„Това е толкова лесно, колкото да караш колело“, казва популярен израз, който се използва за изразяване на простотата, необходима за изпълнение на някои задачи; А що се отнася до колоезденето, това е израз, който не е далеч от истината, защото карането на велосипед е толкова просто, че почти всеки наистина знае как да го направи - или поне за тези, които са го предложили - но ¿наистина ли е толкова просто, колкото си мислим? ->

Що се отнася до факта, че въртя педалите, да, но докато за повечето велосипедисти е обичайно, че сме по-концентрирани върху неравностите по пътя; избягвайте да бъдете прегазени от шофьора; липсата на безопасна инфраструктура или избягването на автобуса, това ни отвлича вниманието и ние пренебрегваме явления, които са безспорно интересни и присъстват във всеки ход на педала, които предприемаме и които са: онези явления, които физиката изучава и които са основна част от разбирането на механизмите на нашия велосипед.

И разбирането на тези явления започва с едно от първите предизвикателства, които преодолявате, когато тръгнете на мотора, което е поддържането на баланс. Това знание отива много по-далеч от преодоляването на страха ни от падане, защото от него започват последиците, свързани с науката зад велосипеда.

науката

Физиката на велосипедите

Тъй като науката за поддържане на равновесие по време на каране на колело не е никак проста и не говоря само за усилията на нашите тела да избегнат удрянето на настилката, а за обединението на физическите явления, които действат на една от най-често срещаните машини които съществуват: велосипедът.

Нашият мистериозен велосипед

И именно чрез физиката нашият велосипед става интересен и дори загадъчен, защото именно физиката е отговорна за описването на силите, които правят възможно моторът ни да работи, да стои изправен и променливите, които го правят възможно. е по-добър от друг или защо велосипедът е в състояние да върви по права линия, дори без ездач да го контролира. ->

Какво кара нашия мотор да се изправи?

Твърди се, че Алберт Айнщайн е заявил, че „животът е като каране на колело: за да поддържате равновесие, трябва да продължите да се движите“. И беше прав. Ключът, за да не падне мотора ви, е движението, защото ако е в покой, той пада, но ако добавим движение към него, той остава изправен и ако поддържаме това движение с постоянна скорост (кинетична енергия), това ни гарантира плавно карайте, дори без да държите кормилото.

Жироскопско действие

Но нека гироскопското действие обясни как велосипедът стои изправен, за това нека знаем, че има две концепции на физиката, които си взаимодействат: величина и посока. Под величина имаме предвид силата, генерирана от въртящото се движение на колелата. Когато те се движат, за да спечелят битката срещу гравитационната сила, ние се движим напред, без да падаме. Колкото по-висока е скоростта, толкова по-голям е ъгловият момент. Следователно е по-лесно да се поддържа баланс при ускоряване, отколкото при забавяне.

За да го разберем малко по-добре, нека направим експеримент. Извадете едно колело - това отпред е по-лесно и вероятно по-чисто - и, като държите оста, го завъртете. Сега се опитайте да завъртите колелото, като преместите оста. Ще видите, че то се съпротивлява. Сега, докато колелото все още се върти, пъхнете единия пръст под едната страна на тази ос и освободете другата страна. Вълшебно остава там, сякаш някой невидим държи другата страна.

Какво ме кара да вървя направо?

На велосипед кормилната ос се спуска надолу по вилицата или вилицата. Ако си представите линия, която продължава до края на вилицата, тя всъщност докосва земята пред мястото, където гумата докосва земята. Тоест, кормилната ос е пред точката на контакт. Разстоянието между тези две точки се нарича „пътека“. ->

Колкото по-дълга е „пътеката“, моторът ще бъде по-стабилен, но колкото по-кратък е, толкова по-малко стабилен ще бъде и толкова по-трудно ще бъде да карате. Това е причината, поради която карането на едноколесно колело е по-трудно от карането на велосипед. Е, в едноколесния велосипед - освен че има само опорна точка - неговата кормилна ос е точно под водача, а не пред колелото, както се случва с велосипеда.

Мистерията на мотора, който кара себе си

В основата на инженерния и физически пъзел, който включва нашият велосипед, има нещо, което всички сме наблюдавали. Ако натиснете велосипеда си, той се балансира, като автоматично се насочва, за да коригира колебанията си, докато се забави и в крайна сметка падне настрани. Въпреки че "пътеката" между колелата определя лекотата на работа с велосипед и жироскопичният ефект помага за стабилността, нито едно от тях не е отговорно за самобалансиращия ефект на велосипеда, което е загадка дори за науката, но теориите все още са се предлага да даде отговор.

