Gyroscopische effecten hebben bijna niets te maken met uw vermogen om op een fiets te rijden

Gyroscopische effecten hebben bijna niets te maken met uw vermogen om op een fiets te rijden

Vandaag kwam ik erachter dat gyroscopische effecten bijna niets te maken hebben met je vermogen om op een fiets te rijden.

Het probleem met de krachten die worden opgewekt door het gyroscopische effect op een typische fiets, is dat ze simpelweg niet erg krachtig zijn als je de fysica beschouwt die betrokken zijn bij het hebben van het grootste deel van het zwaartepunt van de fiets aan de bovenkant (met jou erop). Je vormt in feite een omgekeerde slinger, die veel moeilijker te balanceren is dan andersom.

Om te laten zien hoeveel kracht hier nodig is, laat iemand een fiets maken die volledig stil is. Probeer de fiets en persoon nu gecentreerd te houden door de as van een van de banden gewoon vast te houden. Om deze kracht te vergelijken met de hoeveelheid die wordt gegenereerd door gyroscopische effecten, neem je een losse fietsband met pinnen aan de zijkanten en hang je eraan. Laat nu iemand de band echt snel laten draaien; als het draait, probeer je de band op de een of andere manier te laten leunen.

In dit laatste geval zul je de gyroscopische effecten voelen, maar je zou het enigszins gemakkelijk moeten kunnen doen, aangezien de kracht die je hier voelt waarschijnlijk maar een paar kilogram of 5-10 kilo is (hoewel het misschien meer aanvoelt als met je armen gestrekt en recht voor je uit). In het vorige geval, met de persoon die op de fiets zat, denk ik dat je niet eens in de buurt kwam om ze in balans te houden, vooral als je armen volledig uitgestrekt waren, tenzij ze extreem licht waren of je bent Hercules.

Als dat je niet heeft overtuigd, laten we dan naar de wiskunde kijken (een voorbeeld van Dr. Hugh Hunt van de Universiteit van Cambridge):

Als je redelijk snel rijdt met 12 mph (ongeveer 6 m / s), roteert een typisch fietswiel (diameter 600 mm, omtrek 2 m) 3 keer per seconde, wat een spinsnelheid is van w = 20 radialen per seconde.

Zijn perifere massa, ongeveer m = 1 kg, is geconcentreerd aan de rand, d.w.z. op een straal van r = 300 mm. Het traagheidsmoment J is daarom J = Dhr2 = 0,1 kg m2 (dichtbij genoeg).

Stel dat ik omval en ik probeer het gyroscopische effect te gebruiken om me weer rechtop te duwen. Overweeg een behoorlijk gekte waggelend van het stuur heen en weer sinusvormig met een snelheid van, laten we zeggen, fhandvat= 1,6 wobbles per seconde (equivalent aan een hoekfrequentie van wiebelen w handvat= 2 p fhandvat = 10 radialen per seconde) en met een amplitude van bijvoorbeeld +/- 6 graden (d.w.z. Mhandvat= 6/180 * p = 0,1 radiaal).

De wiebelende beweging is daarom ThandvatMhandvat zonde(whandvat t), en als je dit onderscheidt, krijg je een piekhendel wiebelsnelheid van Q = whandvat. M handvat = 10 * 0,1 = 1 rad / s. Dit is de geforceerde precessiesnelheid van het voorwiel dat fungeert als een gyroscoop. Op zijn hoogtepunt is het paar dat nodig is om deze precessiebeweging te bereiken, vanwege gyroscopische effecten, dat wel M = J w Q = 0.1 * 20 * 1 = 2 N m De fiets en ik weeg, laten we zeggen, 100 kg = 1000 N, dus het gyroscopische effect helpt me alleen als ik niet meer dan 2 mm kantel om perfect rechtop te staan ​​(1000 N * 0,002 m = 2 N m).

Dus het gyroscopische effect op een fiets, zelfs bij 12 mph, is praktisch niets in termen van wat nodig zou zijn om je rechtop te houden. Dus hoe val je niet elke twee seconden op je fiets om?

Gedeeltelijk is dit eenvoudigweg te danken aan uw vermogen om in evenwicht te brengen. U hebt echter waarschijnlijk gemerkt dat het moeilijk is om op een fiets in balans te blijven als u stilstaat. Wanneer je heel langzaam gaat, merk je dat je van nature grote stuurcorrecties maakt om jezelf in balans te houden. Dit is in feite het belangrijkste dat je op elke snelheid op een fiets rechtop houdt, namelijk corrigerende besturing. Als je een onbalans in de ene richting voelt, zal het ervoor zorgen dat je de fiets in die richting stuurt om te compenseren, de resulterende centripetale kracht zorgt ervoor dat je weer wordt uitgebalanceerd, ervan uitgaande dat je aanpassing het juiste aantal beurten was gegeven je snelheid en andere dergelijke factoren . Als u te ver bent gegaan, moet u nog een correctie uitvoeren om te compenseren voor de onbalans die is ontstaan ​​door uw correctie. Hoe sneller je gaat, hoe kleiner de correctie die nodig is om je in balans te houden.

