¿Por qué una bicicleta/bicicleta no se cae si va a gran velocidad?

Tenemos una serie de documentos sobre exactamente el tema de esta discusión, pero definido un poco más estrechamente. Es decir, ¿cómo y por qué puede equilibrarse una bicicleta?

En resumen, ¿cómo se equilibra una bicicleta en movimiento? Por una variedad de razones complicadas, gira en la misma dirección en la que cae. Y, si me disculpa el lenguaje descuidado de la física informal, debido a la trayectoria curva resultante, las fuerzas centrífugas lo empujan hacia atrás. ¿Qué razones complicadas? En parte por el rastro (o efectos de rueda), en parte por el momento angular de las ruedas giratorias y en parte por otros efectos relacionados con la geometría y la distribución de masa. Pero no existe un único mecanismo simple y necesario que conozcamos. Por ejemplo, nuestro artículo en la revista Science muestra que una bicicleta puede ser autoestable sin ruedas giratorias (sin rastro) y sin momento angular de giro de las ruedas delanteras.

Hemos escrito varios artículos y documentos de apoyo. Y tenemos en estos una cobertura bastante exhaustiva de la literatura. Así que si quieres saber lo que pensamos, lo que otros han pensado y lo que pensamos sobre lo que ellos pensaron, todo está ahí. No creo que conozca alguna referencia importante que no hayamos revisado y descrito. Puedes empezar con mi página web http://ruina.tam.cornell.edu (o google bicicleta ruina o google schwabb bicicleta.

El sitio web incluye fotos y videos que incluyen explicaciones simples de algunas de estas cosas.

La sorprendente respuesta es que la estabilidad de la bicicleta moderna tiene poco o nada que ver con la fuerza centrífuga o giroscopios o nada de eso. Busque "estabilidad de la bicicleta" en Google. Los experimentos muestran que el ángulo inclinado de la horquilla delantera es muy importante, por ejemplo, si la horquilla apunta hacia atrás, es muy difícil mantenerse erguido a cualquier velocidad.

A velocidades más altas, un ligero giro de los manubrios mueve la bicicleta debajo del centro de gravedad del ciclista más rápido, por lo que se mejora la estabilidad dinámica. Como de costumbre, el experimento corrige la teoría aquí.

Vea la respuesta de Tristan en ¿Inclinarse (ladearse) ayuda a girar en una bicicleta? también para una respuesta aún mejor

Consulte el comentario de nibot a continuación para obtener una referencia a un artículo definitivo real.

Hoy apareció un informe en Science que aborda exactamente esta pregunta: Kooijman et al., Science 332 (6027): 339-342, " A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Caster Effects ".

El resumen dice:

Una bicicleta sin ciclista puede conducirse automáticamente para recuperarse de las caídas. La opinión común es que esta dirección automática es causada por la precesión giroscópica de la rueda delantera, o por el contacto de la rueda que se arrastra como una rueda detrás del eje de dirección. Mostramos que ningún efecto es necesario para la autoestabilidad. Usando cálculos de estabilidad linealizados como guía, construimos una bicicleta con ruedas adicionales que giran en sentido contrario (cancelando el momento angular de giro de la rueda) y con su rueda delantera en contacto con el suelo por delante del eje de dirección (haciendo que la distancia de arrastre sea negativa). Cuando se le molesta lateralmente por rodar en línea recta, esta bicicleta se recupera automáticamente para viajar en posición vertical. Nuestros resultados muestran que varias variables de diseño, como la ubicación de la masa frontal y la inclinación del eje de dirección, contribuyen a la estabilidad en formas complejas que interactúan.

También hay una propaganda en ScienceNOW que puede leer sin suscripción.

Aquí hay una preimpresión de lectura gratuita .

Lo siento, pero la forma en que se trata este tema en la discusión a continuación es un completo y vergonzoso desastre. Algunas de las respuestas a continuación son una completa tontería, y la respuesta más competente con diferencia (de Andy Ruina) tiene una de las puntuaciones más bajas, siendo la respuesta con la puntuación más alta la mayor parte incorrecta.

Primero, la respuesta directa a la pregunta original es el efecto debilitador de la estabilización de la conservación del momento angular a velocidades decrecientes, y no es necesario decir nada más en lo que respecta a esa pregunta.

En segundo lugar, la pregunta más general de qué estabiliza una bicicleta se responde de manera más completa en el material del sitio web de Andy Ruina (quien admitió que se retrasó en su publicación). Para resumir, este es un tema no trivial, pero es posible realizar un análisis riguroso con un poco de esfuerzo, y dicho análisis ha sido realizado, sobre todo, por el grupo de Ruina en Cornell. Su análisis de estabilidad muestra claramente el efecto de una serie de factores de la geometría de la bicicleta. Y, sí, por supuesto, el ángulo de dirección y la inclinación también juegan un papel, así como otros factores.

