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

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

"¿Por qué esta bicicleta conduce las cantidades adecuadas en los momentos adecuados para asegurar la autoestabilidad?" pregunta el papel. "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 podría ubicar 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 tienen la consecuencia imaginada popularmente.

En cuanto a permanecer erguido sobre un rodillo, eso no está cubierto por el artículo, sin embargo, sí analiza lo que sucede cuando envía una bicicleta por la calle sin nadie en ella; aparentemente, el peso y los ajustes de dirección realizados por el ciclista 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, corregirá la tendencia a caer hacia un lado.

Es probable que el efecto giroscópico de las ruedas por sí solo 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 a los 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 la que comienza a inclinarse, lo que la mantiene erguida. La razón se ilustra mejor a través de un concepto conocido como contradirección.

La contradirección es la forma en que giran todos los vehículos de dos ruedas. Cuando quieras girar hacia la izquierda, giras 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. El manubrio luego comienza a girar hacia la izquierda para seguir el giro.

Cuando llega el momento de parar el giro, giras el manillar un poco más a la izquierda. Eso empuja 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 ciclistas pueden pasar desapercibido el efecto de contradirección. 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 carril que provoca. Si traza una línea imaginaria a través del eje de la horquilla hasta el suelo, tocará 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 del camino tratando 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 que se inclina la bicicleta.

Así que todas estas fuerzas se suman. El rastrillo en la horquilla hace que la bicicleta quiera ir en línea recta. Y cuando se siente un bache 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 luego enderezará la bicicleta debido a la contradirección.

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

Las fuerzas giroscópicas ayudan pero no son esenciales.

Ha habido algunas investigaciones más recientes sobre esto: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

Anteriormente se pensaba que las ruedas giratorias de la bicicleta brindaban estabilidad a través de efectos giroscópicos; y que la 'pista' (la distancia en la que el punto de contacto de la rueda delantera va 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 de seguimiento, 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 Proceedings of the Royal Society de 2007 (doi: 10.1098/rspa.2007.1857), se desarrolló un modelo matemático con alrededor de 25 parámetros físicos en ese momento que parecía predecir si, y a qué velocidades, un diseño particular de bicicleta sería estable.

Los autores diseñaron y construyeron una bicicleta Two Mass Skate, con ruedas pequeñas y contrarrotantes, lo que significa que no hay efecto giroscópico del que hablar, y un pequeño rastro negativo (en otras palabras, donde el punto de contacto de la rueda delantera es ligeramente por delante del eje de dirección). Sin embargo, la bicicleta se mantuvo estable cuando se movía.

Este video de 7 minutos brinda una explicación de la estabilidad de la bicicleta y analiza los efectos giroscópicos, de avance y de dirección. En particular, muestra ejemplos de bicicletas (sin ciclista) 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 ciclista.

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

1. Cantidad de recorrido de la rueda delantera (es decir, diseño de la 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 hacia una caída, exhibiendo así un comportamiento de autoestabilización. Este comportamiento de dirección automática permitiría que una bicicleta sea estable sobre rodillos o se mueva sobre el suelo.

Debido a que la estabilidad se logra a través del equilibrio de múltiples factores, demasiado de cualquier factor puede hacer que un diseño sea inestable (p. ej., por una corrección excesiva). Además, no todos los factores tienen el mismo impacto. Algunos factores por sí solos pueden ser suficientes para que una bicicleta sea estable por sí sola en ausencia de los otros factores (p. ej., 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 recorrido , pero agregaban masa frente al eje de dirección (es decir, bolsas delanteras que transportaban equipo) 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.

Con la ayuda de las características de autoestabilidad, como se señaló anteriormente, la razón básica por la que una bicicleta se mantiene erguida mientras la conduces es que te equilibras activamente al mantener los puntos de contacto de la bicicleta debajo de tu centro de masa. Mientras conduce, realiza sutiles movimientos de giro para mantener la bicicleta debajo de usted: cuando la bicicleta cae hacia la izquierda, gira a la izquierda, lo que mueve la rueda delantera y vuelve a colocar la bicicleta debajo de usted. En los rodillos, puede ver esto como la bicicleta moviéndose hacia adelante y hacia atrás a través del rodillo, y cuando no puede hacer eso, se cae.

Puedes hacer esto tan inconscientemente después de aprender a andar 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, quita la rueda delantera. Sostenga el eje con ambas manos y gire la rueda. Ahora trata de 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 retrocede. 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 usando un neumático de bicicleta.

Debería ser tan simple como esto:

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