Hành động giữ thăng bằng: Tại sao xe đạp không đổ?

Mục lục:

Hành động giữ thăng bằng: Tại sao xe đạp không đổ?
Hành động giữ thăng bằng: Tại sao xe đạp không đổ?

Video: Hành động giữ thăng bằng: Tại sao xe đạp không đổ?

Video: Hành động giữ thăng bằng: Tại sao xe đạp không đổ?
Video: [Bạn có biết] Điều gì giúp cho xe 2 bánh có thể đứng thẳng khi di chuyển? 2024, Tháng Ba
Anonim

Cho đến nay, khoa học vẫn chưa thể đưa ra câu trả lời chắc chắn. Nhưng nó đang ngày càng gần…

Đi xe đạp. Nó giống như đi xe đạp, phải không? Chà, không phải nếu bạn là giáo sư Andy Ruina của Đại học Cornell.

Anh ấy, cùng với các đồng tác giả Jim Papadopoulos, Arend Schwab, Jodi Kooijman và Jaap Meijaard, đã viết một bài báo có tựa đề Một chiếc xe đạp có thể tự ổn định mà không cần đến hiệu ứng con quay hồi chuyển hoặc Castor đề xuất các điều kiện được trích dẫn trước đây để ổn định giải thích đầy đủ - và thậm chí không cần thiết - hiện tượng xe đạp tự ổn định.

‘Điều đáng chú ý là mọi người có thể tiếp tục đi xe đạp. Nhưng một trong những điều tuyệt vời nhất của xe đạp là chúng có thể tự cân bằng , Ruina nói.

Lấy ví dụ về cảnh nổi tiếng trong bộ phim Jour de Fête năm 1949 của Jacques Tati, nơi người đưa thư nhảy dù François đuổi theo con chiến mã đang chạy trốn của mình khi nó lướt qua một con đường nông thôn, Ruina và các nhà khoa học đồng nghiệp của mình bắt đầu khám phá sự khôn ngoan thông thường hai điều kiện cần thiết để xe đạp đứng thẳng là mô-men xoắn hồi chuyển của bánh xe quay hoặc vệt bánh xe phía trước.

‘Bạn chỉ có thể giữ một chiếc xe đạp thẳng đứng khi nó đang chuyển động,” Ruina nói. 'Điều ai cũng biết là tay lái mang lại cho bạn sự cân bằng. Chúng ta có thể cho thấy điều này nếu chúng ta khóa tay lái trên một chiếc xe đạp không có người lái, đẩy nó theo, sau đó để nó đi. Xe đạp sẽ nhanh chóng bị đổ giống như cách nó bị ngã khi xe đứng yên.’

Ruina ví hiệu ứng này giống như sự cân bằng của một cây chổi trên một bàn tay. Khi chổi thẳng đứng bắt đầu nghiêng sang trái, người cân bằng cũng di chuyển bàn tay của họ sang trái, đưa phần dưới của chổi trở lại bên dưới đỉnh rơi của nó, do đó lấy lại thăng bằng. Nhưng đưa người lái ra khỏi phương trình, tại sao điều này lại xảy ra với xe đạp?

‘Mọi người thường nghĩ rằng nếu một thứ gì đó quay nhanh thì nó sẽ trở nên cứng nhắc do hiệu ứng con quay hồi chuyển, vì vậy khi bạn quay nó, nó sẽ muốn quay theo hướng khác. Đó là một cách giải thích phổ biến. Khác là một chiếc xe đạp hoạt động giống như một cái bánh xe trên một chiếc xe đẩy hàng.

Liên hệ

Mọi người cho rằng điểm tiếp xúc mặt đất thực tế của bánh trước là phía trước trục lái vì góc đầu và độ cào của phuộc. Nhưng trên thực tế, bánh xe tiếp xúc với sàn ngay sau trục này.’

Kết quả là, giống như một bánh xe có thể di chuyển 360 ° quanh một trục thẳng đứng (hãy tưởng tượng tai nghe của bạn là ổ trục của bánh xe và trục của bạn là trục của nó), bánh trước của bạn sẽ 'bám theo' tay lái của bạn. Vì vậy, giống như một chiếc xe đẩy hàng, hãy đẩy chiếc xe đạp của bạn về phía trước và bánh trước nhất thiết phải chụm vào và bám theo hướng di chuyển.

Tuy nhiên, các tính toán của các nhà nghiên cứu cho thấy rằng cả hiệu ứng con quay hồi chuyển hay bánh xe đều không thực sự chịu trách nhiệm cho xu hướng lái và tự ổn định của xe đạp.

Để chứng minh điều này, Ruina và nhóm của anh ấy đã xây dựng cái mà họ gọi là ‘Hai Mass Skate’ (TMS). Trông giống như một chiếc xe tay ga gấp lại, TMS có các đặc tính giống như một chiếc xe đạp - hai bánh và phần trước và sau của khối lượng được kết nối bằng một bản lề (tức là tai nghe) - nhưng nó được làm theo cách không dễ bị hiệu ứng con quay hồi chuyển hoặc castor.

Để đạt được điều này, hai bánh xe nhỏ tiếp xúc với mặt đất, mỗi bánh xe có một bánh xe chạm và do đó quay ngược chiều với khối lượng bằng nhau ở phía trên, loại bỏ bất kỳ hiệu ứng con quay hồi chuyển nào với chuyển động ngược chiều (bánh xe của TMS hoạt động giống như giày trượt). Và điểm tiếp xúc của bánh trước nằm phía trước trục lái chứ không phải phía sau như bánh xe.

Khi được đẩy và thả ra, chiếc ‘xe đạp’ không bánh xe, không bánh xe này vẫn thẳng đứng, thậm chí tự điều chỉnh khi bị đập từ bên cạnh.

Do đó, điều này chứng tỏ rằng một thứ khác, ngoài hiệu ứng con quay hồi chuyển hoặc bánh xe, phải chịu trách nhiệm cho xu hướng tự ổn định của xe đạp bằng cách tự lái. Để giải thích điều này, các nhà nghiên cứu cho rằng sự phân bố khối lượng, đặc biệt là trên cụm lái, là chìa khóa.

Quay lại ví dụ về cây chổi, Ruina gợi ý, ‘TMS có khối lượng hướng về phía trước của trục lái cũng như khối lượng trong khung. Khi phía trước của một chiếc xe đạp rơi xuống, nó sẽ rơi nhanh hơn, giống như khi bạn giữ thăng bằng một cây bút chì trên tay, nó sẽ rơi nhanh hơn một cái chổi.

Vì vậy, khối lượng phía trước rơi nhanh hơn khối lượng phía sau, nhưng chúng được kết nối với nhau bằng trục lái. Do đó, để cố gắng ngã nhanh hơn, phần đầu xe phía trước sẽ gây đánh lái và đưa xe đạp về phía sau.’

Ruina chỉ ra rằng điều này vẫn chưa giải quyết được câu hỏi về độ ổn định của xe đạp, đặc biệt là vì nó liên quan đến xe đạp ít người lái. Nhưng những gì nó làm là đưa ra những câu hỏi mới về cách chúng ta đứng thẳng trên một chiếc xe đạp, một ngày nào đó có thể dẫn đến những thay đổi cơ bản về thiết kế.

Như các nhà nghiên cứu đã nói: "Những kết quả này gợi ý rằng quá trình tiến hóa dẫn đến các thiết kế xe đạp phổ biến hiện nay có thể vẫn chưa khám phá các khu vực hữu ích tiềm năng trong không gian thiết kế." Vì vậy, đó.

Đề xuất: