자전거를 움직일 때 무엇이 ​​똑바로 유지됩니까?

자전거가 움직일 때 똑바로 유지되는 것은 무엇입니까? 속도와 안정성의 관계는 무엇입니까? 선형 관계입니까?

물리 사이트에서이를 요청할 수는 있지만 비교적 간단한 대답을 원합니다. 나는 대학 물리학 입문 수업을 들었으므로 기본 물리학은 높이 평가 받았지만 너무 나쁘지는 않았습니다.

자전거를 똑바로 세우는 것이 바퀴의 회전 질량이 아니라고 생각합니다. 최근에 자전거 옆에서 같은 질량의 바퀴를 뒤로 돌리면 자전거의 안정성이 떨어지지 않는다는 연구 결과를 읽었습니다. (연구를 어디서 읽었는지 잘 모르겠습니다).

롤러를 타면서 자전거가 똑바로 유지되는 이유는 무엇입니까?

이 질문은 최근 New Scientist 잡지에서 긴 기사의 주제였습니다. 요약:

"자전거를 확보하기 위해이 자전거가 적절한 시간에 적절한 양을 조종하는 이유는 무엇입니까?" 종이가 묻습니다. "우리는 간단한 물리적 설명을 찾지 못했습니다."

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

이 기사는 또한 자이로 스코프 힘, 오랫동안 자전거 사고의 모든 것으로 여겨 질 수있는 자이로 스코프 힘을 대중적으로 상상할 수없는 결과로 과학적으로 입증되었다는 연구 결과를 인용했습니다.

이 기사에서 다루지 않은 롤러에 똑바로 머무르는 것에 관해서는, 아무도 자전거를 타지 않고 거리에서 내리면 어떤 일이 일어나는지 논의합니다. 그것으로하십시오.

나는 새로운 과학자 기사가 그 주제에 관한 마지막 단어라고 생각하지 않습니다. 그러나 그것은 최근 (몇 주 전)이며 미스터리에 대한 좋은 소개입니다. 즐겨!

자전거 구조는 어느 정도의 자기 안정성을 제공합니다. 포크의 각도와 갈퀴는 앞 타이어가 희박하게되는 경향이있어 한쪽으로 떨어지는 경향을 수정합니다.

휠 자체의 자이로 스코프 효과는 그다지 강하지는 않지만 스티어링에 대한 자이로 스코프 효과는 포크의 각도 / 레이크와 함께 작동하여 타이어를 "낙하"방향으로 돌리고 훨씬 더 자기 안정을 제공합니다.

이론적으로 롤러는 거리와 다르지 않습니다. 롤러 가장자리가 충돌하거나 자전거가 안정 될 때까지 앞 타이어가 마른 방향으로 회전합니다.

자전거는 구조상 본질적으로 안정적입니다. 지오메트리는 자전거가 항상 기울기 시작하는 방향으로 회전하도록하여 똑바로 세웁니다. 그 이유는 카운터 스티어링이라는 개념을 통해 가장 잘 설명됩니다.

카운터 스티어링은 두 바퀴 차량이 모두 어떻게 회전하는지입니다. 왼쪽으로 돌리려면 핸들 바를 약간 오른쪽으로 돌리십시오. 바퀴의 마찰은 자전거의 바닥을 오른쪽으로 잡아 당겨 왼쪽으로 기울기를 시작합니다. 핸들 바가 왼쪽을 향해 회전하여 회전을 추적합니다.

회전을 멈출 시간이되면 핸들 바를 왼쪽으로 조금 더 돌립니다. 이것은 자전거 바닥을 왼쪽으로 더 끌어 당겨서 자전거 바닥을 무게 중심 바로 아래로 가져와 회전을 중지시킵니다.

많은 자전거와 저속에서는 많은 라이더가 카운터 조향 효과를 눈치 채지 못할 수 있습니다. 그러나 고속 또는 모터 사이클과 같은 무거운 차량에서는 더 중요합니다.

