Miks ei kuku jalgratas sõidu ajal ümber – peamised põhjused

19. sajandi lõpus, kui jalgrattaid hakati kasutama, pidi nende jaoks saama litsentsi. Moodustati mainekas komisjon, kes õpetas autosõidu teooriat ja praktikat ning väljastas numbrimärke. Kedagi ei lubatud sõidukit üle anda. Ettevaatlikkuse põhjuseks toodi välja kaherattalise mootorsõiduki juhtimisega kaasnev suurenenud risk. Tavainimene ei saa aru, miks jalgratas liikudes ümber ei kuku. Üllataval kombel ei suuda isegi füüsikud, kes uurivad rattasüsteemide toimimist, sellele lihtsale küsimusele üheselt vastata.

Teoreetiline analüüs ja füüsikakatsed on näidanud, et güroskoopiline impulss ja positiivne kahvli liikumine ei ole jalgratta stabiilsuse tagamiseks piisavad. Lisaks juhitavale roolimisele on olemas ka automaatne roolimine. Veelgi enam, koormuse jaotusel on tasakaalu säilitamisel võtmeroll. Nagu näete, avastatakse ja täiustatakse jalgratta üsna pika eluea jooksul ikka veel uusi omadusi.

Miks jalgratas ei kuku ümber, kui ta sõidab

Lihtne ülesande selgitamiseks kasutatakse sageli metafoori: “see on sama elementaarne kui jalgrattaga sõitmine”. Tegelikult tuleb hoida transpordivahendeid kukkumast. Alguses arvati, et jalgratas sõidab sõitja kulul. Inimene tajub konstruktsiooni kallet, keerab juhtrauda veidi kukkumise suunas ja tasandab sõidu. Kuid suurel kiirusel saavutab jalgratas stabiilsuse ja ei kuku isegi siis, kui juhtraud vabastatakse. Hiljem esitati hüpoteese esiratta güroskoopilise tegevuse ja roolimise kohta. Kuid selgus, et ka juhitamata jalgrattad ja robotjalgratturid ei lange.

Peamine küsimus stabiilsuse põhjuse kohta on: mis põhjustab sobiva suhte lahja ja pöörde vahel? On olemas üldtunnustatud seisukoht: efekt tekib pöörlemismomendi (güroskoopilise) ja positiivse kahvli ulatuse tagajärjel. Esiratta stabiliseeriv toime ja tsentrifugaaljõud, mis on tingitud liikumise kõrvalekaldumisest sirgjoonelt, on vajalikud tegurid jalgratta tasakaalu saavutamiseks.

Füüsika seisukohalt

Teadlased on tuvastanud mustri, mis hoiab kaherattalised sõidukid stabiilsena. Esikahvel on kesksel kohal. Kokkulepe hõlmab juhtraua telje kallutamist maapinna suhtes. Ristumiskoht asub jalgratta ja tee kokkupuutejoone ees. Kui puksiiri nurk kaldub seadistatud väärtusest kõrvale, tekib reaktsioonijõud, mis toob transporteri tagasi asendisse. Nii aitab jalgratas ise tasakaalu hoida.

Pöörde tegemiseks peab rattur muutma raskuskeskme. Näiteks kui jalgratas on nurga all paremale, on ka esi telg nurga all paremale ja ratas, mis pöörleb päripäeva (altpoolt vaadatuna), annab osaliselt reaktiivse pöördemomendi üle roolimehhanismile. Tsentrifugaaljõud kipub rooliratast paremale pöörama. Pöörde tegemiseks kaldub jalgrattur vasakule, suunates jalgratta ja rattad paremale.

Teine tegur, mida kasutatakse sõiduki stabiliseerimiseks, on kiiruse suurendamine aeglustamisel ja roolimisel. Stabiliseeriv tegevus toob rattad õigesse asendisse ja hoiab jalgratta ümbermineku eest. Kogenud jalgrattur kasutab oma käte kinnituskohti, et juhtida 2-3 mm tee peale.

Güroskoopiline efekt

Tasakaaluteooria põhineb tuntud füüsikalisel nähtusel, mida kasutatakse kosmoses, lennunduses ja meresõidu navigatsioonis. Pöörleva objekti omadust säilitada oma liikumissuunda nimetatakse güroskoopiliseks jõuks. Seda tegevust on näha jalgrattaga sõites, kui see on kallutatud. Niikaua kui rattad pöörlevad, hoiab sõiduk tasakaalu ja ei kuku kunagi ümber. Näiteks juuliku või lapse helikopter “töötab” ainult siis, kui see pöörleb. Hüpoteesi testimiseks lõid füüsikud spetsiaalse jalgratta disaini. Eespool oli paigaldatud lisaratas, mis ei puudutanud maad ja pöörles vastupidises suunas. Eksperimendi tulemus üllatas teadlasi. Jalgratas liikus ideaalselt ja ei kukkunud ilma güroskoobita.

Seega, olles kinnitanud peamisi tegureid, mis mõjutavad liikuva kaheratta stabiilsust, arutavad teadlased endiselt uusi versioone.

Huvitavad faktid

V.A. Jakubovitš

1. Matemaatilise teooria, mis seletab jalgratta stabiilsust liikumises, esitas doktor V. A. Jakubovitš. Teadlane selgitas, miks ei ole kunagi loodud jalgratast juhtivat autonoomset robotit. Internetis leviv teave mehaaniliste jalgratturite kohta osutus võltsinguks. Küberneetiku lähemal vaatlemisel ilmnesid mitmed trikid. Leiutajad kinnitasid raskused, et suurendada konstruktsiooni stabiilsust, alandasid raskuskeskme ja kiirendasid sõiduratta suurele kiirusele.

Teadlase vastased tõestavad vastupidist. Robot õpib väga kiiresti. Sellepärast, et selle ülesanded on suhteliselt lihtsad: sa pead lihtsalt õppima, kuidas tasakaalu hoida. Sellel on võime, mida inimestel ei ole: see reageerib koheselt ja “tõmbab” ratast 5 korda sekundis.

2. Ilma juhita jalgratas suudab end automaatselt juhtida, et mitte ümber kukkuda,” väidavad USA teadlased. Tänu lineaarsetele stabiilsusarvutustele on teadlased projekteerinud jalgratta, mille lisarattad pöörlevad vastassuunas ja mille juhtraua asend on negatiivne.
3. Psühholoogide seisukoht erineb füüsikute omast. Jalgratta energiaallikad on sõitja peas. Inimese aju teeb kõvasti tööd, et me ei kukuks ümber. Oskus ja oskus peitub alateadlikes hoiakutes, mis hoiavad jalgratturi tasakaalus.

Kokkuvõte

Tõendid kinnitavad güroskoobi ja rattaratta tähtsust jalgratta stabiilsuse säilitamisel sõidu ajal. Kuid puudub selge seletus, miks jalgratas ei kuku ümber, kui sa sõidad. Võib-olla on olemas täiendav jõud, mille mõistmine on ajutiselt väljaspool praeguseid teadmisi.