Observo que Ruina incluso proporciona una pieza de software ( JBike6 ) que las personas pueden usar para realizar tales análisis de estabilidad por sí mismos. Aquí hay un ejemplo de su salida:

Podemos ver claramente cómo uno de los valores propios cruza a la región inestable a medida que se reduce la velocidad de la bicicleta. En este caso, la bicicleta se vuelve inestable a una "velocidad de oscilación" de aproximadamente$5.3\,\mbox{m/s}$.

En general, son posibles diferentes modos de inestabilidad. A modo de ejemplo, pueden surgir modalidades adicionales de inestabilidad cuando hay un ciclista conduciendo la bicicleta. Por ejemplo, ciertas bicicletas de carretera también experimentan inestabilidades a alta velocidad (el llamado "bamboleo a alta velocidad"), que se deben a la interacción del ciclista con la bicicleta. En este caso, la flexibilidad del marco es un factor importante. Una de mis bicicletas de carretera hizo esto a velocidades superiores a$40\,\mbox{mph}$. No es divertido...

Cuando caminas sobre zancos o patinas, no te equilibras teniendo mucho cuidado. Ni siquiera equilibras. Continuamente pierde el equilibrio y sigue moviendo su punto de apoyo para detener su caída en una dirección y comenzar a caer en otra.

Si estás en una bicicleta moviéndose muy lentamente, haces lo mismo. Sigues moviendo tu punto de apoyo hacia la izquierda o hacia la derecha para detener tu caída en esa dirección. Si se mueve lentamente, se necesita más movimiento de dirección para lograr esto, por lo que "se mueve". A mayor velocidad, se necesita menos movimiento de dirección para hacerlo. Eso funciona incluso en ausencia de precesión giroscópica, ángulo de avance o inclinación. Solo mire un scooter con ruedas pequeñas, una bicicleta de esquí o un monociclo.

Ahora, agregue el ángulo de inclinación. Girar el manillar hacia la derecha mueve el punto de apoyo hacia la izquierda, incluso si te mueves muy lentamente, eso ayuda.

Ahora, cambie a una motocicleta de alta velocidad con una rueda delantera giroscópica agradable y pesada. Cuando viaja a buena velocidad, esa cosa hace precesión, sin importar lo que diga la gente, y su precesión va exactamente de la manera correcta para mantener poderosamente la estabilidad.

Así que no es un trato de una sola explicación de todo o nada.

Fuente

Partes importantes a las que acceder en caso de fallo de un enlace:

Una bicicleta permanece en posición vertical incluso si el usuario quita las manos del manillar, renunciando efectivamente a su capacidad de dirección. De hecho, una bicicleta ni siquiera necesita un ciclista: las bicicletas se equilibran perfectamente sin nadie sobre ellas, siempre que se muevan lo suficientemente rápido (entre ocho y 13 millas por hora, una velocidad relajada).

Una segunda explicación puede venir a la mente, para aquellos que han aprendido algo de física en la escuela secundaria: las ruedas giratorias evitan que la bicicleta se caiga.

Los objetos giratorios, como las ruedas de una bicicleta, son estables y cuanto más rápido giran, más estables se vuelven. Este efecto giroscópico, como lo llaman los físicos, explica por qué los trompos y los yo-yos se comportan de la forma en que lo hacen.

Sin embargo, no explica la estabilidad de la bicicleta. Las ruedas de las bicicletas son bastante livianas y no generan suficiente inercia para superar incluso una ligera inclinación. Además, si bien una bicicleta puede permanecer estable sin un ciclista, eso es solo cuando viaja hacia adelante. Empújalo hacia atrás a velocidades similares y rápidamente se cae. Si el efecto giroscópico fuera un factor contribuyente importante, esto probablemente no sucedería.

Para asegurarse de que este efecto no fuera necesario, un grupo de trabajo de la Universidad de Cornell construyó una bicicleta con dos ruedas adicionales. Estos no tocaron el suelo; simplemente giraban en la dirección opuesta a las ruedas principales de la bicicleta, eliminando cualquier efecto giroscópico.

Esta bicicleta no giroscópica, que se parece más a un scooter, se mantuvo autoestable. Además, una vez que la bicicleta estaba en movimiento, los experimentadores la empujaron hacia un lado en un intento de derribarla. No pudieron; la bicicleta se corrigió sola.

En parte a través de esta investigación, los físicos han llegado a una explicación de por qué las bicicletas no se vuelcan: siempre giran hacia la dirección en la que caen. Cuando la bicicleta comienza a inclinarse hacia un lado, la rueda delantera gira en esa misma dirección, lo que evita que la bicicleta se caiga. Esto se puede verificar bloqueando el manillar para que la bicicleta no pueda girar. Cuando haces esto y le das un empujón a la bicicleta, se vuelca. Bien, entonces esta autoestabilidad tiene que ver con la forma en que la bicicleta gira en la dirección en la que cae. Pero ¿por qué hace eso?

Ahí es donde las cosas se ponen realmente complicadas. En lugar de una simple explicación, los científicos han desarrollado una fórmula que determina si el diseño de una bicicleta tendrá o no este atributo esencial. En la medida en que se ha probado, la fórmula funciona. Desafortunadamente, no es una ecuación simple de dos o tres variables: requiere 25 características diferentes de la bicicleta para hacer una predicción.

