Для того, чтобы двухколесный велосипед не упал, нужно постоянно поддерживать равновесие. Поскольку площадь опоры велосипеда очень мала (в случае двухколесного велосипеда это всего лишь прямая, проведённая через две точки, в которых колеса касаются земли), такой велосипед может находиться только в динамическом равновесии. Это достигается с помощью подруливания: если велосипед наклоняется, велосипедист отклоняет руль в ту же сторону. В результате велосипед начинает поворачивать, и центробежная сила возвращает велосипед в вертикальное положение. Этот процесс происходит непрерывно, поэтому двухколесный велосипед не может ехать строго прямо; если руль закрепить, велосипед обязательно упадёт. Чем выше скорость, тем больше центробежная сила и тем меньше нужно отклонять руль, чтобы поддерживать равновесие.
При повороте нужно наклонить велосипед в сторону поворота так, чтобы сумма силы тяжести и центробежной силы проходила через линию опоры. В противном случае центробежная сила опрокинет велосипед в противоположную сторону. Как и при движении по прямой, идеально сохранять такой наклон невозможно, и подруливание осуществляется точно так же, только положение динамического равновесия смещается с учётом возникшей центробежной силы.
Конструкция рулевого управления велосипеда облегчает поддержание равновесия. Ось вращения руля расположена не вертикально, а наклонена назад. Кроме того, она проходит ниже оси вращения переднего колеса и впереди той точки, где колесо касается земли. Благодаря такой конструкции достигаются две цели
- При случайном отклонении переднего колеса движущегося велосипеда от нейтрального положения возникает момент силы трения относительно рулевой оси, который возвращает колесо обратно в нейтральное положение.
- Если наклонить велосипед, возникает момент силы, поворачивающий переднее колесо в сторону наклона. Этот момент вызван силой реакции опоры. Она приложена к точке, в которой колесо касается земли и направлена вверх. Из-за того, что рулевая ось не проходит через эту точку, при наклоне велосипеда сила реакции опоры смещается относительно рулевой оси.
Таким образом, осуществляется автоматическое подруливание, помогающее поддерживать равновесие. Если велосипед случайно наклоняется, то переднее колесо поворачивается в ту же сторону, велосипед начинает поворачивать, центробежная сила возвращает его в вертикальное положение, а сила трения возвращает переднее колесо обратно в нейтральное положение. Благодаря этому, можно без особых проблем ехать на велосипеде «без рук». Велосипед сам поддерживает равновесие. Сместив центр тяжести в сторону, можно поддерживать постоянный наклон велосипеда и выполнить поворот.
Можно заметить, что способность велосипеда самостоятельно сохранять динамическое равновесие зависит от конструкции рулевой вилки. Определяющим является плечо реакции опоры колеса, то есть длина перпендикуляра, опущенного из точки касания колеса земли на ось вращения вилки; или, что эквивалентно, но проще измерить — расстояние от точки касания колеса до точки пересечения оси вращения вилки с землёй. Таким образом, для одного и того же колеса возникающий момент будет тем выше, чем больше наклон оси вращения вилки. Однако для достижения оптимальных динамических характеристик нужен не максимальный момент, а строго определенный: если слишком малый момент приведёт к трудности удержания равновесия, то слишком большой — к колебательной неустойчивости, в частности — «шимми» (см. ниже). Поэтому положение оси колеса относительно оси вилки тщательно выбирается при проектировании; многие велосипедные вилки имеют изгиб или просто смещение оси колеса вперёд для снижения избыточного компенсирующего момента.
На высоких скоростях (начиная примерно с 30 км/ч) переднее колесо может испытывать т. н. скоростные виляния (speed wobbles), или «шимми» — явление, хорошо известное в авиации. При этом явлении колесо самопроизвольно виляет вправо и влево. Скоростные виляния наиболее опасны при езде «без рук» (то есть когда велосипедист едет, не держась за руль). Причина скоростных виляний — не в плохой сборке или слабом креплении переднего колеса, они вызваны резонансом. Скоростные виляния легко погасить, снизив скорость или изменив позу, но если этого не сделать, они могут быть смертельно опасными
На высоких скоростях для управления велосипедом можно применять прием контрруление, знакомый мотоциклистам. Плавно отталкиваем правую ручку руля от себя, и удерживаем в таком положении — поворачиваем направо. Толкаем левую от себя — поворачиваем налево.
Езда на велосипеде эффективнее (по затратам энергии на километр) как ходьбы, так и езды на автомобиле. При езде на велосипеде со скоростью 30 км/ч сжигается 15 ккал/км (килокалорий на километр), или 450 ккал/ч (килокалорий в час). При ходьбе со скоростью 5 км/ч сжигается 60 ккал/км или 300 ккал/ч, то есть езда на велосипеде в четыре раза эффективнее ходьбы по затратам энергии на единицу расстояния. Поскольку при езде на велосипеде расходуется больше калорий в час, она также является лучшей спортивной нагрузкой. При беге затраты калорий в час ещё выше. Необходимо учитывать, что ударные нагрузки при беге, а также неправильная езда на велосипеде (например, езда в гору на высоких передачах, переохлаждение коленей, отсутствие достаточного количества жидкости и т. д.) могут травмировать колени и голеностопный сустав. Тренированный мужчина, не являющийся профессиональным спортсменом, может в течение длительного времени развивать мощность 250 ватт, или 1/3 л. с. Это соответствует скорости 30—50 км/ч по ровной дороге. Женщина может развивать меньшую абсолютную мощность, но большую мощность на единицу веса. Поскольку на ровной дороге почти вся мощность расходуется на преодоление сопротивления воздуха, а при езде в гору основные затраты — на преодоление силы тяжести, женщины, при прочих равных условиях, едут медленнее по ровному месту и быстрее в гору.
Расход калорий необходимо рассчитывать на килограмм массы тела. 4 км/ч — 0,04; 10 км/ч — 0,07; 15 км/ч — 0,11; 20 км/ч — 0,14; 30 км/ч — 0,18; далее выбранный коэффициент умножить на массу тела, и мы получим расход калорий в минуту. Например я ехал 2,5 часа со средней скоростью 30 км/ч, мой вес 95 кг итого 0,18*95*150=2565 ккал. Некоторые к собственной массе добавляют массу велосипеда, что достаточно спорно. В любом случае можно получить лишь приблизительные данные.
Скорость велосипеда зависит от мощности кручения педалей, типа и класса велосипеда, состояния дорожного полотна, рельефа и ветра. Интересно оценить в каких пропорциях.
По моим наблюдениям, если на гладком шоссе крейсерская скорость составляет 30 км/ч, то на второстепенной дороге она падает до 25, при езде в группе может вырасти до 35, встречный ветер может погасить скорость до 20 км/ч и это воспринимается тяжело. При заезде в горку скорость легко гасится, например до 15 км/ч и это воспринимается нормально.
В сети считается, что уже при скоростях 25-30 км/ч основные силы уходят на борьбу с сопротивлением воздуха, да и вообще скорости больше 30 км/ч определяются не столько силой ног, сколько аэродинамикой. Меня это настораживает. 
По моим наблюдениям аэродинамика гораздо сильнее ощущается при встречном ветре, когда против ветра приходится бороться. В то же время попутный ветер не ощущается совсем, поскольку скорость движения обычно больше скорости ветра. А скорость не становится уж очень большой. Может значение аэродинамики несколько преувеличено? К счастью не очень сложно прикинуть распределение затрат при движении велосипеда. Затем можно сравнить эти данные с опубликованными в сети наблюдениями пользователей велосипедов с измерителями мощности.
Мощность и сила тяги
Для начала интересно понять, какие ресурсы есть у велосипедиста. При долгом педалировании основная характеристика это выдаваемая мощность. Судя по отзывам обладателей измерителей мощности можно считать, что долго можно выдавать 200 ватт. Это соответствует при скорости 25 км/ч постоянной силе «тяги» 28.8 ньютонов (25 км/ч это 6.94 м/с, 200 / 6.94 = 28.8) .
Для большей наглядности далее силу буду приводить в единицах килограмм-силы. 
Одна килограмм-сила (обозначение «кГ» в отличие от массы — «кг») это вес тела с массой 1 кг, то есть сила с которой гиря, на которой написано «1 кг» давит на весы. Это то, с чем мы имеем дело в обиходе вместо собственно «массы тела». 1 кГ = 9.81 ньютонов.
