Gyroskopiske effekter har nesten ingenting å gjøre med din evne til å sykle

Gyroskopiske effekter har nesten ingenting å gjøre med din evne til å sykle

I dag fant jeg ut at gyroskopiske effekter har nesten ingenting å gjøre med din evne til å sykle.

Problemet med kreftene som genereres av den gyroskopiske effekten på en typisk sykkel er at de ganske enkelt ikke er veldig kraftige når man vurderer fysikken som er involvert i å ha flertallet av midten av sykkelen på toppen (med deg på den). Du danner i utgangspunktet en omvendt pendel, noe som er mye vanskeligere å balansere enn omvendt.

For å illustrere hvor mye kraft som trengs her, få en person på en sykkel som er helt stille. Prøv nå å holde sykkelen og personen centrert ved å bare holde på rundt en av dekkens akse. For å sammenligne denne kraften med mengden generert fra gyroskopiske effekter, ta en frittliggende sykkel dekk med pinner på sidene og henge på dem. Nå har noen spilt dekkene veldig fort; Når det er spinn, prøv å lene dekkene på en eller annen måte.

I dette senere tilfellet vil du føle gyroskopiske effekter, men du bør kunne gjøre det litt lett som den kraften du vil føle her er sannsynlig bare noen få kilo eller 5-10 pund (selv om det kan føles som mer med armene dine utstrakte og rett foran deg). I det forrige tilfellet, med personen som sitter på sykkelen, med mindre de var ekstremt lette eller du er Hercules, antar jeg at du ikke engang kunne komme nær å holde dem balansert, spesielt hvis armene dine er helt utstrakt.

Hvis det ikke overbeviste deg, la oss se på matematikken (et eksempel gjort av Dr. Hugh Hunt of Cambridge University):

Når du kjører ganske fort til 12 mph (ca. 6 m / s), roterer et typisk sykkelhjul (diameter 600 mm, omkrets 2 m) 3 ganger i sekundet, noe som er en rotasjonshastighet på w = 20 radianer per sekund.

Dens perifere masse rundt m = 1 kg, er konsentrert ved felgen, dvs. i en radius av r = 300 mm. Trinnmomentet J er derfor J = MR2 = 0,1 kg m2 (nær nok).

Anta at jeg faller over og jeg prøver å bruke den gyroskopiske effekten for å hjelpe meg til å presse meg oppreist igjen. Overvei noen ganske hektiske wobbling av styret frem og tilbake sinusformet med en hastighet på, si, fhåndtak= 1,6 wobbles per sekund (tilsvarende en vinkelfrekvens for wobbling w håndtak= 2 s fhåndtak = 10 radianer per sekund) og med en amplitude på, f.eks. +/- 6 grader (dvs. Mhåndtak= 6/180 * p = 0,1 radian).

Den wobbling bevegelsen er derfor ThåndtakMhåndtak synd(whåndtak t), og differensiering dette gir en topp håndtak wobbling hastighet på Q = whåndtak. M håndtak = 10 * 0,1 = 1 rad / s. Dette er den forrevne forspenningshastigheten til forhjulet som fungerer som et gyroskop. På toppen er paret som kreves for å oppnå denne precessionsbevegelsen, på grunn av gyroskopiske effekter, det M = J w Q = 0,1 * 20 * 1 = 2 N m Sykkelen og jeg veier, si 100 kg = 1000 N, slik at den gyroskopiske effekten bare hjelper meg hvis jeg ikke vipper mer enn 2 mm fra å være perfekt oppreist (1000 N * 0,002 m = 2 N m).

Så den gyroskopiske effekten på en sykkel, selv ved 12 km / t, er praktisk talt ingenting når det gjelder hva som kreves for å holde deg oppreist. Så hvordan faller du ikke hvert 2. sekund på sykkelen din?

Delvis skyldes dette bare din evne til å balansere. Men du har sikkert lagt merke til at det er vanskelig å holde balansen på en sykkel når den står stille. Når du begynner å gå veldig sakte, vil du legge merke til at du selvfølgelig gjør store styringskorrigeringer for å holde deg balansert. Dette er faktisk den primære tingen som faktisk holder deg oppreist på en sykkel, uansett hastighet, nemlig korrektiv styring. Når du føler en ubalanse i en retning, vil det få deg til å styre sykkelen i den retningen for å kompensere, den resulterende sentripetalkraften slutter å balansere deg ut igjen, forutsatt at justeringen din var riktig mengde sving gitt hastigheten din og andre slike faktorer . Hvis du slått over, må du foreta en ny korreksjon for å kompensere for ubalansen som er opprettet fra din overkorrigering. Jo raskere du går, jo mindre er korreksjonen som trengs for å holde deg balansert.

