертельно опасными.

Езда на велосипеде эффективнее (по затратам энергии на километр) как ходьбы, так и езде на автомобиле. При езде на велосипеде со скоростью 30 км/ч сжигается 15 ккал/км (килокалорий на километр), или 450 ккал/ч (килокалорий в час). При ходьбе со скоростью 5 км/ч сжигается 60 ккал/км или 300 ккал/ч, то есть езда на велосипеде в четыре раза эффективнее ходьбы по затратам энергии на единицу расстояния. Поскольку при езде на велосипеде расходуется больше калорий в час, она также является лучшей спортивной нагрузкой. (При беге затраты калорий в час ещё выше, но вибрация травмирует колени и голеностопный сустав). Тренированный мужчина, не являющийся профессиональным спортсменом, может в течение длительного времени развивать мощность 250 ватт, или 1/3 л.с. Это соответствует скорости 30-50 км/час по ровной дороге. Женщина может развивать меньшую мощность, но большую мощность на единицу веса. Поскольку на ровной дороге почти вся мощность расходуется на преодоление сопротивления воздуха, а при езде в гору основные затраты - на преодоление силы тяжести, женщины, при прочих равных условиях, едут медленнее по ровному месту и быстрее в гору.

Попробуй-ка сесть на неподвижный велосипед, а потом поднять обе ноги над землей! Ты и трех секунд не продержишь ноги на весу! Но стоит только попробовать поехать, как твой велосипед немедленно превратится в очень устойчивое средство передвижения.

Выходит, во время движения появляются силы, удерживающие велосипед в равновесии. Что же это за силы?

Версия первая

От падения велосипед удерживает гироскопический эффект, возникающий при вращении колес. Этот же эффект, кстати, не дает упасть вращающемуся волчку.

Что же касается волчка - давай превратим в него велосипедное колесо. Для этого, расположи, снятое с велосипеда колесо, горизонтально, поставив ось на твердую поверхность. Чтобы, подобно волчку, заставить колесо стоять на своей оси, колесо придется очень сильно раскрутить. А ведь на велосипеде можно ездить, не падая, даже когда его колеса вращаются гораздо медленнее!

Версия вторая

Велосипед не падает, потому, что велосипедист рулит им. Как только велосипед начинает падать, велосипедист тут же, невольно повернет руль в сторону, куда падает. Велосипед начинает поворачивать, и возникающая центробежная сила выравнивает его, не давая упасть.

Что ж, версия неплохая! Ведь обучение езде на двухколесном велосипеде и заключается в том, чтобы научиться поворачивать рулем на нужный угол. Но почему же тогда не падают те, кто умеют ездить «без руля», то есть, не держась за руль?

Версия третья

Если колесо наклонить, оно покатится не по прямой, а по окружности, центр которой находится в той же стороне, куда наклонено колесо. Падая, велосипед наклоняется, а значит, вместе с ним наклоняются и колеса. Наклоненный велосипед поворачивает, и центробежная сила стремится компенсировать падение - точно так же, как это объяснялось в предыдущей версии.

С наклоненным колесом все верно. Но согласно этой версии, выравнивание велосипеда происходит само собой, значит, чем меньше ты будешь вмешиваться в процесс, тем лучше. Давай сведем твое участие к минимуму, лишив возможности рулить, для этого наглухо приварим переднюю вилку велосипеда к раме. Далеко ли ты уедешь?

Версия четвертая

Все дело в конструкции велосипеда. Наклоним велосипед, держа его за седло. Мы увидим, что передняя вилка автоматически повернется в сторону наклона. Значит, как только велосипед начинает падать, его переднее колесо начнет само поворачиваться в сторону падения. Ну, а дальше, вступает в работу все та же центробежная сила.

Этот вариант вполне подошел бы для объяснения того, каким образом удается управлять велосипедом при езде «без рук»! Может, тогда не нужны ни руль, ни умение ездить? Но почему же тогда велосипед падает, если на нем никто не сидит, когда, например, ты толкаешь пустой велосипед с горки?