За да разберете за какво говоря, можете да гледате това видео от: Minute Physics.

Издръжливост

И в търсенето на този отговор излизаме с друга концепция: съпротивлението на движението в колелата ни.

Съпротивлението на колелото може да варира значително в зависимост от повърхността, по която се движи. Ликвидационният път е много по-труден за търкаляне, отколкото гладък. Но голяма част от тази устойчивост на протектора зависи и от вида на гумата, която използваме.

Повечето шосейни и градски велосипеди имат по-тънки гуми, докато планинските велосипеди имат големи, дебели гуми. Всеки тип гума е проектиран за повърхностите, по които се циркулира.

Пътните гуми са напомпани до 100 или дори 120 PSI (паунда на квадратен инч). Тънка, твърда гума на асфалтовата повърхност няма да се сплеска много. Колкото по-малко гумата е сплескана отдолу, толкова по-малка е повърхността, която е в контакт с пътя. По-малкото контакт в този случай означава по-малко триене и по-голяма скорост, която произвеждаме, тъй като има по-малко съпротивление на повърхността на търкаляне - поради което е толкова важно гумите да се поддържат правилно напомпани.-.

Широките, дебели гуми за планински велосипеди се изравняват повече върху твърда асфалтова повърхност. Въпреки това, по черен път, гума за планински велосипед „плува“ по грапавата повърхност. И обратно, по-тънката пътна гума би прорязала дълбоко мръсотията, принуждавайки ездача да върти педала по-силно, за да излезе от канала, който генерира.

Загуба на енергия

Лесно е да се разбере как една гума се „сплесква“ отдолу, докато се завърта. Но изненадващо, влаковите колела - изработени от стомана - върху стоманена релса изпитват същия ефект.

Временното изравняване на колелото, както и потъването в контактната повърхност, е това, което е известно като „съпротивление при търкаляне“. Този термин се използва, за да се опише колко енергия се губи при педалиране, когато колелото се движи напред. Гумите с ниско налягане, които се движат по мека земя, имат по-високо съпротивление при търкаляне. Това е една от основните причини автомобилните състезания да са по-бърз спорт от планинското колоездене.

Но как гарантират, че колелото не се деформира извън нормалното? И тук спиците на вашия мотор играят основна роля.

Има много различни начини да се говори за вкарване на колело на велосипед. Повечето велосипеди имат тангенциални спици, което означава, че спиците не се свързват от земята с джантата по права линия, а под ъгъл. Има много различни модели на тангенциални лъчи. И въпреки че от време на време велосипедите ще имат напълно радиални спици. Тангенциалното точкуване помага за по-ефективно предаване на въртящия момент (силата) на масата към колелата, сякаш е лост.

Колелото с радиална спица не само ще бъде по-малко ефективно от тангенциално набраздено, но и ще бъде значително по-слабо. Колелото за велосипед трябва да може да се справи с различни сили. В допълнение към поддържането на теглото на ездача, колелото трябва да издържа на силите на педалите и спирачките и разтърсващите ефекти на пътната настилка.

Напрежение без компресия

Лесно е да мислите за спици като колони, които поддържат колелото и спомагат за запазването на формата му. Но „опората“, която колелото получава, се създава чрез издърпване на спиците към центъра на колелото (напрежение), вместо натискане от центъра (компресия).

Ако сте имали възможност да задържите греда, която не е монтирана, вероятно сте разбрали колко крехка е тя. Бихте могли да сгънете едната на половина без много усилия. Ако обаче сте се опитали да откачите монтиран, не бихте могли. „Издърпването“ на спиците към центъра на масата е това, което дава сила на колелото на вашия велосипед.

Какво е спускане под наем?

И така, колко здрави са велосипедните колела? В зависимост от материала и протектора, колелата могат да държат редовно приблизително 400 пъти собственото си тегло и няма да се срутят, докато не са приблизително 700 пъти собственото му тегло, което го прави една от най-здравите конструкции, правени някога.

Скорости и предавки - съотношение

Развитието на задвижващата верига помогна да направим велосипедът, който познаваме днес, да стане възможен. Верижното задвижване елиминира необходимостта ездачът да е директно на колелото. Вместо това ездачът ще може да се позиционира между двете колела за по-добър баланс. С появата на предавки, ездачът може да върти педалите и по-ефективно.

