Gyroskopische Effekte haben fast nichts mit Ihrer Fähigkeit zu tun, ein Fahrrad zu fahren

Gyroskopische Effekte haben fast nichts mit Ihrer Fähigkeit zu tun, ein Fahrrad zu fahren

Heute habe ich herausgefunden, dass gyroskopische Effekte fast nichts mit Ihrer Fähigkeit zum Fahrradfahren zu tun haben.

Das Problem mit den Kräften, die durch den Kreiseleffekt bei einem typischen Fahrrad erzeugt werden, besteht darin, dass sie nicht sehr stark sind, wenn man die Physik bedenkt, die daran beteiligt ist, dass der Großteil des Schwerpunkts des Fahrrads oben (mit Ihnen darauf) ist. Sie bilden im Grunde ein umgekehrtes Pendel, das viel schwerer zu balancieren ist als umgekehrt.

Um zu veranschaulichen, wie viel Kraft hier benötigt wird, lassen Sie eine Person auf ein völlig stillstehendes Fahrrad steigen. Versuchen Sie nun, das Rad und die Person zentriert zu halten, indem Sie einfach um die Achse eines Reifens halten. Um diese Kraft mit der Menge zu vergleichen, die durch Kreiseleffekte erzeugt wird, nehmen Sie einen abmontierten Fahrradreifen mit seitlichen Stiften und hängen Sie ihn fest. Nun muss jemand den Reifen sehr schnell drehen. Versuchen Sie, sobald sich der Reifen dreht, den Reifen auf die eine oder andere Weise zu neigen.

In diesem späteren Fall werden Sie die Kreiseleffekte spüren, aber Sie sollten in der Lage sein, dies leicht zu tun, da die Kraft, die Sie hier spüren werden, wahrscheinlich nur wenige Kilogramm oder 5-10 Pfund beträgt (obwohl es sich mit mehr anfühlt deine Arme ausgestreckt und gerade vor dir) Im vorigen Fall, wenn die Person auf dem Fahrrad sitzt, es sei denn, sie waren extrem leicht oder Sie sind Herkules, denke ich, dass Sie sie nicht annähernd im Gleichgewicht halten könnten, insbesondere wenn Ihre Arme vollständig ausgestreckt sind.

Wenn Sie das nicht überzeugt haben, werfen wir einen Blick auf die Mathematik (ein Beispiel von Dr. Hugh Hunt von der Cambridge University):

Wenn Sie mit 12 km / h (etwa 6 m / s) recht schnell fahren, dreht sich ein typisches Fahrradrad (Durchmesser 600 mm, Umfang 2 m) 3-mal pro Sekunde, was einer Schleudergeschwindigkeit von 5 m / s entspricht w = 20 Radiant pro Sekunde.

Seine Umfangsmasse herum m = 1 kg, ist am Rand konzentriert, d. H. Bei einem Radius von r = 300 mm. Das Trägheitsmoment J ist deshalb J = Herr2 = 0,1 kg m2 (nahe genug).

Angenommen, ich falle um und versuche, den gyroskopischen Effekt zu verwenden, um mich wieder aufrichten zu können. Betrachten wir ein ziemlich hektisches Wackeln des Lenkers mit einer Rate von beispielsweise sinusförmig hin und her. fGriff= 1,6 Wobbelungen pro Sekunde (entspricht einer Wobbelungsfrequenz) w Griff= 2 p fGriff = 10 Radiant pro Sekunde) und bei einer Amplitude von beispielsweise +/- 6 Grad (d. H MGriff= 6/180 · p = 0,1 Radiant).

Die Taumelbewegung ist daher TGriffMGriff Sünde(wGriff t) und diese Differenzierung ergibt eine Wobbelgeschwindigkeit von Q = wGriff. M Griff = 10 * 0,1 = 1 rad / s. Dies ist die erzwungene Präzessionsrate des als Kreisel wirkenden Vorderrades. In der Spitze befindet sich das Paar, das aufgrund von Kreiseleffekten erforderlich ist, um diese Präzessionsbewegung zu erreichen M = J w Q = 0,1 * 20 * 1 = 2 N m Das Fahrrad und ich wiegen etwa 100 kg = 1000 N, so dass mir der Kreiseleffekt nur dann hilft, wenn ich nicht mehr als 2 mm kippe, um nicht vollkommen aufrecht zu sein (1000 N * 0,002 m = 2 N m).

Daher ist der Kreiseleffekt auf einem Fahrrad, selbst bei 12 Meilen pro Stunde, praktisch nichts im Hinblick auf das, was erforderlich wäre, um Sie aufrecht zu halten. Wie fallen Sie also nicht alle zwei Sekunden auf Ihrem Fahrrad um?

Das liegt zum Teil einfach daran, dass Sie ausgeglichen sind. Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass es schwierig ist, auf einem Fahrrad im Stand zu bleiben. Wenn Sie anfangen, sehr langsam zu laufen, werden Sie feststellen, dass Sie natürlich große Lenkkorrekturen vornehmen, um sich im Gleichgewicht zu halten. Dies ist in der Tat die Hauptsache, die Sie auf einem Fahrrad bei jeder Geschwindigkeit aufrecht hält, nämlich korrigierende Lenkung. Wenn Sie ein Ungleichgewicht in eine Richtung spüren, werden Sie dazu gezwungen, das Fahrrad in diese Richtung zu lenken, um die Kompensation zu erreichen. Die resultierende Zentripetalkraft führt dazu, dass Sie wieder ausgeglichen werden, vorausgesetzt, Ihre Anpassung war die richtige Kurve, wenn Sie die Geschwindigkeit und andere Faktoren berücksichtigen . Wenn Sie umgedreht sind, müssen Sie eine weitere Korrektur vornehmen, um die durch Ihre Überkorrektur entstandene Unwucht auszugleichen. Je schneller Sie gehen, desto kleiner ist die Korrektur, die erforderlich ist, um Sie im Gleichgewicht zu halten.