I begynnelsen har disse korrigerende bevegelsene en tendens til å være relativt store og ofte med deg overkompensere fordi kroppen din fortsatt lærer å sykle. Det er derfor du pleier å være litt wobbly og ødelegge mye når du først lærer. Over tid vil disse korreksjonene bli mindre og mindre og mer nøyaktige til du ikke merker at du gjør dem i det hele tatt mens du sykkel over super sakte hastigheter (selvsagt vil du likevel merke dem når du bare beveger deg på sykkelen din og liknende, som påpekt ovenfor).

Bonus Fakta:

  • Mange tror at hvis du tok to dekk og spunnet dem i motsatt retning, ville du ha den samme gyroskopiske effekten som om de sprang i samme retning. Faktisk, hva som vil skje er at hvis hjulene ble spunnet i motsatte retninger, ville de to avbryte hverandre i form av gyroskopisk effekt. Dette faktum har blitt brukt til å demonstrere for folk at de kan sykle uten problemer uten gyroskopisk effekt ved å montere ekstra hjul som er opphøyet litt fra bakken som motoren roterer de faktiske dekkene.
  • Jo lengre frem sentrum av massen for sykkelen + personen som kjører på sykkelen, jo mindre fronthjulbevegelse som vil være nødvendig for å opprettholde balansen. Dette er sannsynligvis mest merkbar på visse tilpassede motorsykler hvor forhjulet stikker godt ut fra sykkelen.
  • En annen mindre kjent faktor i sykkelens rytthet er noe som kalles "sti". Enkelt sagt, dette er et mål på hvor mye avstanden fra forhjulets punkt berører bakken stiger styraksens kontaktpunkt, hvor hele styremekanismen (gaffel, styrer, forhjul, etc.) svinger. En lengre sti vil gjøre en sykkel føler mye stabilere enn en kortere. Men hvis stien er for lang, vil sykkelen føle seg vanskelig å styre. Sykler med for liten sti, eller til og med negativ sti, vil føle seg ustabil; men på grunn av korrigerende styring kan du fremdeles ri dem. På grunn av styringsproblemet med den økte stien, har terrengsykler og touring sykler vanligvis mye mindre sti enn gatesykler. Når det gjelder terrengsykler, gir dette mer "smidighet" på sykkelen for å kompensere for ujevnt terreng. Når det gjelder touring sykler, hjelper dette med å kompensere for det faktum at du sannsynligvis vil pakke sammen ganske mye bagasje med deg og dermed ekstra vekt lavt til bakken. Derfor vil touring sykler ofte føle seg ustabil hvis du ikke har den bagasjen lagt på og lavt til bakken.
  • Selv om gyroskopiske og sporetstyrker ikke er nær nok til å holde deg balansert på en sykkel, er de vanligvis tilstrekkelig til å holde en rytterløs sykkel gå rett inntil den senker til et bestemt punkt, som varierer fra sykkel til sykkel basert på hjulstørrelse og sti.
  • Noe som heter "gyrobike" er for tiden i utvikling for å hjelpe folk å lære å sykle. Denne sykkelen har et internt svinghjul som gir en betydelig økning i gyroskopisk effekt. Oppfinderne av denne sykkelen håper at man kan utvikles der den gyroskopiske effekten vil være tilstrekkelig til å holde sykkelen mest balansert selv med en rytter, mens den fortsatt ikke er for tungvint en sykkel i form av vekt og lignende.
  • Et annet sted du vil se dette noe underbevisst "auto-korrigerende" fenomenet dukker opp er når du prøver å stå på ett sted på en fot. Når du gjør det, må du forsiktig balansere deg selv for å unngå å falle over. Så snart du begynner å hoppe, har de fleste problemer med å holde seg balansert. Dette skyldes at når du hopper, genererer du ikke bare noe naturlig korrigerende bevegelser, men du vil også få foten din rundt hvor du trenger å være for å holde deg balansert.

Legg Igjen Din Kommentar