Чому не падає великий: Потрясіння підвалин

І вчені, і всі інші вважають, що їм цілком зрозуміло, чому конструкція велосипеда дозволяє йому зберігати відмінну стійкість. Однак нехитрий експеримент спростовує стандартні теорії.

Вважається, що в збереженні балансу велосипеда найважливішу роль відіграють два механізми. Перший - автоматичне підрулювання: якщо велосипед нахиляється в якусь сторону, переднє колесо саме повертається туди ж; починає повертати весь велосипед, і відцентрова сила повертає колесо в початкове положення. Воно також повертається і при їзді по прямій, після випадкового відхилення в бік. Таке підрулювання пов'язане з конструкцією передньої вилки, осі обертання керма: якщо подумки продовжити її вниз, то вона перетнеться з поверхнею землі перед точкою, в якій її стосується саме колесо - між ними з'являється кут (кастор), що надає стабілізуючий ефект і при виникненні спрямованих у бік сил колесо прагне повернутися у вихідне положення. Другий механізм пов'язують з гіроскопічним моментом обертових коліс.

Все досить просто - проте американський інженер Енді Руїна (Andy Ruina) з колегами взялися спростувати обидва твердження. Вони сконструювали велосипед, в якому ефекти і того, і іншого механізму нівельовані. На відміну від усіх «справжніх» велосипедів, у цього переднє колесо стосується опори перед точкою перетину з нею осі передньої вилки, що «скасовує» дію кастора. А крім того, і переднє, і заднє колеса пов'язані з двома іншими, що обертаються в зворотний бік і тим самим обнуляють гіроскопічний ефект.

Звичайно, зовні вся ця машинка нагадує скоріше якийсь кастом-байк (читайте про них: «Не поспішаючи») або навіть самокат, а не традиційний велосипед: колеса маленькі, сідла немає... Але тим не менш, конструкційно це, все-таки, велосипед, з яким можна експериментувати. Взяти і підштовхнути - і подивитися, як швидко він впаде на бік! Як не дивно - не так вже й швидко; по суті, рівновагу він тримає не гірше звичайного велосипеда, він навіть демонструє те ж автоматичне підрулювання.

За результатами експерименту автори роблять однозначний висновок: обидва ефекти - і кастора, і гіроскопа - відіграють важливу роль у збереженні балансу велосипеда, але обидва вони не є критично важливими для нього. Зауважимо, що конструкції велосипедів без гіроскопічного моменту вже тестувалися раніше, але спростування найважливішої ролі кастора у збереженні балансу велосипеда виконано вперше, і досить наочно.

Так чому ж велосипед не падає? Мабуть, ключову роль у цьому відіграє особливий розподіл навантаження: центр маси в передній частині розташований істотно нижче, ніж у задній. В результаті переднє колесо завалюється швидше заднього, а оскільки вони жорстко зв'язані по вертикальній осі, переднє колесо замість того, щоб просто нахилитися набік, розвертається в ту ж сторону, виправляючи положення велосипеда.

Публікація ScienceNOW