¿Qué hace que una bicicleta se mantenga erguida cuando se mueve?

¿Qué hace que una bicicleta se mantenga erguida cuando está en movimiento? ¿Cuál es la relación entre velocidad y estabilidad? ¿Es una relación lineal?

Podría preguntar esto en el sitio de física, sin embargo, espero una respuesta relativamente simple. Tomé una clase introductoria de física en la Universidad, por lo que se aprecia la física básica, pero nada demasiado retorcido.

Creo que no es la masa giratoria de la rueda lo que mantiene la bicicleta en posición vertical. Leí un estudio recientemente que dice que si tienes una rueda con masa idéntica girando hacia atrás al lado de la bicicleta, la bicicleta no perderá estabilidad. (No estoy seguro de dónde leí el estudio).

¿Por qué las bicicletas se mantienen en posición vertical cuando están en un rodillo?

Esta pregunta fue recientemente objeto de un extenso artículo en la revista New Scientist. Para resumir:

"¿Por qué esta bicicleta dirige las cantidades adecuadas en los momentos adecuados para garantizar la autoestabilidad?" el papel pregunta. "No hemos encontrado una explicación física simple".

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

Este artículo también cita el estudio que no se pudo identificar del todo: las fuerzas giroscópicas, que durante tanto tiempo se pensó que eran el principio y el fin de la estabilidad de la bicicleta, han demostrado científicamente que no son la consecuencia imaginada popularmente.

En cuanto a permanecer en posición vertical sobre un rodillo, eso no está cubierto por el artículo, sin embargo, discute lo que sucede cuando envía una bicicleta por la calle sin nadie, aparentemente el peso y los ajustes de dirección realizados por el conductor no tienen nada que ver. hacer con eso.

No creo que el artículo de New Scientist sea la última palabra sobre el tema. Sin embargo, es reciente (unas pocas semanas) y es una buena introducción al misterio. ¡Disfrutar!

La geometría de la bicicleta proporciona cierto grado de autoestabilidad. El ángulo y la inclinación de la horquilla producen una situación en la que el neumático delantero tenderá a inclinarse y, por lo tanto, corrige la tendencia a caer hacia un lado.

El efecto giroscópico de las ruedas en sí mismo probablemente no sea tan fuerte, pero el efecto giroscópico en la dirección funciona con el ángulo / inclinación de la horquilla para girar el neumático en la dirección de la "caída" y proporcionar aún más autoestabilización.

En teoría, los rodillos no son diferentes de la calle: el neumático delantero girará hacia la dirección de inclinación, ya sea hasta que el borde de los rodillos produzca un choque o la bicicleta se estabilice.

Las bicicletas son inherentemente estables debido a su geometría. La geometría hace que la bicicleta gire siempre en la dirección en que comienza a inclinarse, lo que la mantiene en posición vertical. La razón se ilustra mejor a través de un concepto conocido como contra-dirección.

La dirección contraria es cómo giran todos los vehículos de dos ruedas. Cuando desee girar hacia la izquierda, gire el manillar un poco hacia la derecha. La fricción de las ruedas tira de la parte inferior de la bicicleta hacia la derecha, lo que inicia una inclinación hacia la izquierda. Los manillares comienzan a girar hacia la izquierda para seguir el giro.

Cuando llega el momento de detener el giro, gira el manillar un poco más hacia la izquierda. Eso tira de la parte inferior de la bicicleta más hacia la izquierda, lo que lleva la parte inferior de la bicicleta directamente debajo del centro de gravedad y, por lo tanto, detiene el giro.

En muchas bicicletas y a bajas velocidades, muchos pilotos pueden pasar desapercibidos. Sin embargo, a altas velocidades, o con vehículos más pesados, como motocicletas, es más significativo.

Entonces, ¿cómo funciona esto donde no hay jinete? Es por el rastrillo en la horquilla y el riel que causa. Si trazas una línea imaginaria a través del eje de tu horquilla hasta el suelo, golpeará el suelo delante de donde la rueda hace contacto con el suelo.

Debido a que la rueda hace contacto con el suelo detrás del eje de dirección, la rueda siempre sentirá una fuerza de la carretera al tratar de llevarla al centro, apuntando hacia adelante. Cuando la bicicleta se inclina hacia un lado, las fuerzas comienzan a empujar la rueda hacia el lado en el que se inclina la bicicleta.

Entonces todas estas fuerzas se suman. El rastrillo en la horquilla hace que la bicicleta quiera ir hacia adelante. Y cuando siente un golpe en una dirección u otra, la dirección contraria tenderá a llevar la bicicleta en la otra dirección. Luego, el rastrillo de la horquilla comenzará a empujar la rueda delantera más lejos, lo que enderezará la bicicleta, debido a la dirección contraria.

Es como balancear una escoba en tu mano, te diriges para mover las ruedas debajo de ti. Los fabricantes de bicicletas ayudan diseñando la geometría de la dirección para que la bicicleta se mantenga en pie por sí sola, si no se mete con ella.

Las fuerzas giroscópicas ayudan pero no son esenciales.

Ha habido una investigación más reciente sobre esto: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

Anteriormente se pensaba que las ruedas giratorias de la bicicleta proporcionaban estabilidad mediante efectos giroscópicos; y que el "camino" (la distancia por la cual el punto de contacto de la rueda delantera se arrastra detrás del eje de dirección, juega un papel importante).

