Acum citesti
Adevărata fizică din spatele echilibrului pe două roți

De la primii metri parcurși pe două roți fără mână unuia dintre părinți să ne țină de șa, știm că echilibrul pe bicicletă îl putem menține mulțumită inerției. Sau, după cum Albert Einstein rezuma plastic: viața e ca mersul pe bicicletă; trebuie să mergi ca să îți păstrezi echilibrul. Dar oare este chiar așa? Inerția este acea forță căruia trebuie să îi mulțumim pentru miracolul mersului pe bicicletă?

Ei bine, se pare că nu chiar. Doi fiziceni, J. Lowell și H.D. McKell, au publicat în 1982 în American Journal of Physics un studiu foarte interesant și amănunțit asupra motivului pentru care un biciclist reușește să își păstreze echilibrul. Pe scurt, bicicleta nu se comportă asemeni unui corp care se deplasează ca urmare a inerției sale, ci ca un giroscop, mulțumită momentului cinetic generat de roată, care stabilizează întreaga bicicletă. Totodată, acest comportament giroscopic este cel care ajută la schimbarea direcției, și nu ghidonul! Explicațiile urmează în cele de mai jos.

După ce au demonstrat că mișcarea roții creează un moment cinetic, Lowell și McKell au stabilit natura giroscopică a acestei componente a bicicletei. La rândul său, acest moment cinetic este supus forței centrifuge, care este adevăratul element ce oferă stabilitate bicicletei aflate în mers. Așadar, nu inerția și nu viteza de deplasare sunt factorii critici pentru echilibru. Dar de-abia acum vine partea interesantă!

Ziceam mai devreme că schimbarea direcției (viratul) este în directă legătură cu această mișcare giroscopică și, în mod translativ, cu forța centrifugă. O bicicletă care este ținută perpendicular pe sol va merge drept. Chiar dacă există tentația de a pune acest lucru pe seama inerției, forța centrifugă este cea care face posibil acest lucru. Drept dovadă, dacă înclini bicicleta în partea stângă, atunci întreaga bicicletă va vira spre stânga, deși ghidonul este drept.

Acest lucru se petrece din cauza schimbării axei în jurul căreia se învârt roțile și a cuplului de forțe care își schimbă direcția. Totuși, acțiunea se va petrece doar în situațiile în care viteza este mare. Dacă nu este, atunci va trebui să apelezi la convenționalul ghidon pentru a lua virajul. Oarecum, seamănă cu ceea ce se întâmplă pe velodrom. Pentru că cicliștii ating viteze foarte mari, de peste 70 km/h, iar pista are o lungime de 330 de metri (de cele mai multe ori), virajele sunt construite înclinate la un unghi mare, adesea de peste 30 de grade. Astfel, sportivii aflați la viteză maximă nu trebuie să miște de ghidon când se află pe viraj, ci doar trebuie să îl țină drept, precum in poza de mai jos.

Ilustrații: hyperphysics

Vezi Comentarii (18)
  • Nu cred ca era absolut necesar ca doi savanti sa postuleze chestia asta. Ar parea mai complicat decat este in realitate.

    Ia o roata in mana, tine-o de-o pare si de alta a axului cu mainile si invarte de ea. Apoi incearca sa schimbi directia axului si observi cum roata se va opune. so simple.

  • Foarte neclar explicat fenomenul, nu puneti si sursa? pentru ca sunt interesat.

    foarte ambiguu, adica nu am inteles nimic:
    „Chestia și mai interesant de precizat este că situația descrisă anterior, virarea la stânga din pricina înclinării spre stânga, este posibilă mulțumită sensului de rotație al roților, cel al acelor de ceasornic.”
    Nu vad legatura cu sensul de rotatie. Pedaleaza invers si vei putea vira la fel. Nu cumva poti vira la viteze mari datorita fortei centrifuge de inertie?? cea care incearca sa te scoata de pe traiectorie?

  • Salutare tuturor care ati postat un comentariu la acest articol,

    In primul rand, ma bucur ca am reusit sa starnim un interes prin acest material, chiar daca traducerea nu a fost cea mai clara.
    Articolul original, cel pe care l-am tradus pe scurt, poate fi gasit in cateva baze de date cu articole stiintifice ale unor universitati americane daca veti cauta dupa: Lowell, J. and McKell, H. D., „The Stability of Bicycles”, Am. J. Phys. 50, 1106, 1982. Ca recomandare prieteneasca, sugerez sa aveti langa voi si un dictionar tehnic englez-roman, chiar de termeni de fizica daca se poate. Si multa cafea 🙂

  • Cred ca cercetatorii aia confunda principiul giroscopului cu cel al girostatului si ca pun mult prea mult accent pe partea mecanica dar ignora ceea ce da viata bicicletei : omul. Care principiu al giro-pacii intervine la un om care isi tine echilibrul pe bicicleta pe loc ?

  • Vreau să-l văd pe ăla care virează la viteză mare înclinând o bicicletă cu ghidonul sudat!
    dar, lăsând gluma la o parte, roata se montează în fața furcii (la telescop) sau furca e curbată înainte (cea fixă) tocmai pentru a autoechilibra bicicleta.
    Asta permite mersul fără mâini pe o bicicletă bună (evident și ciclistul intervine pe alocuri).
    Dar e deajuns ca să te facă să fugi după bicicletă 😉
    La filmulețul dinainte efectul gyro nu e anulat de o roată care se învârte în sens contrar, e dublat (avem 2 mase (roți) în mișcare – deci efectul gyro e de 2 ori mai pronunțat).
    La automobilele fără servo – și nu numai, dacă întorci volanul pe loc, mașina se ridică de față (la bicicletă la fel, dar are roata mult mai îngustă și fenomenul e mult mai puțin vizibil.
    Odată pusă mașina în mișcare, această caracteristică aduce volanul (toată direcția de fapt) pe direcția înainte în momentul în care îi dai drumul.

    Deci, din construcție bicicleta se autoechilibrează – de unde concluzia: toți constructorii de biciclete știu șmecheria asta, dar matematicienii nu știu încă, probabil nu au pe nimeni în familie care face biciclete 😉

    Fenomenul are loc și la viteze mici și foarte mici, dar ca să-l observi trebuie să fii pe lângă bicicletă, altfel forțele de pedalare pot masca ușor acest fenomen – poți împinge bicicleta ținând-o de șa, și nu de ghidon și va merge foarte precis în direcția dorită.
    Dacă tragi de șa ușor spre tine, va vira ușor spre tine.
    Acuma, cine știe merge fără mâini, poate spune cum controlează direcția – dar poate certifica cu mâna pe inimă (sau în aer) că ghidonul SE mișcă.
    Cu ghidonul sudat, dumnezeu cu mila…

  • Totul fain frumos, problema este ca efectul giroscopic intervine doar la viteze suficient de mari. Ori, pe o bicicleta poti rula fara probleme si la viteze atat de mici incat nu efectul giroscopic nu este suficient de puternic pentru a se face simtit.

    Asa cum a scris si weellie, faptul ca ghidonul este mobil ajuta probabil cel mai mult, pentru ca permite bicicletei sa vireze contra caderii, regasindu-si echilibrul. Da, si efectul giroscopic, si faptul ca furca este in unghi, si inertia ajuta. Este o combinatie de factori care pastreaza bicicletele si motocicletele stabile. Si, interesant, omul intervine cu decisiv ca factor de echilibrare doar la viteze mici.

    Acest clip demonstreaza asta fara jdemii de ore de cercetari :

    http://www.youtube.com/watch?v=4w3I-pkrY3k

  • Chiar voiam sa stiu in ce consta principiul giroscopului si sa-mi mai amintesc de clasa a IX-a. Din pacate n-am inteles absolut nimic.

  • Principiul giroscopului aplicat in luarea curbei cu ghidonul drept, nu l-am inteles. Insa va dau foarte clar motivul pentru care iei curba, la orice viteza, daca inclini bicicleta:
    cauciucul are profilul exterior rotund (la motociclete la fel, mai ales roata din fata, versus masinile care au un profil aproape drept la contact cu carosabilul)
    Cercul cauciucului de pe mijlocul cauciucului, este mai mare (mai lung) decat cercul cauciucului de pe lateral, ceea ce face roata sa puna un fel de frana spre partea spre care te inclini, pentru ca ambele cercuri ating asfaltul, si ambele se invarta cu aceasi viteza unghiulara. Deci pe asfalt ele vor lasa ca urma nu o panglica dreapta, ci curbata.
    Aceasta este valabila la orice viteza.

    Daca mergi pe o bicicleta cu roti ascutite (balonaj cauciuc mic), cum tinde o cursiera, este mult mai greu sa fortezi mersul drept tinand bicicleta inclinata (mutand greutatea corpului pe partea opusa inclinarii), fata de un montan cu crampoane mari pe lateral (balonaj mare si varf mai putin ascutit).

  • virajul la stanga (in cazul nostru) se intampla in felul urmator:
    in momentul inclinarii motocicletei inspre stanga, greutatea se descompune dupa 2 directii: una orizontala si una cuprinsa in planul rotilor. Forta orizontala, cu sensul inspre stanga, imprima motociclete o acceleratie (conform F=m*a) Aceasta forta, fiind orientata perpendicular pe vectorul „viteza liniara”, nu ii poate modifica acestuia modulul (valoarea numerica). Si atunci, plecand de la la definitia acceleratiei (variatia vitezei in unitatea de timp), vitezei i se va schimba in continu sensul (deci variatia vectorului vitezei liniare nu se va face in marime ci in sens). Variindu-i-se mereu sensul vitezei, motocicleta va parcurge o traiectorie curba.

Lasa un comentariu

Adresa ta de email nu va fi publicata.

7 − 1 =