El concepto básico (al menos, como lo he escuchado) es el momento angular. Cuando la rueda de una bicicleta gira, tiene una cantidad de momento angular proporcional a su velocidad de rotación, asociada con el plano de rotación de la rueda. Esto hace que actúe básicamente como un giroscopio: "resiste" cualquier cambio en la cantidad o dirección de ese momento angular, en el mismo sentido que la masa "resiste" cualquier cambio en la cantidad o dirección de su velocidad. Básicamente, esto ralentiza el vuelco de la bicicleta hasta el punto en que puede evitarlo presionando hacia abajo el pedal del lado opuesto.

La respuesta es "Fuerza centrífuga"

Cuanto mayor sea tu velocidad, mayor será también esta fuerza.

Puede notar que cuando gira a la izquierda, la pendiente de su bicicleta se inclina hacia el lado izquierdo. Y la fuerza contrifugal no te deja caer (cuando tu ángulo de dirección es constante, al final la bicicleta hará un círculo). Luego, cuando haces que tu bicicleta gire más a la izquierda, tu bicicleta vuelve al equilibrio porque aumentas esa fuerza (proviene de la ecuación).

Cuando su velocidad es menor, la fuerza contrifuga es menor y la bicicleta es más difícil de manejar, por lo que puede caer más fácilmente.

la respuesta de oneat es correcta (habría comentado pero creo que voy a necesitar más espacio)

Imagina un vector (línea) que comienza en tu centro de gravedad. La línea representa todas las fuerzas que actúan sobre ti. Cuando estás parado, la dirección de la línea es hacia abajo (la gravedad es la única fuerza presente).

Para no caerte cuando estás parado en una bicicleta, debes mantener el punto donde la línea se cruza con el suelo (llamémoslo punto A ), entre las dos ruedas de la bicicleta. Si no lo hace, comenzará a volcarse.

Cuando está parado, la única forma de afectar ese punto es mover su centro de gravedad, lo que hace al cambiar su peso.

Ahora digamos que te estás mudando. Si te mueves en línea recta, a una velocidad constante, todo es igual, la única fuerza que actúa sobre ti es la gravedad. Pero si cambias de dirección, obtienes fuerza centrífuga (como señaló correctamente oneat), la misma que obtienes cuando haces un giro brusco en un automóvil que se mueve a gran velocidad. El valor de esa fuerza es proporcional a tu velocidad, tu peso y la velocidad del giro.

Esta fuerza centrífuga se suma a la gravedad y cambia la dirección de la fuerza resultante que actúa sobre ti.

¿Recuerdas el punto A ? Si vas en bicicleta y comienza a inclinarse hacia la derecha, el punto A comienza a moverse hacia la derecha y la bicicleta se inclina aún más, y así sucesivamente. Pero, instintivamente sabes girar tu bicicleta a la derecha. Esto hace que aparezca una fuerza centrífuga, apuntando hacia la izquierda). Si el punto A todavía está entre tus ruedas, entonces estás bien.

Si se está moviendo lentamente, la fuerza centrífuga es pequeña, por lo que debe girar más bruscamente para compensar. Si te mueves rápido, es posible que solo necesites empujar un poco la bicicleta para compensar.

Se explica con más detalle aquí . (De hecho, pensé en buscarlo en wikipedia solo después de escribir esta respuesta, no tengo tiempo para leer el artículo ahora, espero no estar tan equivocado)

La respuesta es obvia por inspección. Desafortunadamente, los investigadores no se molestan en examinar el objeto de estudio, sino que crean modelos matemáticos con suposiciones que impulsan el resultado. La suposición más común es la fuerza centrífuga impulsada por la dirección de la bicicleta en arcos alternos. Luego está la absoluta arrogancia de los físicos que no estudiarán las fuerzas de los neumáticos. Es un problema de ingeniería y la física no puede responderlo. Cuando una bicicleta vuelca, se genera una fuerza de inclinación lateral en ambos neumáticos, empujando la bicicleta hacia la caída. Este movimiento lateral se suma al movimiento hacia adelante y produce un vector de dirección sesgado hacia el lado de inclinación. Cuando el plano de una rueda no está alineado con la dirección en la que se desplaza, se forma un ángulo de deslizamiento y una fuerza consecuente. Las fuerzas del ángulo de deslizamiento se oponen a las fuerzas de inclinación, pero en el neumático delantero, la fuerza del ángulo de deslizamiento hace que la rueda se alinee, a través de la pista, con el vector de dirección. Esto permite que la fuerza de inclinación empuje el extremo delantero hacia la caída mientras que la rueda trasera queda atrapada entre la fuerza de inclinación y el ángulo de deslizamiento. Estas fuerzas persisten hasta que las ruedas están alineadas con la dirección de desplazamiento. A medida que aumenta la velocidad, los ángulos de deslizamiento se vuelven más pequeños y menos importantes, ya que la bicicleta permanece erguida sin dirección y apoyada solo por la inclinación.