라이더가없는 곳에서는 어떻게 작동합니까? 포크의 갈퀴와 그로 인한 레일 때문입니다. 포크 축을 통해지면으로 가상의 선을 그리면 바퀴가지면에 닿는 지점보다 먼저지면에 닿습니다.

휠이 조향 축 뒤의지면에 닿기 때문에 휠은 항상 도로에서 힘을 느끼면서 똑바로 앞으로 향하게합니다. 자전거를 한쪽으로 기울이면, 자전거가 기울어 진쪽으로 힘이 휠을 밀기 시작합니다.

이 모든 힘이 합쳐집니다. 포크의 갈퀴는 자전거가 똑바로 가고 싶어합니다. 그리고 한 방향 또는 다른 방향으로 충돌이 느껴지면 카운터 스티어링은 자전거를 다른 방향으로 가져 오는 경향이 있습니다. 그런 다음 포크 레이크가 앞 바퀴를 더 멀리 밀기 시작하고 카운터 조향으로 인해 자전거가 곧게 펴집니다.

빗자루의 균형을 잡는 것처럼 바퀴를 움직일 수 있습니다. 자전거 제조업체는 스티어링 지오메트리를 설계하여 자전거를 엉망으로 만들지 않아도 자전거가 스스로 똑바로 유지되도록 도와줍니다.

자이로 스코프 힘이 도움이되지만 필수는 아닙니다.

이것에 대한 최근의 연구가 있습니다 : http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

이전에 자전거의 회전 바퀴는 자이로 스코프 효과를 통해 안정성을 제공한다고 생각되었습니다. 그리고 '트레일'(전륜의 접점이 스티어링 축 뒤를 지나가는 거리가 중요한 역할을 함).

하나:

TU 델프트의 3mE 교수 인 Arend Schwab 박사는 과학에 관한 새로운 연구 결과는 자이로 스코프 효과와 트레일 도움말을 해결했다고 주장하지만, 특정 속도 이상으로 필요하지는 않다고 Arend Schwab 박사는 말했다. 왕립 학회지 2007 년 논문 (doi : 10.1098 / rspa.2007.1857)에서, 약 25 개의 물리적 파라미터를 가진 수학적 모델이 개발되어 당시 자전거의 특정 설계가 어떤 속도로 진행될 것인지를 예측하는 것으로 나타났습니다. 안정된.

저자들은 작고 역 회전하는 바퀴가 달린 2 개의 Mass Skate 자전거를 설계하고 제작했습니다. 이는 자이로 스코프 효과가없고 작은 음의 흔적 (즉, 앞바퀴의 접촉점이있는 곳)을 의미합니다 스티어링 축 앞쪽으로 약간). 그러나 자전거는 움직일 때 안정적으로 유지되었습니다.

이 7 분 비디오 는 자전거 안정성에 대한 설명, 자이로 스코프, 캐스터 및 스티어링 효과에 대해 설명합니다. 특히, 하나 이상의 안정성 소스가 취소 된 경우에도 균형을 유지할 수있는 (라이더리스) 자전거의 예를 보여줍니다. 따라서 라이더를 포함하여 안정성을 가능하게하는 여러 가지 디자인 기능이 있습니다.

현재 자전거 안정성에 영향을 줄 것으로 생각되는 세 가지 주요 요인이 있습니다.

1. 앞바퀴 트레일 양 (예 : 캐스터 휠 디자인)
2. 전륜 스티어링 축 앞의 질량 분포
3. 회전식 세차

현대 자전거에서는 세 가지가 모두 함께 작동하여 자전거가 자동으로 낙하로 조향되어 자체 불안정한 행동을 보입니다. 이 자동 조향 동작으로 인해 자전거가 롤러에서 안정되거나지면 위로 이동할 수 있습니다.