Выходит, ни одна из предложенных версий не подходит полностью? Но велосипедист, тем не менее, не падает! Как ты думаешь - почему?

В качестве возможных ответов мы изложили четыре версии, правда, для каждой версии можно найти соображение, ставящее под сомнение ее правильность.

Почему не падает велосипед? Скорее всего, ответ на этот, на первый взгляд, несложный вопрос способен дать далеко не каждый. Возможно, этой темой приходилось интересоваться тем, кого однажды спрашивал ребенок. К числу основных факторов, благодаря которым существует этот феномен, можно отнести следующие два:

• эффект кастора;
• гироскопический эффект.

Эффект кастора

Основан на постоянном подруливании, или, точнее, на возможности использования центробежной силы, возникающей при отклонении движущегося тела от прямой траектории. Происходит так, что выравнивающая сила возникает при повороте руля велосипеда. Причем ее направление противоположно стороне поворота руля. Поэтому, двигаясь прямо, при малейшем отклонении в сторону велосипедисту нужно лишь немного повернуть руль в том же направлении, и центробежная сила выравнивает равновесие.

Таким образом, если внимательно посмотреть на едущего велосипедиста, можно заметить, что при движении в прямом направлении его траектория не идеально ровная. Причем степень извилистости зависит от скорости движения: чем она ниже, тем сильнее петляет велосипед. Или другой пример: можно присмотреться к следам велосипеда на земле. След от переднего колеса будет представлять собой вытянутую синусоиду с осью в виде следа от заднего колеса.

Любопытно, что подруливание происходит само, то есть велосипедисту не нужно делать этого специально, а достаточно просто научиться использовать этот эффект. Именно такой навык и лежит в основе умения ездить на велосипеде.

Гироскопический эффект

Основан на свойстве вращающегося круглого или шарообразного тела сохранять свое положение в пространстве, пока на него не окажут воздействие другие силы. Один из примеров этого явления – известный каждому с детства волчок. Он не падает до тех пор, пока крутится. В велике роль таких волчков выполняют колеса.

Убедиться в этом можно, проведя простой опыт. Если снять велосипедное колесо, взяться руками за места креплений и раскрутить (желательно, чтобы кто-то помог это сделать), то можно заметить, что вращающееся колесо тяжело поворачивать в пространстве. Или, например, детский вертолет. При раскрученном пропеллере, для того чтобы подбросить игрушку вверх, требуются усилия, как будто в руках находится более тяжелый предмет. Еще ощутимее заметен эффект гироскопа при больших оборотах вращения. Это наверняка замечали те, кому приходилось работать с некоторыми электрическими инструментам (болгарка, паркетка и пр.)

Способность вращающегося тела сохранять направление применяется в разных областях, например:

• в авиации (вращающиеся лопасти стабилизатора в хвостовом оперении вертолета обеспечивают его курсовую устойчивость);
• в ракетных системах и морской навигации (вращающийся чувствительный элемент гироскопа используется в приборах курсоуказания).

Таким образом, факты убедительно свидетельствуют о том, что эффекты кастора и гироскопа, действительно, играют определенную роль в поддержании устойчивости велосипеда во время движения. Но между тем, ни один из фактов не доказывает, что эти эффекты являются определяющими. Стало быть, существует еще какая-то сила, проявление которой находится перед глазами, а понимание – все еще за пределами досягаемости человеческого разума.

Многие начинающие велолюбители и даже те, кто катается не первый год, устанавливают сиденье на такую высоту, при которой с седла можно достать до земли двумя ногами. Низкую посадку объясняют просто: «а вдруг я не успею спрыгнуть», «сяду выше - точно упаду».

При неправильной посадке идёт большая нагрузка на колени, так как при вращении педалей более сильные мышцы бёдер почти никак не задействованы. Как результат - вы быстрее устаёте, начинают болеть колени, вам тяжело держать темп и скорость.

Правильная посадка предполагает, что ваша нога распрямляется почти полностью при максимально низком положении педали.