Соответственно, 200 ватт вырабатываемой мощности при 25 км/ч это всего-навсего 2.9 кГ прикладываемой к велосипеду силы. Это кажется странным, ведь можно легко поднять груз намного больший. Но в этом и есть отличие силы от работы. Груз нужно не просто поднять, а поднимать и поднимать, причем быстро. Конечно на короткий срок можно развить и бОльшую силу и бОльшую мощность, но на длительный период получается примерно такие цифры. Кстати, мощность лошади, 1 л.с. = 736 ватт, всего в 3.5 раза больше чем мощность среднего велосипедиста.
При установившемся движении транспортного средства сила сопротивления (F) определяется тремя факторами: трением качения (R), горками (T) (выражается в увеличении веса, который нужно затолкнуть в гору) и сопротивлением воздуха (Q).
Сила трения зависит от коэфф. трения (k) и составляющей веса (P) перпендикулярно поверхности. То есть, чем больше вес, чем хуже дорога, чем хуже шины, тем сопротивление из-за трения больше.
Горка добавляет тянущую назад силу (Т), в зависимость от веса (P) и угла (альфа), но несколько уменьшая давление на поверхность, то есть силу трения.
Наконец, сила аэродинамического сопротивления (Q) пропорциональна площади поперечного (лобового) сечения (S), коэффициенту аэродинамического сопротивления (Cx) и квадрату скорости (v), множитель (ро) это плотность воздуха.
Горки
Из трех слагаемых полная ясность только с движением в горку или с горки. Вес (велосипедист + снаряженный велосипед) известен, тангенс угла наклона тоже.
Тангенс отмечен на дорожном знаке, поскольку это процент набора высоты на проекцию по горизонтали длины пути. То есть, это длина дороги по карте. При «процентах» характерных для дорог это практически одно и то же, что и «синус» — набор высоты на длину пути , но нужно помнить, что уклон 100% соответствует углу 45 градусов, а не 90. В общем, можно считать, что уклон 10% обозначает 1 метр подъема на 10 метров пути.
Сила, которая постоянно будет тянуть назад при подъеме, это проценты, указанные на дорожном знаке, от снаряженного веса (велосипедист + велосипед). Например, при весе 90 кГ при движении в подъем с уклоном 10% велосипед будет тянуть назад сила в 9 кГ. Так как считаем, что в распоряжении у велосипедиста 200 ватт мощности или как рассматривал выше 2.9 кГ силы тяги при скорости 25 км/ч, то понятно, что на такой скорости ему никак не заехать, поскольку 2.9 кГ тянущие вперед меньше, чем 9 кГ тянущие назад. Но при снижении скорости, «сила тяги» возрастает. Если пренебречь потерями на трение и сопротивление воздуха, то можно заехать на скорости W/F (имеющаяся в распоряжении мощность, деленная на силу, тянущую назад), то есть 8 км/ч. (200 / 9 / 9.81 * 3.6) . Похоже на правду 🙂
Есть и хорошая новость. При езде с горки с уклоном 10% это дает (рассмотренному выше велосипедисту) 9 кг к силе тяги, что в три раза больше, чем выдается кручением педалей. Поэтому педали крутить, в общем-то особого смысла нет. Лучше сохранить силы.
Трение
В первом слагаемом R есть неизвестный коэффициент трения. Точнее, коэффициент трения качения (k = k’*r, где r — радиус колеса). Он зависит от «катимости» покрышки и качества дороги. Разумеется, может меняться в широких пределах, причем данные найти сложно. Для начала можно взять для шоссейного колеса на асфальте k = 0.004, хотя встречаются данные и в 10 раз меньше и в 4 раза больше. Если сравнить с силами при езде в горку, то такой коэффициент трения ощущается как подъем в гору с уклоном 0.4%, то есть, практически никак 🙂 В килограмм-силе это 0.36 кГ. Соответствующая гипотетическая скорость (без горки и без сопротивления воздуха, например на велотренажере) при 200 ваттах = 204 км/ч. Не похоже на правду 🙂 Обычно сразу чувствуется, катит велосипед или нет. Или вот этот велосипед/шины/давление в шинах/асфальт и т.п. катит лучше, а вон тот — хуже. Судя по вычислениям на скоростях существенно меньше 200 км/ч таких ощущений не должно быть, все велосипеды должны казаться одинаковыми.
