¿Se mantendría una bicicleta en posición vertical si se moviera en una cinta rodante y por qué?

Porque puedes mover la bicicleta de izquierda a derecha, como cuando vas en bicicleta, para equilibrarla.

Si te estás moviendo o no, no importa, solo que tus ruedas estén girando para que la dirección funcione.

Cuando comienzas a caer hacia un lado, te estás inclinando efectivamente en un giro. Debido a que la zona de contacto de la rueda delantera se arrastra ligeramente detrás del centro del tubo de dirección, inclinarse hace que el tubo de dirección gire en un ángulo más agudo que el radio del giro dado por la cantidad de inclinación. Debido a que los manubrios se giran en un giro más cerrado, la bicicleta comienza a girar debajo del centro de masa de la bicicleta y el ciclista. Esta animación del artículo sobre dinámica de bicicletas y motocicletas de Wikipedia muestra este proceso.

Básicamente, las bicicletas se autoadrizan porque siempre giran (o giran) para permanecer debajo del centro de masa del ciclista. A velocidades lentas, el tejido se nota como en la animación. A velocidades más altas, el tejido se volverá tan rápido y pequeño que el ciclista no lo notará. En presencia de fuerzas adicionales en la rueda delantera (como una superficie rugosa o viento), a menudo se necesitan acciones adicionales del ciclista para contrarrestar estas fuerzas y mantener la rueda delantera en el ángulo necesario para mantener la bicicleta debajo del ciclista.

Este artículo del Dr. Hugh Hunt (Departamento de Ingeniería de la Universidad de Cambridge) hace cálculos sobre las fuerzas giroscópicas al andar en bicicleta y descubre que a 12 mph solo son lo suficientemente fuertes como para contrarrestar aproximadamente 2 mm de inclinación y no una contribución significativa a la estabilidad. Además, cataloga una prueba experimental en la que se usa una segunda rueda que gira en sentido contrario para cancelar las fuerzas giroscópicas, y la bicicleta no sufre una disminución notable en la estabilidad:

La razón principal no es el equilibrio, sino un fenómeno físico llamado efecto giroscópico . En principio, este es el hecho de que un cuerpo giratorio trata de mantener el eje de su rotación fijo en el espacio y también la razón por la cual una rueda giratoria permanece en posición vertical mientras gira. El efecto giroscópico hace que las cosas giratorias se autoequilibren y funcione mejor cuanto más rápida sea la rotación; por lo tanto, es mucho más difícil no caerse mientras pedalea muy lento (lo que significa que la rueda gira solo lentamente) en comparación con velocidades más altas.

Si tuvieras que equilibrar todo solo balanceándote activamente, no te quedarías despierto por mucho tiempo. Compare a los ciclistas de trial: invierten horas de práctica para equilibrarse en su bicicleta mientras están de pie e incluso entonces tienen que trabajar mucho en su bicicleta rodando o saltando ligeramente hacia adelante y hacia atrás o hacia los lados para mantener su centro de gravedad equilibrado sobre su bicicleta. No podría hacer esto en una cinta de correr si descuidara el efecto giroscópico.

Entonces, ¿qué está pasando ahora en una caminadora que te mantiene despierto? Como tiendes a inclinarte hacia un lado, el efecto giroscópico salta con un comportamiento poco intuitivo: si aplicas una fuerza perpendicular al eje de rotación (que es lo que haces cuando intentas inclinar la bicicleta), el giroscopio reacciona con esto. otra fuerza que es perpendicular tanto al eje de rotación como a la fuerza inicial. Entonces, si considera que el eje de rotación es paralelo al suelo (y perpendicular al plano de la rueda) y la fuerza de inclinación perpendicular al suelo, la fuerza resultante será perpendicular a ambos, es decir, se encuentra en el plano de la rueda y paralelo al suelo. Esta fuerza hará que la rueda se salga de su dirección inicial, como lo hace cuando gira el manillar para girar.

Pero (y aquí viene la magia) esto nuevamente resultará en otra fuerza que nuevamente es perpendicular al suelo y, por lo tanto, una fuerza de inclinación pero en la dirección opuesta a la fuerza de inclinación inicial y, por lo tanto, hará que la bicicleta se enderece más. Esto nuevamente inducirá una fuerza de "dirección" y, siempre que la inclinación sea bastante pequeña, va hacia adelante y hacia atrás, lo que resulta en una oscilación en la que la bicicleta se inclina ligeramente hacia la derecha y hacia la izquierda, pero siempre permanece casi vertical.

Aviso de seguridad importante: como ya se dijo, es bastante poco intuitivo. Incluso si uno sabe en teoría cómo funciona, no debe tratar de sondear a la fuerza algunas de las implicaciones. Conozco a un profesor de física que se estrelló mucho al pensar que sabía cómo funciona.

La fuerza centrífuga o inercia es la razón principal que mantiene la bicicleta equilibrada. El efecto giroscópico y de rueda son menores y no suficientes por sí solos para mantener el equilibrio. Por lo tanto, es muy difícil equilibrar una bicicleta en una cinta de correr.