Разумеется, в таком случае вы ногами до земли доставать не будете. Как быть, если колени жалко, а поднимать седло выше страшно? Поднимайте сиденье постепенно! Откатали полчаса - подняли на полсантиметра, еще полчаса - ещё полсантиметра вверх. Так вы постепенно придёте к правильной высоте.

Придётся научиться слезать с велосипеда по-новому. Определите, какая у вас нога толчковая. Сноубордисты и так знают, какая для них нога важнее, для остальных советуем попрыгать то на одной ноге, то на другой. Ведущая нога сильнее, на ней вы сможете прыгать дольше.

Теперь, чтобы слезть с велосипеда, вам нужно будет немного завалить его в сторону толчковой ноги. И всё - вы легко с него слезли.

2. Не переключаете передачи

Один из самых часто задаваемых вопросов про велосипед: «А сколько у твоего скоростей?» Количество скоростей зависит от количества звёзд. Например, спереди у вас 3 звезды, а сзади на колесе может быть 7, 8, 9 или даже 10.

Считается, что чем скоростей больше, тем велосипед круче. Но даже самый дорогой велик с большим количеством скоростей не сделает вас самым быстрым, если вы не умеете переключать передачи.

Найдите для себя наиболее удобные сочетания цифр и используйте эти скорости, когда едете по прямой и более-менее ровной дороге.

Встретился на пути холм или любой другой подъём - скидывайте скорость настолько, чтобы ехать в горку было легко.

Вы видели, как какой-нибудь лихач вкручивал в горку стоя? Так вот, этот человек просто не знает о существовании передач в своём велосипеде. (И здесь мы говорим не про Tour de France или какие-то другие соревнования.) Этот способ неправильный, последовав такому примеру, вы сильно перегрузите колени. Совершенно нормально и не стыдно подниматься на сочетаниях 2–3, 1–2, а в особо тяжёлых случаях - и 1–1.

Забравшись наверх, вы можете насладиться спуском, а если настроите передачи на более тяжёлый режим, то поможете инерции завезти вас на следующий холм. Для старта удобнее использовать передачу уровня 2–3 или 2–4, передачи 3–6 и выше реально применять только при езде под горку или сильном попутном ветре.

Не рекомендуется устанавливать передачи на крайние положения, такие как 1–7 (если у вас 21 скорость), 1–8 (при 24 скоростях) или 3–1: в таких случаях происходит перекрещивание цепи, которое ведёт к более быстрому износу всей трансмиссии.

Вне зависимости от того, едете ли вы по ровной дороге, пыхтите при подъёме в гору или мчитесь вниз - во всех случаях вам должно быть легко вращать педали.

Всегда переключайте передачи в движении и немного до того момента, как станет трудно вращать педали. Переключайте скорости последовательно. Не надо прыгать через цифру: установили на 4 - и сделали полный оборот педалями, установили на 5 - и сделали оборот.

Если после переключения слышен посторонний звук, значит, переключения не произошло, хотя вы и видите на рукоятке следующую цифру. В таком случае просто вернитесь к предыдущему показанию передачи, ослабьте давление на педали и переключитесь ещё раз.

3. Не нашли свой ритм

Если вы когда-нибудь ездили в группе, то замечали простую вещь - часть рвалась вперёд, часть отставала, а середина безнадёжно растягивалась. Почему это происходит?

У каждого человека свой индивидуальный ритм педалирования.

Вам сначала нужно понять, на каких передачах удобно ехать по прямой дороге, а затем - поддерживать удобную для вас частоту вращения. Современные велокомпьютеры или позволяют отследить каденс (частоту педалирования) в цифрах, но вам будет достаточно полагаться и на личные ощущения. Если ехать удобно, значит, это ваш ритм.

Правильный каденс - полтора полных оборота педалей в секунду и быстрее, что для новичков недостижимо, но к этому надо стремиться.

4. Игнорируете правила дорожного движения

Велосипедист - участник дорожного движения, пусть и менее защищённый, чем те же автолюбители. Придерживайтесь следующих правил.