Sin embargo:

Un nuevo estudio en Science afirma haber resuelto el problema: los efectos giroscópicos y la ayuda en el camino, dice el investigador Dr. Arend Schwab de la facultad de 3mE en TU Delft, pero no son necesarios por encima de cierta velocidad. En un artículo de 2007 Proceedings of the Royal Society (doi: 10.1098 / rspa.2007.1857), se desarrolló un modelo matemático con alrededor de 25 parámetros físicos en el momento que parecía predecir si, y a qué velocidades, sería un diseño particular de bicicleta estable.

Los autores diseñaron y construyeron una bicicleta de patinaje de dos masas, con ruedas pequeñas y contrarrotativas, lo que significa que no hay ningún efecto giroscópico para hablar, y un pequeño rastro negativo (en otras palabras, donde está el punto de contacto de la rueda delantera marginalmente delante del eje de dirección). Sin embargo, la bicicleta se mantuvo estable cuando se movía.

Este video de 7 minutos da una explicación de la estabilidad de la bicicleta, discutiendo los efectos giroscópicos, de ruedas y de dirección. En particular, muestra ejemplos de bicicletas (sin conductor) que pueden equilibrarse incluso cuando se cancelan una o más de las fuentes de estabilidad. Por lo tanto, hay varias características de diseño que permiten la estabilidad, incluido el piloto.

Actualmente , hay tres factores principales que se cree que afectan la estabilidad de la bicicleta:

1. Cantidad de recorrido de la rueda delantera (es decir, diseño de rueda giratoria)
2. Distribución de masa delante del eje de dirección de la rueda delantera
3. Precesión giroscópica

En una bicicleta moderna, los tres trabajan juntos para permitir que una bicicleta se dirija automáticamente a una caída, exhibiendo así un comportamiento autoestabilizador. Este comportamiento de dirección automática permitiría que una bicicleta sea estable en los rodillos o se mueva sobre el suelo.

Debido a que la estabilidad se logra a través del equilibrio de múltiples factores, demasiado de cualquiera de los factores puede hacer que un diseño sea inestable (p. Ej., Mediante una corrección excesiva). Además, no todos los factores tienen el mismo impacto. Algunos factores aislados pueden ser suficientes para que una bicicleta sea estable por sí sola en ausencia de otros factores (por ejemplo, distribución de masa frente al eje de dirección ).

La existencia de múltiples factores también significa que diferentes diseños estables pueden usar diferentes cantidades de cada factor. Por ejemplo, en la década de 1940, las bicicletas randonneur usaban mucho menos sendero , pero agregaban masa frente al eje de dirección (es decir, bolsas delanteras que transportaban equipos) para crear una bicicleta estable.

MinutePhysics tiene un buen video corto que analiza el impacto de estos efectos. Creo que en la mayoría de los diseños estables, la procesión giroscópica (3) tendrá el efecto más débil.

Ayudado por las características de la autoestabilidad, como se señaló anteriormente, la razón básica por la que una bicicleta se mantiene erguida mientras la conduce es porque mantiene un equilibrio activo al mantener los puntos de contacto de la bicicleta debajo de su centro de masa. Mientras conduce, realiza movimientos de giro sutiles para mantener la bicicleta debajo de usted: cuando la bicicleta cae hacia la izquierda, gira hacia la izquierda, lo que mueve la rueda delantera y vuelve a colocar la bicicleta debajo de usted. En los rodillos puedes ver esto como la bicicleta moviéndose de un lado a otro a través del rodillo, y cuando no puede hacer eso, te caes.

Puede hacer esto de manera tan inconsciente después de aprender a conducir que es todo un desafío andar en bicicleta con la dirección invertida.

La respuesta básica sin entrar demasiado en la física es el momento angular . Básicamente, un objeto giratorio (sus ruedas) ejerce una fuerza en la dirección opuesta si intenta "inclinarlos". Para probar esto en casa, quítese la rueda delantera. Sostenga el eje con ambas manos y gire la rueda. Ahora intenta inclinar la rueda. Observe cómo la rueda retrocede. Intente lo mismo con la rueda que no gira y observe cómo no retrocede. Cuanto más rápido gira la rueda, más fuerte se tira hacia atrás. No estoy seguro de si la relación es lineal o no. Eche un vistazo aquí para obtener una visión más básica del momento angular . Muestra un video haciendo una demostración con un neumático de bicicleta.

Debería ser tan simple como esto:

• acción = reacción. Si la bicicleta está en posición vertical, se mantendrá en posición vertical a menos que haya fuerzas laterales. Esto es cierto incluso cuando la bicicleta no se mueve.
• Si hay alguna fuerza que interrumpe el equilibrio, debe haber una cantidad igual de fuerza contraria para mantener el equilibrio.
• Cuando la bicicleta está en movimiento, la dirección traducirá parte del impulso hacia adelante en fuerza lateral, por lo que la dirección puede usarse para equilibrar la bicicleta.
• en un rodillo, la bicicleta puede moverse de lado para equilibrarse.
• mover el peso del ciclista no debería generar fuerza lateral porque para moverse hacia un lado, el ciclista debe empujar la bicicleta en la otra dirección con la misma cantidad de fuerza. Cualquier éxito con esto se puede atribuir a ineficiencias en el sistema.

Luego está el efecto giroscópico de las ruedas que puede alterar la cantidad y la dirección de las fuerzas que trabajan en el sistema.