Двухмассовый коньковый велосипед
Теоретическая модель велосипеда
Фотография физической реализации
Деталь передней части

Двухмассовый коньковый велосипед (TMS) — это теоретическая модель, созданная группой исследователей из Корнелльского университета , Висконсинского университета в Стауте и Делфтского технологического университета , чтобы показать, что для самоустойчивости велосипеду недостаточно и не обязательно иметь гироскопические эффекты или положительный след . [1] [2] [3] Аспекты двухмассового и конькового хода модели были выбраны для исключения параметров конструкции, чтобы можно было легче проанализировать оставшиеся девять — расположение масс и геометрию рулевого управления. [1] Вместо полных тензоров инерции общая масса велосипеда сводится всего к двум точечным массам , одна из которых прикреплена к задней раме , а другая — к передней вилке . [1] Вместо вращающихся колес неголономные контакты с землей обеспечиваются коньками малого радиуса . [1]

История

Самоустойчивость велосипедов была отмечена еще в 1876 году. [1] Эммануэль Карвальо в 1897 году и Фрэнсис Уиппл в 1899 году разработали уравнения движения велосипеда, которые продемонстрировали эту самоустойчивость. [1]

В 1970 году Дэвид Джонс объяснил в Physics Today , как он экспериментировал с традиционным велосипедом, чтобы увидеть, сделает ли отмена гироскопического эффекта переднего колеса непригодным для езды. Он добавил второе, вращающееся в противоположном направлении переднее колесо, которое не касалось земли. Он сообщил, что его конкретный велосипед больше не мог стоять без ездока, но он все еще мог легко на нем ездить, и он даже мог едва-едва ездить на нем без рук. [4] Он больше не был самоустойчивым, он все еще был управляемым, но его уже было нелегко контролировать. Джонс также попробовал увеличить трейл, перевернув переднюю вилку, и обнаружил, что самоустойчивость резко возросла, но это сделало езду более трудной — «он был слишком устойчив, чтобы им управлять». [4] Наконец, он сделал велосипед с отрицательным трейлом, добавив передние удлинители к концам вилки, и обнаружил, что у него была незначительная самоустойчивость и «на нем действительно было очень сложно ездить, хотя и не так невозможно, как [он] надеялся». [4] Оценив, какие модификации сделали езду на велосипеде легкой, как с руками, так и без них, Джонс пришел к выводу, что гироскопические эффекты менее важны для устойчивости велосипеда, чем след.

Научная и популярная литература продолжала сообщать, что положительный след, также называемый следом кастера, [1] необходим для устойчивости, [5] [6] хотя не всегда проводилось четкое различие между самоустойчивостью и управляемостью . Исследователи, которые разработали двухмассовый коньковый велосипед, сосредоточились исключительно на самоустойчивости, хотя они упоминают, что «управляемая велосипедистом устойчивость велосипедов действительно связана с их самоустойчивостью». [1]

Подразумеваемое

Существование TMS и демонстрируемая им самоустойчивость говорят о том, что диапазон проектирования пригодных для езды велосипедов больше, чем считалось ранее. [7] [8] [9] Например, управление задним колесом может быть не таким уж невозможным, как утверждалось. [1] [10] В случае велосипеда TMS авторы объясняют, что центр масс передней сборки находится ниже, чем центр масс задней рамы, поэтому он быстрее падает при наклоне; и он находится перед осью рулевого управления, поэтому он имеет тенденцию поворачивать переднюю часть в направлении наклона. [1]

Они приходят к выводу:

Как правило, мы обнаружили, что почти любой самоустойчивый велосипед можно сделать неустойчивым, неправильно отрегулировав только след, или только гироскоп переднего колеса, или только положение центра масс передней сборки. И наоборот, многие неустойчивые велосипеды можно сделать устойчивыми, соответствующим образом отрегулировав любую из этих трех переменных конструкции, иногда необычным образом.

Физическая реализация

Был создан физический пример, который близко приближается к модели TMS и демонстрирует самоустойчивость без гироскопических эффектов от колес и без положительного следа. [1] Поскольку точечные массы не существуют в природе, модель может только аппроксимировать их кусками плотного материала (свинца), установленными на раме из легких материалов (углеродного волокна и алюминия). Чтобы предотвратить опрокидывание велосипеда всего с двумя массами, как показано выше, вперед, третья масса расположена чуть выше пятна контакта заднего колеса, где она не меняет динамику. Вместо коньков используются колеса малого радиуса, которые приводят в движение почти идентичные колеса, вращающиеся в противоположных направлениях, для обеспечения неголономного контакта с землей с минимальным гироскопическим эффектом. Этот физический пример близко имитирует самоустойчивость теоретической модели. [1]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghijkl JDG Kooijman; JP Meijaard; JM Papadopoulos; A. Ruina; AL Schwab (15 апреля 2011 г.). «Велосипед может быть самоустойчивым без гироскопических или кастерных эффектов» (PDF) . Science . 332 (6027): 339–342. Bibcode :2011Sci...332..339K. doi :10.1126/science.1201959. PMID  21493856. S2CID  12296078 . Получено 15.04.2011 .
  2. ^ «Почему движущийся велосипед остается в вертикальном положении?». ION Publications LLC. 15 апреля 2011 г. Получено 15 апреля 2011 г.
  3. ^ "Пятничная научная загадка: Почему движущиеся велосипеды не опрокидываются?". CBS News . 15 апреля 2011 г. Получено 16 апреля 2011 г.
  4. ^ abc Jones, David EH (1970). "Устойчивость велосипеда" (PDF) . Physics Today . 23 (4): 34–40. Bibcode :1970PhT....23d..34J. doi :10.1063/1.3022064 . Получено 2011-04-15 .
  5. ^ Леннард Зинн (2004). Zinn's Cycling Primer (PDF) . Velo Press. стр. 149–153 . Получено 15.04.2011 . Эти три других критерия могут работать в сочетании с выносом вилки для повышения устойчивости, но они не являются обязательными, как вынос вилки.
  6. ^ J. Lowell; HD McKell (декабрь 1982 г.). "The Stability of Bicycles". American Journal of Physics . 50 (12): 1106–1112. Bibcode :1982AmJPh..50.1106L. doi :10.1119/1.12893 . Получено 16.04.2011 . Наиболее важным параметром, определяющим устойчивость, является кастор переднего колеса, как было предложено Джонсом
  7. ↑ Джон Мэтсон (14 апреля 2011 г.). «Велосипед, созданный для никого: что делает велосипед без ездока устойчивым?». Scientific American . Получено 15 апреля 2011 г.
  8. ^ Девин Пауэлл (14 апреля 2011 г.). «Как велосипеды сохраняют резину на дороге». Science News . Получено 15.04.2011 .
  9. ^ Майк Айзек (15 апреля 2011 г.). «Исследования беспилотных велосипедов могут привести к созданию лучших колес». Wired . Получено 15 апреля 2011 г.
  10. ^ Ванни, Эрик (2005). «Велосипед с задним управлением» . Проверено 15 апреля 2011 г.
  • О велосипеде TMS в TUDelft
  • О велосипеде TMS в Корнеллском университете
  • Обсуждение в блоге Дэйва Молтона велосипеда TMS с ответами автора оригинальной научной статьи
  • Обсуждение в блоге автора Bicycle Quarterly о велосипеде TMS с ответами автора оригинальной научной статьи
  • Видео о научной пятнице
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Двухмассовый_скейтовый_велосипед&oldid=1243371021"