Учебное пособие

Современный велосипед

Устойчивость, управляемость и руление

«Купите себе велосипед. Не пожалеете, если останетесь живы.»
М. Твен. «Укрощение велосипеда»

Почему не падает двухколесный велосипед, не вполне понятно, особенно на первый взгляд. Площадь его опоры очень мала, даже если шины весьма широкие и слабо накачаны. Поставленный вертикально, он долго не простоит. Обычно он валится набок через 2-4 секунды, но, если его удачно толкнуть вперед, падение случится через 10-15 секунд. Именно этим байк решительно отличается от трехколесного велосипеда и четырехколесного автомобиля. Даже без управляющих действий человека движущийся велосипед гораздо устойчивей, чем неподвижный.

Управляться он может также по-разному, и не только поворотом руля. Если вспомнить езду «без рук», то становится понятно, что факторов, обеспечивающих устойчивость велосипеда, несколько. Рассмотрим главные. Но прежде, еще одно короткое замечание: у велосипеда существуют две устойчивости и одна управляемость. Первая устойчивость - это вертикальная, вторая - продольная, или курсовая устойчивость, а управляемость—только продольная (курсовая). Само собой, чем лучше продольная устойчивость, тем хуже управляемость, и наоборот. Сложность заключается во взаимосвязи этих трех важных параметров. Один влияет на другой, другой на третий и рассказать, положим, о вертикальной устойчивости, не упоминая продольную, затруднительно. Но в любом случае, каждому практикующему байкеру важно сохранить равновесие, или баланс и катить в правильном направлении.

Равновесие

Равновесию на малой скорости или даже стоя на месте, как лихо демонстрируют некоторые умельцы, помогает геометрия вилки и рулевой колонки (см. схемы I и III рис. «Принципы баланса велосипеда»). Поворачивая руль, мы сдвигаем центральную линию велосипеда, проходящую через точки контакта с поверхностью переднего и заднего колес. Так мы подстраиваем ее под слегка сдвинувшийся в сторону центр тяжести (ЦТ) велосипедиста и его верного двухколесного коня. Балансирование на месте всем хорошо известно и знакомо - это сюрпляс. Подробно о полезных свойствах вилок и их влиянии на устойчивость можно посмотреть чуть ниже.

Рис. Принципы баланса велосипеда

Равновесие на малой скорости.

Какую скорость считать малой, а какую - большой? Это нетривиальный вопрос. Но все-таки можно получить приблизительную оценку минимальной скорости устойчивого движения велосипеда. Помогает этому теория движения твердого диска (обруча, колеса) по плоскости без проскальзывания. Согласно ней, для обеспечения у стойчивости такого диска, близкого к диаметру велосипедного колеса, достаточно скорости около 1 м/сек, или 3,6 км/час.

Скорость ниже минимальной - это уже искусство балансирования, или сюрпляс на треке. Система, составленпая из велосипеда и велосипедиста, конечно, очень далека от простого катящегося диска или обруча, но данное значение показывает порядок величины минимальной скорости, необходимой, чтобы устойчиво держаться на велосипеде. И, как каждому хорошо известно, имеет приближенное согласие с повседневным опытом.

Но ведь велосипед — это вам не какой-нибудь «Харлей». Велосипедист весит гораздо больше, чем байк, на котором он сидит. Поэтому для сохранения равновесия в некоторых ситуациях, например, на узкой колее, тропинке, лыжне можно перемещать центр тяжести как вправо, так и влево, меняя положение тела велосипедиста относительно велосипеда. Нужно, как бы отталкиваясь от него в сторону, противоположную первоначальному отклонению, сохранять равновесие, продолжая неуклонное движение вперед. При этом более высокий ЦТ велосипедиста сильнее воздействует на общий баланс системы байкер - байк и дает больший контроль над положением и движением велосипеда.

Равновесие на большой скорости

Но что еще помогает нам рулить и сохранять прямолинейное движение? Оказывается, гироскопический эффект. См. схему II рис. «Принципы баланса велосипеда». Раскрученное велосипедное колесо обладает всеми свойствами гироскопа. Чем больше его масса (точнее, момент инерции) и скорость вращения, тем сильнее действие гироскопического эффекта. Если колесо повернуть налево вокруг вертикальной оси, оно наклонится в правую сторону. А если его наклонить влево, то оно послушно повернется налево. Оба этих эффекта (их называют гироскопической прецессией) оказываются до крайности полезными для автоматического сохранения равновесия и для руления.