In het begin zijn deze corrigerende bewegingen relatief groot en vaak overcompenserend, omdat je lichaam nog steeds leert fietsen. Dit is de reden waarom je een beetje wiebelig bent en veel wrakt wanneer je voor het eerst leert. Na verloop van tijd zullen deze correcties kleiner en kleiner en nauwkeuriger worden totdat je niet echt merkt dat je ze helemaal aan het doen bent terwijl je op een fiets fietst boven superlage snelheden (uiteraard merk je ze nog steeds als je nauwelijks op je fiets rijdt en dergelijke, zoals hierboven aangegeven).

Bonus feiten:

  • Veel mensen denken dat als je twee banden neemt en ze in tegenovergestelde richting draait, dat je hetzelfde gyroscopisch effect zou hebben alsof ze in dezelfde richting draaien. Wat er in feite zal gebeuren, is dat, als de wielen in tegengestelde richtingen werden rondgedraaid, de twee elkaar zouden opheffen, in termen van gyroscopisch effect. Dit feit is gebruikt om mensen aan te tonen dat ze zonder problemen een fiets kunnen besturen zonder het gyroscopische effect door extra lichte wielen op te heffen die enigszins van de grond zijn geplaatst, waardoor de werkelijke banden worden geroteerd.
  • Hoe verder naar voren het massamiddelpunt voor de fiets + persoon op de fiets, hoe minder voorwielbeweging nodig is om het evenwicht te bewaren. Dit is waarschijnlijk het meest opvallend bij bepaalde aangepaste motorcycli waarbij het voorwiel goed uit de fiets steekt.
  • Een andere minder bekende factor in de rijvaardigheid van een fiets is iets dat "trail" wordt genoemd. Simpel gezegd, dit is een maatstaf van hoeveel de afstand vanaf het punt van het voorwiel de grond raakt, loopt langs het contactpunt van de stuuras, waar het gehele stuurmechanisme (vork, stuur, voorwiel, enz.) Draait. Een langer pad zorgt ervoor dat een fiets veel stabieler aanvoelt dan een kortere. Als het pad echter te lang is, voelt de fiets moeilijk te sturen. Fietsen met te weinig spoor, of zelfs negatief spoor, zullen inherent onstabiel aanvoelen; hoewel, als gevolg van corrigerende besturing, je ze nog steeds kunt rijden. Vanwege het stuurprobleem met het verhoogde parcours hebben mountainbikes en toerfietsen doorgaans minder sporen dan straatfietsen. In het geval van mountainbikes, zorgt dit voor meer "wendbaarheid" op de fiets om te helpen compenseren voor ruw terrein. In het geval van toerfietsen helpt dit om te compenseren voor het feit dat je waarschijnlijk heel wat bagage bij je inpakt en dus extra laag bij de grond. Dit is de reden waarom toerfietsen vaak onstabiel aanvoelen als je die bagage niet op en laag bij de grond hebt.
  • Hoewel gyroscopische en parcourskrachten lang niet voldoende zijn om je op een fiets in balans te houden, zijn ze meestal voldoende om een ​​ruiterloze fiets recht te houden totdat deze tot een bepaald punt vertraagt, wat varieert van fiets tot fiets op basis van wielmaat en spoor.
  • Er wordt momenteel een "gyrobike" ontwikkeld om mensen te helpen fietsen te leren fietsen. Deze fiets heeft een intern vliegwiel dat zorgt voor een aanzienlijke toename van het gyroscopisch effect. De uitvinders van deze fiets hopen dan dat er een ontwikkeld kan worden waar het gyroscopische effect voldoende zou zijn om de fiets grotendeels uitgebalanceerd te houden, zelfs met een rijder, terwijl hij nog steeds niet te zwaar is qua gewicht en dergelijke.
  • Een andere plaats waar je dit enigszins onbewuste 'auto-corrigerende' fenomeen te zien krijgt, is wanneer je probeert op één plek op één voet te staan. Wanneer je dit doet, moet je zorgvuldig in evenwicht zijn om te voorkomen dat je omvalt. Zodra je echter begint te hinkelen, hebben de meeste mensen weinig moeite om zichzelf in balans te houden. Dit is omdat, wanneer je springt, je niet alleen op een natuurlijke manier corrigerende bewegingen genereert, maar je zult ook je voet laten landen waar het moet zijn om jezelf in balans te houden.

Laat Een Reactie Achter