1. При движении по дороге шлем и яркая одежда обязательны. В тёмное время суток - фонари.
2. Двигайтесь как можно правее по ходу движения машин. Ехать навстречу потоку категорически запрещено. Берегитесь машин, припаркованных у обочины. Водитель, остановившийся покурить, может внезапно открыть дверь и сбить велосипедиста.
3. С апреля 2015-го вы имеете полное право двигаться по выделенным полосам для общественного транспорта, если не создаёте помех для посадки-высадки пассажиров.
4. Движение по автомагистралям велосипедистам запрещено, выбирайте обходные пути.
5. Запрещено поворачивать налево или разворачиваться на дорогах с трамвайным движением или шириной более одной полосы. В таких случаях спешивайтесь, превращайтесь в пешехода и проходите перекрёсток по «зебре».
6. Будьте предельно предсказуемы. Обязательно сигнальте водителям, которые едут за вами, о возможных манёврах: поворотах (вытянутая рука указывает в сторону поворота) или остановке (поднятая рука).
7. На перекрёстке, если планируете ехать дальше по прямой, стойте в крайнем правом ряду, но чуть впереди стоящих машин. Тем самым вы подстрахуете себя от возможного поворота машины вправо, в ваш бок, и продемонстрируете своё намерение продолжать движение по прямой, никуда не сворачивая.
8. Пропускайте пешеходов на переходах! Если велосипедист переезжает дорогу по «зебре» верхом, то он автоматически считается водителем и при ДТП, скорее всего, окажется виноватым.

5. Забываете пить и есть

Если ваша поездка ограничивается дорогой до ближайшего супермаркета, куда вы отправились за хлебушком, то тут можно обойтись и без дополнительного питания.

Если же поездка предполагает, что вы проведёте в дороге несколько часов, то запаситесь водой или изотоником и простым перекусом. Орехи и сухофрукты прекрасно утоляют голод, для этих целей также отлично подходят бананы, бублики и пряники.

От недостатка воды в первую очередь начинают страдать суставы, ещё до того, как вы почувствуете жажду.

В , помимо организованных завтраков, обедов и ужинов, участникам стоит вручить по пакету с перекусом, который каждый будет расходовать исходя из своих потребностей.

Эффект гироскопа тут ни при чем

Мы и не подозреваем, насколько напряженно и неустанно наш мозг работает над тем, чтобы мы не упали.

Об очень легком задании британцы говорят, что это "просто, как кататься на велосипеде". Но как нам удается удерживать этот самый велосипед от падения?

Большинство скажет, что дело в эффекте гироскопа. Но в действительности дело обстоит совсем иначе.

Иными словами, гироскопический эффект объясняется тем, что вращающееся колесо стремится продолжить вращение вокруг своей оси (так остаются на своей оси вращения волчок и даже планета Земля).

Этот эффект заметен мотоциклистам, ведь колеса у мотоциклов большие, массивные и вращаются быстро. Но простой велосипедист с ним не сталкивается - колеса велосипеда намного легче, а на прогулочной скорости они крутятся недостаточно быстро.

Если бы в педальном велосипеде использовался эффект гироскопа, то любому новичку было бы достаточно оттолкнуться ногой - все остальное сделали бы за него законы природы.

Но на самом деле вам придется учиться кататься на велосипеде так же, как вы в свое время учились ходить.

За умение ездить на велосипеде отвечает исключительно ваш мозг.

Представьте себе, что вам нужно проехать по абсолютно прямой линии, нарисованной на совершенно ровной поверхности. Конечно, это же очень просто! А вот и нет.

По узкой прямой линии проехать почти невозможно - точно так же, как даже в трезвом состоянии вам вряд ли удастся пройти по ней, не оступившись. Попробуйте сами.

Проведите еще один маленький эксперимент: попробуйте устоять на одной ноге на цыпочках, используя руки, чтобы удержать равновесие.