Пусть велосипедист, опять же безмятежно катясь по прямой, ровной и гладкой дороге без рук и любуясь пейзажем, случайно отклонился от вертикали влево. Немедленно гироскопическая прецессия помогает повернуть переднее колесо налево. И велосипед начинает равномерный вираж в левую сторону. Одновременно возникает центробежная сила вправо, которая противостоит наклону и стремится восстановить вертикальное положение и исходное прямолинейное движение. Велосипедист тогда вправе выбрать: продолжить поворот, или катить дальше по прямой.

В отличие от случайного наклона велосипеда, выясним, что реально произойдет, если умышленно повернуть руль влево. Сразу возникает гироскопическая прецессия переднего колеса, действующая направо и, как дополнение к ней, центробежная сила, приложенная к ЦТ. На большой скорости эти две силы легко могут привести к падению. Однако, если на мгновение быстро повернуть руль в противоположном направлении (направо) и вернуть его обратно в исходное положение, то прецессия и центробежная сила наклонят велосипед в искомую сторону - налево. Затем в действие вступает сила тяжести, усугубив наклон и запустив гироскопическую прецессию, поворачивающую переднее колесо и велосипед в установившейся поворот. Реально движение рулем очень мало, так как гироскопическая прецессия зависит от скорости, а не от амплитуды движения. Прием этот называют по-разному, «контрруление» или «противоруление». Более всего он известен среди мотоциклистов. Большинство велосипедистов о нем совершенно не задумывается, но постоянно его использует, а что им еще остается?

Теперь нам остается посмотреть, как эффективнее всего направить велосипед из прямолинейного качения в поворот движением корпуса. Чем-то это напоминает идею «контрруления», только наоборот, без движения руля. Иногда встречается термин «контрнаклон». Для того, чтобы наклонить велосипед в одну сторону, надо переместить корпус в другую, как бы оттолкнувшись от него. Но перемещение должно быть не только вбок, но и слегка вверх, как будто раскачивают качели. На практике это означает, что для наклона велосипеда влево необходимо сначала сдвинуть корпус вправо, слегка приподнявшись на педалях, и круговым движением вернуться в исходное состояние (на седло). В обоих случаях, «контрруления» и «контрнаклона», физическое действие выглядит противоестественным, противоположным здравому смыслу. Но при обучении езде на велосипеде эти навыки становятся автоматическими, «зашитыми» на подсознательном уровне, например, как умение плавать.

Гироскопический эффект в чистом виде

David Е. Н. Jones в своей статье «The Stability of the Bicycle», 1970, показал, насколько сильно влияет на устойчивость гироскопический эффект, и можно ли сделать абсолютно неустойчивый велосипед.

Он попробовал убрать гироскопический момент. Для этого был сделан экспериментальный велосипед НВ-1. На передней вилке его было дополнительно укреплено колесо, которое не касалось земли, равное по массе и диаметру переднему колесу велосипеда НВ-1. Когда его раскручивали в сторону, противоположную вращению основного колеса, создавался гироскопический момент противоположного знака, так что суммарный момент обоих колес становился равным нулю.

Однако оказалось, что ездить НВ-1 было достаточно легко. Он хорошо управлялся как при вращении дополнительного колеса в любую сторону, так и при полной его неподвижности. Стало ясно, что гироскопические силы играют крайне малую роль при езде на обычных скоростях. Когда же НВ-1 запустили без велосипедиста, он повел себя очень интересно. Если дополнительное колесо вращалось в сторону, противоположную вращению переднего колеса, он падал почти мгновенно. А при вращении колес в одну сторону этот, велосипед демонстрировал изумительную устойчивость даже на низкой скорости.

Результат получился достаточно внятным: велосипед сам по себе стабилизируется гироскопическим воздействием, а велосипед с велосипедистом — нет. Слишком малы гироскопические силы по сравнению весом и силами инерции велосипедиста.

Вероятнее всего, у дорожных, городских и горных велосипедов гироскопические эффекты начинают хоть как-то сказываться на скоростях далеко за 30 км/ч. А для шоссейных с их сверхлегкими колесами - при гораздо более высоких скоростях. Так что гонщику надо очень постараться, максимально разогнавшись на длинном спуске, войдя в крутой поворот, чтобы этот эффект почувствовать. Скорее всего, его быстрее снесет центробежной силой с дороги.