Сопротивление воздуха
В «аэродинамическом» слагаемом два параметра, которые оказывают влияние на сопротивление. Первый — «лобовая» площадь (S).
Этот параметр можно измерить, при помощи аналогичных фотографий. Сделаю это позже, при сопоставлении расчетов с экспериментальными данными. Для оценки пока можно считать S = 0.5 м2. Второй параметр Cx самый загадочный. Это коэффициент аэродинамического сопротивления или коэфф. обтекания.
Этот коэффициент зависит от того насколько гладкая поверхность и от того, насколько совершенна аэродинамическая форма. Для оценки можно взять Сх = 0.5
Для скорости 25 км/ч сила аэродинамического сопротивления получается равной 0.75 кГ, или будет отбирать всего 51 ватт из имеющихся 200 ватт. А если использовать все 200 ватт на аэродинамическое сопротивление, то расчетная скорость получится равной 39 км/ч, сила аэро-торможения при этом будет равна 1.9 кГ. Пока сложно прокомментировать. На 25 км/ч действительно аэродинамическое сопротивление не особо ощущается, а 39 км/ч в моем случае достигается при спуске с горки, а горка может давать огромный плюс к мощности педалирования.
В целом для приведенных выше оценочных параметров (вес велосипедиста + велосипед = 90 кГ, асфальт) для езды в небольшую горку, которая может и не ощущаться как горка = 1% (это 1 метр перепада на 100 метров пути) имеющиеся 200 ватт дадут скорость 30.7 км/ч. Распределение затрат: на трение 15% (0.36 кГ), на горку 38% (0.9 кГ), на аэродинамику 47% (1.14 кГ). А при езде вниз с такой же горки скорость вырастет до 43 км/ч, появившаяся «тяга» с горки = 0.9 кГ даст возможность компенсировать возросшие потери на сопротивление воздуха = 2.2 кГ.
Цифры можно «пощупать» при помощи .
Таким образом, первые выводы примерно такие:
- Аэродинамическое сопротивление правильнее сопоставлять с ездой в горку (с горки), а не с преодолением трения, поскольку горка дает сопоставимый с «аэро» вклад даже при совершенно незаметных уклонах.
- С «катимостью» велосипеда нужно разобраться экспериментально. Вполне возможно, что коэфф. трения в сети сильно занижены.
В сети есть замечательный эксперимент по достижению скорости при различной прикладываемой к педалям мощности. Оттуда можно взять данные, чтобы уточнить распределение вкладов от «катимости» и аэродинамики. Это будет сделано в заметке .
Отмечу, что выше рассматривалось установившееся движение. Это значит, что совсем не принималась в расчет инерция движения, которая здОрово ощущается при катании. Например, разогнавшись с горки, особенно «подкрутив» внизу, можно легко залететь в небольшой подъем. Но если подъем большой, то в конце концов накопленная инерция от предыдущего спуска истратится. Вот тогда приведенные выше формулы и начинают действовать. Вклад инерции немного рассмотрел в заметке .
Если задавать вопрос "почему велосипед не падает?" всем подряд, то большинство, скорее всего, не смогут ответить на него. Просто пожмут плечами. Меньшая часть, считающая себя технически грамотными людьми, ответит, что это, вероятно, из-за эффекта гироскопа. И, наверно, будут удивлены, узнав, что гироскоп не имеет к этому никакого отношения, это показал эксперимент в котором нивелировали этот эффект, а велосипед продолжал ехать. И лишь незначительное меньшинство ответит правильно. Итак, почему не падают велосипедисты?
Велосипед не падает из-за центробежной силы
Для сохранения равновесия любого тела необходимо, чтобы перпендикуляр, опущенный из центра его тяжести, не выходил за площадь опоры. Чем меньше последняя, тем менее устойчиво положение.
Площадь опоры велосипеда предельно мала – по сути, она представляет собой прямую линию, проведенную между точками касания колесами земли. Поэтому велосипед (с велосипедистом или без него) не может стоять, находясь в неподвижном положении. Но при движении устойчивость чудесным образом возвращается к нему. Почему это происходит?
