Профессиональное обучение
(сборник учебников по профессиям)

Современный
велосипед

       

Trail, выкат, или что почем?

Слегка разобравшись с устойчивостью, помыслим теперь и об управляемости. Положим, что байкер до руля не дотрагивается, катит себе «без рук». Устроим маленький эксперимент: поставим правильный велосипед вертикально на оба колеса и, держа его за раму, наклоним чуть в сторону. Мы увидим, что руль сам повернется в ту же сторону. Именно поэтому байкер, едучи без рук, успешно сохраняет равновесие и может поворачивать. Причина проста - она в конструкции передней вилки и рулевой колонки.

Есть две очень важные точки, от положения которых зависит характер байка: будет он управляем и устойчив или наоборот. Итак, это точка «А» -место контакта переднего колеса с дорогой и точка «В» — пересечение оси рулевой колонки с той же дорогой. Взаимное положение этих точек определяет, куда повернется руль при наклоне велосипеда, а так же курсовую устойчивость байка, его управляемость, стабильность на виражах и многое другое. Все велосипеды можно разделить на два типа: ВА и АВ (см. рис. ).

Тип « АВ», у которого точка «А» контакта переднего колеса с дорогой расположена впереди точки «В» - оси вращения колеса (рис. а). Так как точка «А» служит местом приложения силы трения и лежит впереди оси вращения колеса «В», то велосипед при качении «без рук» будет мгновенно складываться пополам как ширма и с грохотом сыпаться на землю. Но и руками управлять велосипедом типа «АВ» тяжело - на вираже руль будет стремиться вывернуться наружу. Поэтому велосипедов типа «АВ» в магазинах не сыскать ни за какие деньги.

У типа «ВА» все наоборот: точка «А» лежит позади точки «В» (рис. б), и сила трения стабилизирует переднее колесо в верном положении. При наклоне байка переднее колесо будет поворачиваться в сторону наклона само, без всяких рук. Велосипед типа «ВА» будет «въезжать» под уплывший в сторону центр тяжести и автоматически возвращаться в вертикальное положение, даже при отсутствии «руководящей и: направляющей роли» человека и велосипедиста. А на вираже байку надо только немного помочь, направить его в нужном направлении, и все будет хорошо!

Теперь пару слов о форме передней вилки. Варианты, изображенные на рис. а и б, дают нам слишком большое расстояние между точками «В» и «А», что приводит к курсовой «сверхустойчивости» велосипеда, а управляемость будет «ниже плинтуса».

На байке с такой вилкой можно прекрасно катить по прямой, но вписаться в поворот на узкой лесной дорожке будет весьма затруднительно. Поэтому для уменьшения расстояния между этими точками вилку на велосипедах изгибают вперед (рис. в). Но если вилка прямая, то меняют ее наклон относительно оси рулевой колонки или смещают вперед «петухи» (дропауты), в которых крепится ось переднего колеса (рис. б, в). Расстояние между осью рулевой колонки и осью втулки переднего колеса называют по-разному: и Rake, и Fork Offset или, в вольном переводе, наклон, смещение вилки. Величина смещения вилки обычно находится в пределах от 30 до 50 мм. Зная смещение вилки, угол наклона оси рулевой колонки и реальный диаметр колеса, легко можно подсчитать расстояние между точками «А» и «В». Это весьма важное расстояние называется Trail (след). У нас обычно переводят как «выкат» или «вылет» переднего колеса. В научной литературе иногда встречается термин «плечо устойчивости передней вилки» - очень точно, но немного длинно.

Иногда значение Trail можно найти в каталогах. Возникает вопрос, а зачем его считать? Разумный вопрос. Зная Trail, можно оценить устойчивость и управляемость велосипеда, выразить его числом, что иногда гораздо яснее и понятней, чем размахивание руками в попытке выразить свои впечатления на словах. Итак, для двухколесных велосипедов существует коэффициент курсовой устойчивости (Ку). У нормальных велосипедов Ку лежит в диапазоне 7,5-4,8%, а минимальное значение Ку ~ 5% - у гоночных шоссейников. Большая строгость в управлении в сочетании с пониженной курсовой устойчивостью позволяет на максимальной скорости проходить по немыслимым траекториям и выигрывать доли секунды на каждом вираже (как, например, у современных истребителей, которые для лучшей маневренности делают принципиально неустойчивыми - без компьютера они летать не могут). При этом гонщик вынужден управлять велосипедом с большой точностью, дабы не ехать по крутой синусоиде, и не увеличивать и без того длинную дистанцию. У байков из одной линейки с увеличением ростовки (размер «А» на схеме — расстояние от каретки до середины горизонтальной трубы) возрастает и база, а чем больше база, тем хуже управляемость. Поэтому для улучшения управляемости и маневренности у байков с длинной базой Ку делают поменьше. Но это правило соблюдается не всегда, недорогие байки могут сильно различаться по управляемости. На малом будет трудно проехать по прямой, он все норовит вильнуть в сторону, а на большом — и вовсе не повернешь. У кросс-кантрийных хардтейлов обычно длина колесной базы 100-107 см, большой Ку ~ 7%, длинный вынос и узкий руль. Курсовая устойчивость велика, и пройти крутой поворот непросто, зато байк уверенно катит прямо по неровному грунту, и меньше надо тратить сил на управление. У двухподвесов для DH и фрирайда база обычно длинная, 110-117 см, что весьма полезно на крутых склонах, короткий вынос, широкий руль и несколько меньший Ку ~ 6,8-6,3% при пологой, в 64-65 градусов вилке. Там, где катят такие байки, бывает трудно пройти пешком. Широкий руль и пологая вилка уменьшают строгость управления и облегчают пилотаж на техничных участках с мощными камнями, корнями и колдобинами. Уменьшение Ку компенсирует удлинение колесной базы и улучшает управляемость.

Колесо как датчик скольжения

Итак, переднее колесо во время движения постоянно поворачивает то в одну, то в другую сторону. Это сразу видно: прямой след от заднего колеса на дороге все время пересекается извилистым следом переднего. Это хорошо видно на схеме III рис. «Принципы баланса велосипеда». Переднее колесо (III, вид сверху) постоянно поворачивается на мгновение из стороны в сторону на определенный угол, называемый углом скольжения, и на него начинает действовать боковая сила. Эта сила зависит от габаритов шины, сцепления с дорогой и вылета переднего колеса (Trail). Причем вылет можно рассматривать как рычаг, к которому приложена боковая сила. Сила, умноженная на длину рычага, дает нам момент, который иногда называют корректирующим или восстанавливающим. Байкер, держась за руль, чувствует сцепление переднего колеса с дорогой. На скользких или мокрых дорогах восстанавливающий момент уменьшается (иногда до полного обнуления). В результате байк с малым вылетом будет сигнализировать, что дорога очень скользкая. А с большим вылетом - порождать чрезмерную уверенность, что сцепление хорошее. Кстати, опытные велосипедисты, даже если не видят поверхность дороги, как в темноте, могут почувствовать разницу в дорожном покрытии по поведению руля, за который держатся.

Задний вылет - стабилизатор движения

Переднее колесо, постоянно поворачиваясь то в одну, то в другую сторону, выполняет полезные функции, например, устойчивости и руления. Но и заднее колесо нужно совсем не для мебели. Его важнейшая задача, кроме поддержки всей конструкции на ходу, - стабилизировать движение велосипеда, усиливать его курсовую устойчивость (см. схему IV рис. («Принципы баланса велосипеда»)).

Из схемы сразу становится видно, что задний вылет - плечо устойчивости задней вилки — рычаг длиной более метра. На конце его установлено колесо с действующей на него боковой силой. Даже если эта сила мала, восстанавливающий момент получается огромным. Поэтому велосипедист в первую очередь отслеживает переднее колесо велосипеда. Даже переезжая разные препятствия (корни, бордюры, стальные рельсы, рытвины) под острым углом, достаточно зафиксировать за ними переднее колесо и разгрузить заднее, приблизив корпус к рулю, и все пойдет как по маслу. Роль заднего колеса аналогична роли заднего стабилизатора аэроплана: длинный рычаг, маленькие стабилизирующие поверхности и гигантский восстанавливающий момент.

На большой скорости гироскопический момент заднего колеса вносит свой вклад в устойчивость велосипеда.

Но интересно посмотреть, что произойдет во время маневрирования:

  • при наклоне велосипеда вбок, например, на левую сторону, заднее колесо стремится повернуться налево из-за гироскопической прецессии, но, будучи закрепленным между задними перьями, передает свой момент на раму;
  • если велосипед вошел в левый установившийся поворот, заднее колесо стремится наклониться вправо, гироскопическая прецессия пытается выровнять велосипед, тем самым направив его по большему радиусу или даже по прямой;
  • прямолинейное качение и торможение: протектор пневматической шины всегда постоянно проскальзывает при качении колеса. Соответственно, реальное сцепление шины с дорогой отличается от сцепления (трения) покоя.

При торможении степень проскальзывания меняется от сравнительно небольшой величины до 100% юза при блокировке колеса. Но, кроме сцепления с дорогой и силы торможения, имеются и другие воздействия, влияющие на поведение велосипеда. Это инерция и случайные боковые силы. Если сила инерции равна силе торможения, велосипед равномерно затормаживается по прямой, так как заднее колесо продолжает работать как стабилизатор, если не мешают случайные боковые силы. Если сцепление с дорогой мало, и/или колесо заблокировано и пошло юзом, тогда сила инерции может стать больше, чем сила торможения. При этом рама начинается разворачиваться в сторону, как калитка после удара, и возможны два варианта развития событий. Первый: боковая сила уравновесит силу инерции, и велосипед стабилизируется на новой траектории движения. Второй (если дорога скользкая и сцепление мало): разовьется уже мало управляемый занос с последующим быстрым падением. Случайная боковая сила (порыв ветра или скатывающая сила при боковом уклоне дороги) в этих случаях может сыграть свою решающую роль в каждом варианте. А стабилизирующий гироскопический момент значительно уменьшается или даже обнуляется при окончательной блокировке заднего колеса.

Велосипед с задним рулевым колесом

Более 150 лет изобретатели пытались сконструировать велосипед с задним рулевым колесом (ВЗРК), но «воз еще на месте». Все опытные конструкции или решительно отказываются ездить и рулить, или ведут себя крайне неустойчиво, особенно на поворотах. Именно поэтому серийного производства ВЗРК не было, и быть не могло.

Если сравнить обычный велосипед и велосипед с задним рулевым колесом, то легко увидеть, что все факторы, которые отвечают за устойчивость и руление обычного велосипеда, от гироскопического эффекта до устройства рулевой колонки, работают в плюс. То есть помогают сохранять равновесие или способствуют эффективному рулению. А у велосипеда с задним рулевым колесом все не так однозначно. Часть факторов помогает, а часть, наоборот, мешает сохранять равновесие и точно рулить.

Например, при повороте такого велосипеда направо:

  • на повороте большая часть заднего колеса (часть колеса между линией оси рулевой колонки и точкой касания колесом земли) пытается опрокинуться вправо,увеличивая таким образом угол поворота;
  • центробежная сила, действующая на велосипед, еще более увеличивает угол поворота заднего колеса;
  • гироскопический эффект, созданный задним колесом, уменьшает угол поворота велосипеда вправо;
  • из-за того, что велосипед обладает значительным задним трейлом (TraiL), центр тяжести системы велосипед-человек сильно смещается влево, в то время как совершается поворот направо. Это не только увеличивает тенденцию к увеличению угла поворота колеса, но часто приводит к падению влево. Кроме того, с практической точки зрения есть несколько причин, почему ВЗРК, даже если он способен (теоретически) к передвижению, будет неудобен в повседневной жизни: если ехать на ВЗРК по проезжей части, и впереди вдруг появляется препятствие, например, в виде открывшейся двери автомобиля, то неизбежно столкновение, поскольку заднее колесо поворачивается как раз в сторону, противоположную той, куда необходимо повернуть. Если ехать по тротуару и необходимо с него съехать, это будет очень трудно сделать именно в намеченном месте.

Выводы. Наблюдаются большие различия в поведении обычных велосипедов и ВЗРК. На практике это выражается в том, что поведение ВЗРК бывает очень трудно предсказать. ВЗРК, показанный на рисунке, крайне нестабилен на поворотах, и даже 25-сантиметровый трейл не в состоянии стабилизировать машину.