안정성은 여러 요인의 균형을 통해 달성되므로 한 요인 중 너무 많으면 설계가 불안정해질 수 있습니다 (예 : 과도 교정). 또한 모든 요인이 동일한 영향을 미치는 것은 아닙니다. 격리의 일부 요소는 다른 요소 (예 : 조향 축 앞의 질량 분포)가 없는 상태에서 자전거를 자체적으로 안정시키기에 충분할 수 있습니다 .

여러 요인이 존재한다는 것은 안정적인 설계가 서로 다른 양의 각 요인을 사용할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 1940 년대 랜도 네르 자전거는 트레일을 훨씬 적게 사용 했지만 스티어링 축 앞에 질량을 추가하여 안정적인 자전거를 만들었습니다.

MinutePhysics는 짧은 비디오 로 이러한 효과의 영향을 분석합니다. 나는 가장 안정적인 디자인에서 자이로 스코프 행렬 (3)이 가장 약한 영향을 미칠 것이라고 믿는다.

위에서 언급 한 바와 같이, 자기 안정성의 특성으로 인해 자전거를 타는 동안 자전거가 똑바로 유지되는 기본적인 이유는 자전거의 접촉점을 질량 중심 아래로 유지하여 적극적으로 균형을 유지하기 때문입니다. 자전거를 타면서 자전거를 아래로 유지하기 위해 미묘한 회전 동작을하고 있습니다. 자전거가 왼쪽으로 떨어지면 왼쪽으로 돌리면 앞 바퀴가 움직이고 자전거가 다시 아래로 내려갑니다. 롤러에서는 자전거가 롤러를 가로 질러 앞뒤로 움직이는 것으로 볼 수 있습니다. 그렇게 할 수 없으면 넘어집니다.

자전거를 타는 것을 배우고 나서 무의식적으로 그렇게 할 수 있으므로 스티어링을 뒤집은 상태에서 자전거를 타는 것은 매우 어려운 일입니다.

물리학에 너무 많이 들어 가지 않는 기본적인 대답은 각운동량 입니다. 기본적으로 회전하는 물체 (바퀴)는 "팁"하려고하면 반대 방향으로 힘을가합니다. 집에서 이것을 시도하려면 앞 바퀴를 벗으십시오. 양손으로 차축을 잡고 휠을 돌리십시오. 이제 바퀴를 기울이십시오. 바퀴가 어떻게 뒤로 당겨 지는지 확인하십시오. 바퀴가 돌지 않는 상태에서 똑같이 시도하고 뒤로 밀리지 않는지 확인하십시오. 휠이 더 빨리 회전할수록 휠이 더 세게 당깁니다. 관계가 선형인지 확실하지 않습니다. 각운동량 에 대한보다 기본적인 정보는 여기를보십시오 . 자전거 타이어를 사용하여 시연하는 비디오를 보여줍니다.

다음과 같이 간단해야합니다.

• 행동 = 반응. 자전거가 똑바로 있으면 옆으로 힘이 없으면 똑바로 유지됩니다. 자전거가 움직이지 않는 경우에도 마찬가지입니다.
• 균형을 방해하는 힘이 있다면 균형을 유지하기 위해 같은 양의 반력이 필요합니다.
• 자전거가 움직일 때, 스티어링은 전진 운동량을 옆으로 향하게하므로, 스티어링은 자전거의 균형을 잡는 데 사용될 수 있습니다.
• 롤러에서 자전거는 균형을 잡기 위해 옆으로 움직일 수 있습니다.
• 한쪽으로 이동하기 위해 라이더의 무게를 움직일 때 옆으로 힘을 가해서는 안됩니다. 라이더는 같은 양의 힘으로 자전거를 다른 방향으로 밀어야합니다. 이것으로 모든 성공은 시스템의 비효율 때문일 수 있습니다.

그런 다음 바퀴의 회전 효과가 시스템에 작용하는 힘의 양과 방향을 변경할 수 있습니다.