Все дело в центробежной силе, которая возникает при подруливании. Если движущийся велосипед начинает наклоняться в какую-нибудь сторону, велосипедист слегка поворачивает руль в сторону наклона, заставляя машину поворачиваться. При этом возникает центробежная сила, направленная в сторону, противоположную наклону. Она-то и возвращает велосипед в вертикальное положение. Двухколесный велосипед не способен ехать строго по прямой. Если его руль зафиксировать в неподвижном положении, он обязательно упадет, потому что исключается возможность подруливания.
Этот процесс – отклонение от вертикали и возвращение к ней – происходит непрерывно. Велосипедист даже не задумывается о том, что происходит. Его руки автоматически совершают подруливание, которое необходимо для сохранения вертикального положение. К слову сказать, именно в приобретении автоматизма подруливания и состоит обучение езды на велосипеде.
Конструкция велосипеда и поддержание равновесия
Конструкция рулевой колонки и передней вилки велосипеда облегчает автоматическое поддержание равновесия. Ось рулевой колонки (передней вилки) проходит не вертикально, а наклонно к земле. Точка ее пересечения с грунтом располагается впереди того места, где переднее колесо соприкасается с дорогой. Такая схема способствует тому, что если переднее колесо случайно отклоняется от среднего положения, сразу возникает момент реактивных сил, который возвращает его на место.
При наклоне велосипеда реакция опоры переднего колеса, которая приложена в точке его касания с землей и направлена вверх, автоматически поворачивает колесо в сторону наклона. Возникает центробежная сила и велосипед возвращается в вертикальное положение.
Для лучшего понимания этого процесса, нужно просто принять во внимание, что схема сил, действующих на переднее колесо велосипеда, является примерно такой же, как и у тележек с вращающимися колесами. В какую сторону тележку не толкать, колеса автоматически поворачиваются в нужном направлении. Кстати, именно эта особенность конструкции велосипеда обеспечивает возможность езды, не держась руками за руль. Велосипед самостоятельно поддерживает равновесие. А чтобы выполнить поворот, достаточно сместить центр тяжести своего тела в сторону.
Степень способности конкретного велосипеда поддерживать динамическое равновесие определяется конструкцией его рулевой колонки и вилки. Главный параметр здесь – расстояние от точки соприкосновения переднего колеса с землей, до точки пересечения оси рулевой колонки (передней вилки) с грунтом. Как уже говорилось, последняя находится впереди первой. Реактивный момент, действующий на колесо при его повороте, будет тем выше, чем больше это расстояние. Для оптимальных динамических характеристик велосипеда требуется не самый большой, а строго определенный реактивный момент. Слишком малый уменьшит автоматическое поддержание равновесия, чрезмерно большой – приведет к возникновению «шимми». Поэтому наклон оси рулевой колонки и параметры передней вилки при проектировании велосипеда выбираются очень тщательно.
Что такое «шимми»
При высокой скорости (выше 30 км/час) переднее колесо велосипеда может начать самопроизвольно вилять вправо-влево. Это явление, которое, кстати, имеет место и в авиации, называется «speed wobbles» или «шимми». Причина его заключается не в неисправности велосипеда (плохой сборке или ослаблении креплений), а в том, что возникает резонанс переднего колеса. «Шимми» очень опасно в том случае, когда велосипедист едет «без рук», то есть не держится за руль. Чтобы погасить возникший резонанс, нужно снизить скорость или изменить позу.
Велосипед – энергоэффективней
По затратам энергии на единицу преодоленного расстояния велосипед эффективней не только ходьбы, но и езды на автомобиле. При движении велосипеда со скоростью 30 км/час тратится 15 ккал на 1 км. Ходьба со скоростью 5 км/час приводит к сжиганию 60 ккал на 1 км. То есть по энергозатратам на единицу расстояния движение на велосипеде в 4 раза эффективнее ходьбы.
… и функциональней
Если рассматривать езду на велосипеде с точки зрения спортивной нагрузки, то она тоже оказывается предпочтительней ходьбы. Катание на велосипеде отнимает 450 ккал в час, в то время как при ходьбе тратится только 300 ккал. Конечно, физическую нагрузку можно увеличить, перейдя с шага на бег. Но в этом случае возрастает нагрузка на колени и голеностопные суставы, что нежелательно, поскольку со временем может привести к травме этих проблемных мест.