Вместе с тем, изобретатели пока не оставляют попыток создать совершенный велосипед с задним рулевым колесом.

Где катать девушку?

Благодаря передней и задней подвескам геометрия байка перестала быть раз и навсегда заданной величиной. При работе амортизационной вилки и заднего амортизатора геометрия байка меняется, а значит, меняется его устойчивость и управляемость. Более того, и вилки, и задние амортизаторы нередко можно настраивать, изменяя ход, жесткость и демпфирование, даже не слезая с байка. Широкое распространение дисковых и роллерных тормозов позволяет тасовать колеса, как карты в колоде. Хочешь поставить большие колеса или предпочтешь поменьше - никаких проблем! Таким образом, можно «затачивать» один и тот же байк под разные стили катания. Естественно, это меняет реальную геометрию байка и сказывается как на приемистости и скоростных возможностях, так и на маневренности и управляемости.

Дабы не вдаваться в тонкости и мелкие детали, посмотрим, что будет, если девушку посадить на раму. Нагрузка на переднее колесо заметно возрастет, вилка просядет, и байк «опустит нос», это понятно. Но одновременно слегка укоротится база, и (цифирь приводить не буду) заметно уменьшатся Trail и Ку. В результате байк станет более маневренным и управляемым, но и менее устойчивым, что спровоцирует совместное падение на узкой грунтовой дорожке. То же самое происходит в момент торможения, когда байк «клюет носом», при педалировании «танцовщицей», когда байкер приближает корпус к рулю, и при спуске со склона, особенно если переднее колесо притормаживается.

А что случится, если нагрузить симпатичной девушкой (тяжелым грузом) багажник или поставить более короткий амортизатор у двухподвесного байка? Ситуация поменяется на прямо противоположную. Trail увеличится, Ку возрастет, байк станет более устойчивым, но им будет труднее управлять.

А теперь отделим «мух от котлет» - изменения в геометрии от симпатичных девушек! Девушка кое-что весит, хотя и борется с этим недостатком многочисленными и мучительными диетами. Но не будем о грустном. Итак, сажаем девушку на багажник, подстелив кусок пенки для мягкости, и катим, куда глаза глядят. Сразу же станет понятно, что хорошо не будет. Произойдет дополнительное перераспределение нагрузки между колесами, заднее колесо будет нагружено очень сильно, а переднее - недогружено. Управляющее воздействие от переднего колеса уменьшится, и повернуть станет сложнее. Как будто под передней шиной не сухой, твердый грунт, а скользкий, «намыленный», мокрый суглинок. Пассивная (извините, девушки!), но высоко поднятая масса будет мешать байкеру сохранять равновесие, создавать большой опрокидывающий момент при случайном наклоне байка, который сложно компенсировать почти такой же активной массой самого байкера. Когда байкер управлялся только со своим весом и легким байком, все было гораздо проще. В этом-то и разница между активной и пассивной массой (сам байк и всякие грузы, багажи, пассажиры). Выгодно уменьшать пассивную массу, но это не всегда возможно, особенно в велотуризме. А ведь тут еще и переднее колесо рулит недостаточно эффективно, когда его надо энергично поворачивать на большой угол для быстрого «вкатывания» под убегающий центр тяжести по очень «кривой» траектории с малым радиусом. Это наверняка знакомо многим велосипедистам. С хорошо нагруженным багажником байк прет как танк, особенно если разогнаться. Но повернуть или проехать по извилистой тропинке - ой как нелегко. Теперь со всех сторон понятно, что ехать с большим грузом на багажнике некомфортно и опасно, особенно если грунт скользкий или присыпан песочком. Облегчить ситуацию может специальный велорюкзак на багажник типа «штаны». Он позволяет понизить центр тяжести груза и улучшить управление велосипедом. «Штаны» меньших габаритов можно повесить и на переднее колесо, нагрузив его дополнительным весом и усилив сцепление с дорогой. Разумеется, рассчитывать на хорошую работу амортизации в этом случае уже не приходится.

Ну, а девушка? Какие могут быть вопросы! Девушка должна ездить на своем велосипеде, это будет лучше и безопаснее!

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru