O que faz uma bicicleta ficar em pé ao se mover?

O que faz uma bicicleta ficar em pé quando está em movimento? Qual é a relação entre velocidade e estabilidade? É uma relação linear?

Eu poderia perguntar isso no site de física, mas espero uma resposta relativamente simples. Tomei uma aula introdutória de física na Universidade, de modo que a física básica é apreciada, mas nada demais.

Penso que não é a massa da roda que mantém a bicicleta na vertical. Li recentemente um estudo afirmando que se você tiver uma roda com massa idêntica girando para trás ao lado da bicicleta, a bicicleta não perderá a estabilidade. (Não sei onde li o estudo).

Por que as bicicletas ficam na vertical quando estão sobre um rolo?

Essa questão foi recentemente objeto de um longo artigo na revista New Scientist. Para resumir:

"Por que essa bicicleta direciona as quantidades adequadas nos momentos adequados para garantir a auto-estabilidade?" o jornal pergunta. "Não encontramos uma explicação física simples."

http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html

Este artigo também cita o estudo que você não conseguiu colocar - forças giroscópicas, por tanto tempo consideradas como o todo e o fim de toda a estabilidade da bicicleta - foram cientificamente comprovadas como não sendo a consequência popularmente imaginada.

No entanto, quanto a ficar de pé sobre um rolo, que não é coberto pelo artigo, ele discute o que acontece quando você envia uma bicicleta pela rua sem ninguém - aparentemente os ajustes de peso e direção feitos pelo ciclista não têm nada a ver. faça com isso.

Não acho que o artigo da New Scientist seja a última palavra sobre o assunto. No entanto, é recente (há algumas semanas) e é uma boa introdução ao mistério. Apreciar!

A geometria da bicicleta fornece algum grau de auto-estabilidade. O ângulo e a inclinação do garfo produzem uma situação em que o pneu dianteiro tende a se tornar magro e, portanto, corrige a tendência de cair para um lado.

O efeito giroscópico das rodas, por si só, provavelmente não é tão forte, mas o efeito giroscópico na direção trabalha com o ângulo / inclinação do garfo para girar o pneu na direção da "queda" e proporcionar ainda mais autoestabilização.

Em teoria, os roletes não são diferentes da rua - o pneu dianteiro gira na direção da inclinação, até a borda dos roletes causar um acidente ou a bicicleta estabilizar.

As bicicletas são inerentemente estáveis ​​devido à sua geometria. A geometria faz com que a bicicleta sempre gire na direção em que começa a se inclinar, o que a mantém na vertical. A razão é melhor ilustrada através de um conceito conhecido como contra-direção.

A direção contrária é como todos os veículos de duas rodas giram. Quando quiser virar para a esquerda, gire o guidão um pouco para a direita. O atrito das rodas puxa a parte inferior da bicicleta para a direita, o que inicia uma inclinação para a esquerda. O guidão começa a balançar para a esquerda para acompanhar a curva.

Quando é hora de parar a curva, você vira o guidão um pouco mais para a esquerda. Isso puxa a parte inferior da bicicleta ainda mais para a esquerda, o que coloca a parte inferior da bicicleta diretamente abaixo do centro de gravidade e, assim, interrompe a curva.

Em muitas motos e em baixas velocidades, o efeito de direção contrária pode ser despercebido por muitos motociclistas. No entanto, em altas velocidades, ou com veículos mais pesados, como motociclos, é mais significativo.

Então, como isso funciona onde não há ciclista? É por causa do ancinho no garfo e do trilho que ele causa. Se você traçar uma linha imaginária através do eixo do garfo até o chão, ela atingirá o chão à frente de onde a roda entra em contato com o solo.

Como o volante entra em contato com o solo atrás do eixo de direção, ele sempre sentirá uma força da estrada tentando trazê-lo para o centro, apontando para a frente. Quando a bicicleta é inclinada para um lado, as forças começam a empurrar a roda para o lado em que a bicicleta é inclinada.

Então, todas essas forças se somam. O ancinho no garfo faz a bicicleta querer seguir em frente. E quando sente um impacto em uma direção ou outra, a contra-direção tende a trazer a bicicleta na outra direção. Em seguida, o ancinho da forquilha começará a empurrar a roda dianteira para mais longe, o que endireitará a bicicleta por causa da direção contrária.

É como equilibrar uma vassoura na sua mão, você dirige para mover as rodas embaixo de você. Os fabricantes de bicicletas ajudam a projetar a geometria da direção para que a bicicleta fique na vertical sozinha, se você não mexer com ela.

As forças giroscópicas ajudam, mas não são essenciais.

Houve alguma pesquisa mais recente sobre isso: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

Pensava-se anteriormente que as rodas giratórias da bicicleta proporcionam estabilidade através de efeitos giroscópicos; e que a 'trilha' (a distância pela qual o ponto de contato da roda dianteira segue atrás do eixo da direção desempenha um papel importante).

Contudo:

Um novo estudo na Science afirma ter resolvido a questão - efeitos giroscópicos e ajuda na trilha, diz o pesquisador Arend Schwab, da faculdade 3mE da TU Delft, mas não é necessário acima de uma certa velocidade. Em um artigo de 2007 da Royal Society (doi: 10.1098 / rspa.2007.1857), um modelo matemático com cerca de 25 parâmetros físicos foi desenvolvido na época, que parecia prever se, e a que velocidade, um projeto específico de bicicleta seria estável.

Os autores projetaram e construíram uma bicicleta Two Skate Skate, com rodas pequenas e contra-rotativas, o que significa que não há efeito giroscópico e uma pequena trilha negativa (em outras palavras, onde o ponto de contato da roda dianteira é marginalmente em frente ao eixo de direção). No entanto, a bicicleta permaneceu estável ao se mover.

Este vídeo de 7 minutos fornece uma explicação da estabilidade da bicicleta, discutindo os efeitos giroscópicos, do rodízio e da direção. Em particular, mostra exemplos de bicicletas (sem ciclista) que podem se equilibrar mesmo quando uma ou mais fontes de estabilidade são canceladas. Assim, existem vários recursos de design que permitem estabilidade - incluindo o piloto.

Atualmente , existem três fatores principais que afetam a estabilidade da bicicleta:

1. Quantidade de trilha da roda dianteira (ou seja, design da roda do rodízio)
2. Distribuição de massa na frente do eixo da direção da roda dianteira
3. Precessão giroscópica

Em uma bicicleta moderna, os três trabalham juntos para permitir que uma bicicleta caia automaticamente em uma queda, exibindo assim um comportamento autoestabilizador. Esse comportamento de direção automática permitiria que a bicicleta fosse estável nos rolos ou se movesse sobre o solo.

Como a estabilidade é alcançada através do equilíbrio de vários fatores, muito de um fator pode tornar um projeto instável (por exemplo, corrigindo demais). Além disso, nem todos os fatores têm o mesmo impacto. Alguns fatores isolados podem ser suficientes para tornar a bicicleta estável por si própria na ausência de outros fatores (por exemplo, distribuição de massa na frente do eixo de direção ).

A existência de múltiplos fatores também significa que diferentes projetos estáveis ​​podem usar quantidades diferentes de cada fator. Por exemplo, na década de 1940, as bicicletas randonneur usavam muito menos trilhas , mas adicionavam massa na frente do eixo de direção (ou seja, malas dianteiras carregando equipamento) para criar uma bicicleta estável.

O MinutePhysics possui um bom vídeo curto, detalhando o impacto desses efeitos. Acredito que nos projetos mais estáveis, a procissão giroscópica (3) terá o efeito mais fraco.

Ajudada pelas características de auto-estabilidade, como observado acima, a razão básica pela qual uma bicicleta permanece na vertical enquanto você está andando é que você está se equilibrando ativamente, mantendo os pontos de contato da bicicleta sob seu centro de massa. Ao andar, você está fazendo movimentos de giro sutis para manter a bicicleta embaixo de você - quando a bicicleta cai para a esquerda, você vira para a esquerda, que move a roda dianteira e a coloca de volta embaixo de você. Nos rolos, você pode ver isso como a bicicleta movendo-se para frente e para trás no rolo - e quando não pode fazer isso, você cai.

Você é capaz de fazer isso tão inconscientemente depois de aprender a andar que é um grande desafio andar de bicicleta com a direção invertida.

A resposta básica sem aprofundar a física é o momento angular . Basicamente, um objeto giratório (suas rodas) exerce uma força na direção oposta se você tentar "inclinar" eles. Para tentar isso em casa, tire sua roda dianteira. Segure o eixo com as duas mãos e gire o volante. Agora tente inclinar o volante. Observe como a roda recua. Tente o mesmo com a roda não girando e observe como ela não recua. Quanto mais rápido a roda gira, mais difícil ela recua. Não tenho certeza se o relacionamento é linear ou não. Dê uma olhada aqui para uma visão mais básica do momento angular . Ele mostra um vídeo fazendo uma demonstração usando um pneu de bicicleta.

Deve ser tão simples quanto isto:

• ação = reação. Se a bicicleta estiver na vertical, ela permanecerá na vertical, a menos que haja forças laterais. Isso é verdade mesmo quando a bicicleta não está em movimento.
• se houver alguma força que atrapalhe o equilíbrio, é necessário que haja uma quantidade igual de força contrária para manter o equilíbrio.
• quando a bicicleta estiver em movimento, a direção converterá parte do impulso para a frente em força lateral, para que a direção possa ser usada para equilibrar a bicicleta.
• em um rolo, a bicicleta pode se mover de lado para equilibrar.
• mover o peso do ciclista não deve gerar força lateral porque, para se deslocar para um lado, o ciclista precisa empurrar a bicicleta na outra direção com a mesma quantidade de força. Qualquer sucesso com isso pode ser atribuído a ineficiências no sistema.

Depois, há o efeito giroscópico das rodas que pode alterar a quantidade e a direção das forças que trabalham no sistema.