¿Qué causa que la parte trasera de una bicicleta se levante cuando se aplica el freno delantero?

Al aplicar los frenos, la rueda deja de girar con respecto al cuadro de la bicicleta pero no con respecto a la carretera. El centro de masa de la bicicleta (especialmente con un ciclista presionando contra el manillar) está más alto que el cubo de la rueda delantera.

Cuando se aplican los frenos, esa masa tiene impulso hacia la parte delantera de la bicicleta que ejerce una fuerza sobre la rueda delantera para girar hacia la parte delantera de la bicicleta. Como la rueda todavía puede girar en la carretera, lo hace, pero como la rueda y la bicicleta están bloqueadas, la bicicleta gira con la rueda delantera.

El centro de masa de la moto+ciclista quiere seguir avanzando (primera ley de Newton)

Dado que el centro de masa está más alto en la bicicleta, cuando avanza, la bicicleta pivota alrededor del punto donde la rueda delantera se pega a la carretera.

Imagine atar una cuerda al centro del bloque de madera y tirar de él hacia adelante, mientras que la rueda delantera está pegada al suelo.

Hay un método simplificado de "trampa" para pensar en esto.

La forma difícil es dibujar un diagrama de cuerpo libre de la bicicleta, en el que todas las fuerzas que actúan sobre ella queden claras: la fuerza de gravedad que actúa a través de su centro de masa, la fuerza de fricción del frenado, etc.

El método de trampa consiste en visualizar la bicicleta en un marco de referencia acelerado y luego fingir que la aceleración es solo una forma de gravedad. Según la física newtoniana, la aceleración no se distingue de la gravedad.

Por ejemplo, si está parado en un tren que acelera, simplemente se inclina hacia adelante, como si estuviera parado en una pendiente. Se siente exactamente como si la gravedad hubiera aumentado e inclinado.

Entonces, la razón por la que la rueda trasera se levanta es porque, dado que está desacelerando, es como si estuviera bajando en bicicleta por una pendiente pronunciada (en un planeta donde la gravedad es un poco mayor que la de la Tierra, pero eso es irrelevante). Si está en una pendiente cuesta abajo, su bicicleta se inclina hacia adelante, de modo que su centro de gravedad se desplaza para que quede más arriba de la rueda delantera que de la trasera.

Si la inclinación es lo suficientemente pronunciada, su centro de gravedad se moverá por delante de la rueda delantera y, en ese punto, la rueda trasera se levantará.

Mientras esa fuerza siga actuando a través de la base de apoyo, la rueda trasera no se levantará. Sin embargo, también está la cuestión de cuánto soporte proviene de la rueda trasera en comparación con la rueda delantera. Incluso antes de que se levante la rueda trasera, se produce una "transferencia de peso" a la rueda delantera. La bicicleta y el ciclista se apoyan más en la rueda delantera que en la trasera, porque la fuerza imaginaria que actúa a través del centro de masa intersecta la base de apoyo imaginaria más cerca de la rueda delantera que de la trasera. Esta distribución del peso hacia la parte delantera limita la eficacia de los frenos en la rueda trasera, ya que los frenos solo pueden funcionar en la medida en que la rueda puede desarrollar fricción contra la carretera. Además, significa que nunca podrá frenar con tanta fuerza usando solo el freno trasero que la bicicleta se inclinará. Tan pronto como esté cerca del borde de la inclinación,

Si no tenemos en cuenta la resistencia del viento, hay tres puntos en los que se aplican fuerzas externas al cuerpo combinado de la bicicleta y el ciclista: los puntos de contacto de las ruedas delantera y trasera con la carretera y el centro de masa combinado. Si estas fuerzas generan un par que no es cero, la rueda trasera se levantará durante el frenado (o la rueda delantera se levantará durante una aceleración fuerte).

Si desea replicar el sistema con un bloque de madera con ruedas chocando contra una pared, use ruedas muy pequeñas. Si la rueda delantera se detiene repentinamente debido al frenado de una bicicleta, la bicicleta girará alrededor del punto de contacto de la rueda delantera. Por otro lado, si golpea la rueda delantera contra una pared, la rueda delantera se detendrá y el centro de rotación será el cubo de la rueda delantera. (Suponiendo ruedas suficientemente rígidas).

Hace algún tiempo, he creado una página web interactiva que muestra las fuerzas de un triciclo/bicicleta de frenado/aceleración en diferentes pendientes . Jugar con esa página puede ayudarte a entender (requiere SVG+CSS+Javascript).

Originalmente construí la página para un triciclo renacuajo. Para mirar una bicicleta estándar, seleccione "bicicleta vertical" en la página y luego juegue un poco con los botones +y -para la aceleración/desaceleración. Si ha entendido lo que está pasando, pruebe también los botones +y para la pendiente.-

Mi argumento ingenuo se basaría en la conservación de la energía. No escribiré ninguna ecuación. Esto es para que lo hagas.

La bicicleta + ciclista tiene energía cinética de rotación y traslación además de la energía potencial del sistema. Cuando aplica los frenos, la KE traslacional se convierte tanto en KE rotacional como en PE, lo que se manifiesta como trabajo realizado contra la gravedad. Te levantas, girando alrededor de un punto, lo que representa un cambio en el movimiento de rotación debido a un par externo (fricción).

Un experimento del mundo real muy interesante que hago todos los días (voy en bicicleta al trabajo) es ponerme de pie si deseo frenar de manera eficiente (en mi caso es solo marginalmente eficiente, pero siento la diferencia). El KE traslacional se convierte en PE y, por lo tanto, los frenos no tienen que trabajar tan duro para detener mi movimiento. Cuanto más pesada es la persona, más efectiva es la técnica.

Entonces, si eres un gordo bastardo, esta puede ser una forma útil de detenerte rápidamente.