Едноверижно задвижване (без предавки или смяна на предавките: зъбни колела) е ефективно при плоски повърхности и надолу. Когато обаче става въпрос за челен вятър, изкачване на хълмове, ездачът трябва да застане на педалите и да се напряга, докато върти педал с много ниска скорост. Зъбните колела, или предавките, позволяват на ездача да върти педала с удобна и ефективна скорост, докато пътува нагоре или в челен вятър.

В ранния велосипед High Wheel педалите бяха прикрепени директно към колелото. Един завой на педалите се равняваше на един завой на колелото. Скоростите или зъбните колела позволяват на ездача да промени това съотношение. За стръмни хълмове избираме предавка, която ни позволява да въртим педалите многократно, за да завъртим колелото само веднъж; равни или надолу, можем да изберем предавка, която да завърта колелото многократно за всяко завъртане на педалите.

Това означава например, че всеки път, когато правите завой, веригата се върти около 54-те зъба на звезда и нейните 27 зъба на задното зъбно колело, което кара колелото на вашия велосипед да се завърти два пъти. Осигуряване на съотношение 2 към 1. Ако задната предавка имаше 11 зъба, съотношението би било по-близо до 5 към 1 и т.н.

Стрес в кутията

Друга от физическите концепции, която взаимодейства с нашия велосипед, е стресът. Рамките за велосипеди трябва да бъдат изградени, за да се справят с различни товари. Първо, рамката трябва да поддържа себе си и други компоненти на мотора. Те се считат за "статични заряди". Освен това рамката трябва да може да се справя с теглото на водача, силите на педалите и спирачките и ефектите от пътната настилка. Това са "динамични натоварвания"; те са най-проблематичните за рамков конструктор, тъй като, както подсказва името, те се движат и се различават по интензивност

Когато производителят на велосипед избере материал, за да направи велосипедна рамка, те обикновено вземат предвид следните свойства на материала:

  • Еластичност: Когато даден обект реагира на огъване или разтягане, като се върне в първоначалната си форма, се казва, че има високо ниво на еластичност. Материалът, който се огъва и след това държи огънатата си форма, има много малка еластичност.
  • Сила на провлачване: Това е количеството сила, необходимо за огъване на материал до точка, в която той не може да се върне в първоначалната си форма.
  • Крайна сила - Това е количеството сила, необходимо за разбиване на материал. Това е точката, при която рамката на велосипеда се счупва, обикновено с опасни последици за водача.

Материали и дизайн

На велосипед, направен от стомана, тръбите ще бъдат по-тесни, тъй като стоманата има добра „крайна сила“, с много по-ниска „сила на изтегляне“. Това е добре, тъй като означава, че стоманената рамка ще се огъне добре преди да се счупи.

За разлика от това, използването на алуминий се превърна в материал за избор на рамки, поради по-малкото си тегло. Алуминият обаче има устойчивост на „добив“ много близо до своята „максимална якост“. С други думи, той е доста крехък и склонен към счупване. Така производителите на рамки реагираха, като изградиха алуминиеви велосипеди с по-широки тръби и по-дебели заварки, за да намалят „напрежението“ и възможността за счупване на рамката.

Други материали, като въглеродни влакна и титан, имат качества като: леко тегло, висока еластичност, висока "максимална якост", относително ниска якост на "ефективност". Това означава, че рамките, направени от тези материали, трябва да бъдат добре проектирани, за да бъдат достатъчно твърди, за да издържат на силите на педалите.

Докато диамантеният дизайн е принцип на повечето мотори, построени днес, някои конструктори на рамки експериментират с нови вариации на този класически дизайн. Например, някои рамки от въглеродни влакна се изработват с овални тръби, което прави мотоциклета по-аеродинамичен. Новите мотори с пълно окачване са модифицирали диамантения дизайн, за да позволят голям удар да се монтира на седалката (тръбата). Повечето от промените в дизайна обаче са по-фини и са свързани с максимизиране на производителността за различни видове терени или предназначения.

Велосипедите са пълни с щастие, здраве и ефективност, но също така и зъбни колела, лостове, лагери, сили, контра сили, инерция, инерция, въртене, триене, тяга, жироскоп и много други изящни неща.