Трудно, правда? А теперь попробуйте то же самое, но перепрыгивая с ноги на ногу. Сохранять равновесие станет намного легче.

Конструкция велосипеда позволяет управлять им без рук, наклоняясь влево или вправо

Именно так вы бегаете. Ваш мозг научился вносить маленькие коррективы при каждом прыжке: например, если вы отклонились вправо, то на следующем шаге сдвинетесь чуть влево.

Точно так же происходит езда на велосипеде: с каждым оборотом педалей вы немного меняете направление.

Начиная падать вправо, вы неосознанно поворачиваете руль в ту же сторону, чтобы изменить положение колеса, а затем так же неосознанно возвращаетесь на прежнюю траекторию движения.

Такое "виляние" совершенно нормально. Оно более заметно у новичков (особенно у детей), которые ездят по довольно крутой "синусоиде", и практически незаметно у опытных велосипедистов.

Тем не менее эти небольшие колебания являются частью процесса и объясняют, почему так сложно пройти (или проехать) по совершенно прямой линии - в этом случае вы лишены возможности совершать те самые необходимые движения из стороны в сторону.

Кроме того, в конструкции велосипеда есть несколько полезных решений, облегчающих езду.

Самое важное из них - наклон рулевой колонки (или так называемого рулевого стакана), благодаря которому переднее колесо касается земли в точке, находящейся сзади от точки проекции рулевой оси на землю. Расстояние между этими точками называется выкатом.

Велосипед сконструирован очень умно, его даже носить удобно

Выкат в значительной степени помогает сохранять равновесие, когда вы едете без рук: если вы, например, наклонитесь вправо, сила, действующая на так называемое пятно контакта с землей, повернет переднее колесо направо.

Это свойство облегчает управление и позволяет рулить без рук, слегка наклоняясь влево или вправо.

Но существуют и велосипеды с вертикальными рулевыми колонками, на которых также можно отлично ездить. На самом деле, сделать велосипед, на котором будет невозможно ездить, весьма сложно, хотя многие и предпринимали такие попытки.

Дело в том, что велосипед не падает только благодаря вам и вашему сознанию, и доказать это просто.

Попробуйте, например, перекрестить руки. Вы не сможете даже тронуться с места, а если сделаете это на ходу, то рискуете сразу же упасть. Если бы велосипед удерживался вертикально с помощью эффекта гироскопа, этого бы не произошло.

Клоуны и уличные артисты ездят на велосипедах с обратным рулем. На то, чтобы научиться этому, уходят месяцы тренировок: ведь нужно полностью разучиться ездить на обычном велосипеде. Просто поразительно, как работает наш мозг!

А что же с эффектом гироскопа, о котором я упоминал выше? Помогает ли он хоть немного? Нет, если только вы не разгонитесь до очень большой скорости.

Существует известный эксперимент, якобы доказывающий влияние этого эффекта на колесо велосипеда, однако расчеты показывают, что его сила далека от того значения, которое могло бы удержать вас в вертикальном положении во время езды.

Чтобы доказать, что эффект гироскопа не имеет значения, я построил велосипед со вторым передним колесом, вращающимся в противоположном направлении. Эта идея не нова: такое же устройство сделал в 1970 году Дэвид Джонс. Нам обоим пришла в голову одна и та же идея.

Если объяснить вкратце, то вращающееся в обратную сторону колесо уничтожает эффект гироскопа для переднего колеса и доказывает, что на самом деле единственное, что удерживает вас от падения, - это деятельность вашего мозга.

Это еще и забавный эксперимент, проделать который может каждый.

Итак, какой же способ обучения езде на велосипеде является наилучшим? Знаете, мне не нравится, когда дети учатся кататься с тренировочными маленькими колесиками по бокам: каждый раз, касаясь ими земли, они утрачивают навык сохранения равновесия.

Ваш мозг должен научиться корректировать курс, так что снимите тренировочные колесики - и чем больше вы будете вилять, тем лучше.

За умение ездить на велосипеде на самом деле отвечает только ваша голова.