Когда женщины быстрее
Тренированный мужчина, даже не будучи профессиональным спортсменом, может длительное время развивать мощность 250 Вт или 0,33 л. с. При езде на велосипеде по ровной дороге это примерно соответствует скорости 30 км/час. Женщины не могут развивать такой мощности, как мужчины, но в расчете на единицу веса их энергетические показатели превосходят мужские. При езде по ровной дороге, когда вся мощность тратится в основном на преодоление сопротивления воздуха, женщины едут медленнее, чем мужчины. Зато при езде в гору, когда энергия тратится на преодоление силы тяжести, они способны ехать быстрее сильной половины.
Одним из наиболее излюбленных видов активного отдыха является прогулка на велосипеде. Кроме того, что велосипед позволяет укрепить и развить различные мышцы (мышцы ног, рук, спины и живота), это ещё и средство увидеть местные достопримечательности или, просто, поднять себе настроение, катаясь на нем всей семьёй или с друзьями. Однако, велосипед при неумелой езде может служить причиной получения синяков и ссадин. Особенно при езде на большой скорости во время поворота. Давайте попробуем разобраться, что нужно делать, чтобы безопасно проходить повороты во время езды на велосипеде.
При вращении педалей велосипеда усилие велосипедиста передаётся колёсам, поэтому они начинают вращаться. Шины велосипеда взаимодействуют с поверхностью дороги. Силами этого взаимодействия являются сила реакции опоры и сила трения, именно последняя является причиной движения велосипеда, а также оберегает велосипед от заноса во время поворота. Чем больше сила трения между шинами велосипеда и дорожным покрытием, тем уверенней и надёжней будет езда, особенно на поворотах. Максимальная сила трения – сила трения скольжения, она определяется формулой:
где – коэффициент трения, а N – сила реакции опоры, направленная вертикально вверх.
Во время поворота велосипед движется по дуге, имеющей некоторый радиус R (см. вид сверху). При этом скорость велосипеда направлена по касательной к траектории, а центростремительное ускорение и сила трения , удерживающая велосипедиста, направлены к центру дуги. Согласно второму закону Ньютона:
Учитывая, что сила тяжести направлена вертикально вниз, а центростремительное ускорение равно,
получим, что минимальный возможный радиус дуги рассчитывается по формуле:
Коэффициент трения резины находится в интервале от 0,5 до 0,8 для сухого асфальта и в интервале от 0,25 до 0,5 для мокрого асфальта. Поэтому при движении со скоростью 15 км/ч (примерно 4,2 м/с) безопасным будет поворот по дуге радиуса R= 4,2 2 / (0,5·9,8) = 3,6 м (сухой асфальт) и R= 4,2 2 / (0,25·9,8) = 7,2 м (мокрый асфальт).
Следует также отметить, что для сохранения равновесия при повороте нужно немного наклонять велосипед в сторону поворота.
По предложенному методу мы предлагаем вам рассчитать:
- радиус дуги безопасного поворота при скорости 24 км/ч на сухой грунтовой дороге (коэффициент трения 0,4) и на льду (коэффициент трения 0,15);
- угол α наклона велосипеда для сохранения равновесия при повороте на той же скорости, учитывая, что центробежная сила приложена к центру масс велосипеда.
Для того, чтобы двухколесный велосипед не упал, нужно постоянно поддерживать равновесие. Поскольку площадь опоры велосипеда очень мала (в случае двухколесного велосипеда это всего лишь прямая, проведённая через две точки, в которых колеса касаются земли), такой велосипед может находиться только в динамическом равновесии. Это достигается с помощью подруливания: если велосипед наклоняется, велосипедист отклоняет руль в ту же сторону. В результате велосипед начинает поворачивать и центробежная сила возвращает велосипед в вертикальное положение. Этот процесс происходит непрерывно, поэтому двухколесный велосипед не может ехать строго прямо; если руль закрепить, велосипед обязательно упадёт. Чем выше скорость, тем больше центробежная сила и тем меньше нужно отклонять руль, чтобы поддерживать равновесие.
При повороте нужно наклонить велосипед в сторону поворота так, чтобы сумма силы тяжести и центробежной силы проходила через линию опоры. В противном случае центробежная сила опрокинет велосипед в противоположную сторону. Как и при движении по прямой, идеально сохранять такой наклон невозможно, и подруливание осуществляется точно так же, только положение динамического равновесия смещается с учётом возникшей центробежной силы. Конструкция рулевого управления велосипеда облегчает поддержание равновесия. Ось вращения руля расположена не вертикально, а наклонена назад. Кроме того, она проходит ниже оси вращения переднего колеса и впереди той точки, где колесо касается земли.