Am Anfang sind diese Korrekturbewegungen relativ groß und werden oft überkompensiert, da Ihr Körper noch Fahrradfahren lernt. Deshalb neigen Sie dazu, etwas wacklig zu sein und beim ersten Lernen viel zu ruinieren. Im Laufe der Zeit werden diese Korrekturen immer kleiner und genauer, bis Sie nicht wirklich bemerken, dass Sie sie überhaupt tun, während Sie ein Fahrrad mit extrem langsamen Geschwindigkeiten fahren (offensichtlich werden Sie sie auch bemerken, wenn Sie sich kaum bewegen und Ihr Fahrrad sich nicht bewegen) (wie oben erwähnt).

Bonus Fakten:

  • Viele Leute denken, wenn Sie zwei Reifen nahmen und sie in entgegengesetzte Richtungen drehten, hätten Sie den gleichen Kreiseleffekt, als würden sie sich in dieselbe Richtung drehen. Tatsächlich wird passieren, dass, wenn die Räder in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden, die beiden sich hinsichtlich der Kreiselwirkung auslöschen würden. Diese Tatsache wurde verwendet, um den Menschen zu zeigen, dass sie ohne den gyroskopischen Effekt problemlos Fahrrad fahren können, indem sie zusätzliche Räder montiert haben, die leicht vom Boden angehoben sind und die Reifen gegenläufig drehen.
  • Je weiter der Massenmittelpunkt für das Fahrrad vorwärts bewegt wird + die Person, die das Fahrrad fährt, desto weniger Bewegung der Vorderräder ist erforderlich, um das Gleichgewicht zu halten. Dies ist wahrscheinlich am deutlichsten bei bestimmten Motorrädern erkennbar, bei denen das Vorderrad gut vom Fahrrad absteht.
  • Ein anderer, weniger bekannter Faktor für die Fahrfähigkeit eines Fahrrads ist etwas, das als "Trail" bezeichnet wird. Einfach ausgedrückt, dies ist ein Maß dafür, wie weit die Entfernung vom Vorderradpunkt den Boden berührt, und folgt dem Kontaktpunkt der Lenkachse. Hier dreht sich der gesamte Lenkmechanismus (Gabel, Lenker, Vorderrad usw.). Bei einem längeren Trail fühlt sich ein Fahrrad viel stabiler an als ein kürzerer. Wenn der Weg jedoch zu lang ist, wird es schwer zu lenken sein. Fahrräder mit zu wenig oder gar negativer Spur fühlen sich von Natur aus instabil an. Sie können sie jedoch aufgrund der korrekten Lenkung trotzdem fahren. Aufgrund des Lenkproblems bei der erhöhten Spur haben Mountainbikes und Tourenräder in der Regel viel weniger Trail als Straßenräder. Im Fall von Mountainbikes ermöglicht dies mehr „Agilität“ auf dem Fahrrad, um unebenes Gelände auszugleichen. Im Fall von Tourenrädern kann dies die Tatsache kompensieren, dass Sie wahrscheinlich einiges an Gepäck mit sich herumpacken müssen und somit zusätzliches Gewicht auf den Boden haben. Aus diesem Grund fühlen sich Tourenräder oft als instabil an, wenn das Gepäck nicht zu Boden hinzugefügt wird.
  • Während Kreisel- und Spurkräfte nicht ausreichen, um Sie auf einem Fahrrad im Gleichgewicht zu halten, reichen sie normalerweise aus, um ein fahrerloses Fahrrad geradeaus zu fahren, bis es sich bis zu einem bestimmten Punkt verlangsamt. Dieser Wert variiert je nach Radgröße und Spurweite.
  • Etwas, das als "Gyrobike" bezeichnet wird, befindet sich derzeit in der Entwicklung, um den Menschen das Fahrradfahren zu erleichtern. Dieses Fahrrad verfügt über ein internes Schwungrad, das den gyroskopischen Effekt deutlich erhöht. Die Erfinder dieses Fahrrads hoffen dann, dass man sich dort entwickeln könnte, wo der Kreiseleffekt ausreicht, um das Fahrrad selbst mit einem Fahrer größtenteils ausbalanciert zu halten, während ein Fahrrad hinsichtlich Gewicht und dergleichen nicht zu umständlich ist.
  • An einem anderen Ort wird dieses etwas unbewusste Phänomen der „automatischen Korrektur“ auftauchen, wenn Sie versuchen, an einem Ort auf einem Fuß zu stehen. Dabei müssen Sie sich sorgfältig ausbalancieren, um nicht umzufallen. Sobald Sie anfangen zu hüpfen, haben die meisten Menschen kaum Schwierigkeiten, sich im Gleichgewicht zu halten. Dies liegt daran, dass Sie beim Hüpfen nicht nur auf natürliche Weise korrigierende Bewegungen erzeugen, sondern auch Ihren Fuß in der Nähe des Ortes aufstellen, an dem er sich befinden muss, um sich im Gleichgewicht zu halten.

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