Благодаря такой конструкции достигаются две цели:
При случайном отклонении переднего колеса от нейтрального положения возникает момент силы трения относительно рулевой оси, который возвращает колесо обратно в нейтральное положение.
Если наклонить велосипед, возникает момент силы, поворачивающий переднее колесо в сторону наклона. Этот момент вызван силой реакции опоры. Она приложена к точке, в которой колесо касается земли и направлена вверх. Из-за того, что рулевая ось не проходит через эту точку, при наклоне велосипеда сила реакции опоры смещается относительно рулевой оси.
Таким образом, осуществляется автоматическое подруливание, помогающее поддерживать равновесие. Если велосипед случайно наклоняется, то переднее колесо поворачивается в ту же сторону, велосипед начинает поворачивать, центробежная сила возвращает его в вертикальное положение, а сила трения возвращает переднее колесо обратно в нейтральное положение. Благодаря этому, можно ехать на велосипеде «без рук». Велосипед сам поддерживает равновесие. Сместив центр тяжести в сторону, можно поддерживать постоянный наклон велосипеда и выполнить поворот.
Можно заметить, что способность велосипеда самостоятельно сохранять динамическое равновесие зависит от конструкции рулевой вилки. Определяющим является плечо реакции опоры колеса, то есть длина перпендикуляра, опущенного из точки касания колеса земли на ось вращения вилки; или, что эквивалентно, но проще измерить - расстояние от точки касания колеса до точки пересечения оси вращения вилки с землёй. Таким образом, для одного и того же колеса возникающий момент будет тем выше, чем больше наклон оси вращения вилки. Однако для достижения оптимальных динамических характеристик нужен не максимальный момент, а строго определенный: если слишком малый момент приведёт к трудности удержания равновесия, то слишком большой - к колебательной неустойчивости, в частности - «шимми» (см. ниже). Поэтому положение оси колеса относительно оси вилки тщательно выбирается при проектировании; многие велосипедные вилки имеют изгиб или просто смещение оси колеса вперёд для снижения избыточного компенсирующего момента.
Распространённое мнение о существенном влиянии гироскопического момента вращающихся колёс на поддержание равновесия является неправильным. На высоких скоростях (начиная примерно с 30 км/час) переднее колесо может испытывать т. н. скоростные виляния (speed wobbles), или «шимми» - явление, хорошо известное в авиации. При этом явлении колесо самопроизвольно виляет вправо и влево. Скоростные виляния наиболее опасны при езде «без рук» (то есть когда велосипедист едет, не держась за руль). Причина скоростных виляний - не в плохой сборке или слабом креплении переднего колеса, они вызваны резонансом. Скоростные виляния легко погасить, снизив скорость или изменив позу, но если этого не сделать, они могут быть смертельно опасными.
Езда на велосипеде эффективнее (по затратам энергии на километр) как ходьбы, так и езде на автомобиле. При езде на велосипеде со скоростью 30 км/ч сжигается 15 ккал/км (килокалорий на километр), или 450 ккал/ч (килокалорий в час). При ходьбе со скоростью 5 км/ч сжигается 60 ккал/км или 300 ккал/ч, то есть езда на велосипеде в четыре раза эффективнее ходьбы по затратам энергии на единицу расстояния. Поскольку при езде на велосипеде расходуется больше калорий в час, она также является лучшей спортивной нагрузкой. (При беге затраты калорий в час ещё выше, но вибрация травмирует колени и голеностопный сустав). Тренированный мужчина, не являющийся профессиональным спортсменом, может в течение длительного времени развивать мощность 250 ватт, или 1/3 л.с. Это соответствует скорости 30-50 км/час по ровной дороге. Женщина может развивать меньшую мощность, но большую мощность на единицу веса. Поскольку на ровной дороге почти вся мощность расходуется на преодоление сопротивления воздуха, а при езде в гору основные затраты - на преодоление силы тяжести, женщины, при прочих равных условиях, едут медленнее по ровному месту и быстрее в гору.
Похожие статьи
