Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Фотография физической реализации
Деталь передней части

Два-масс-конек велосипед (TMS) представляет собой теоретическую модель , созданная командой исследователей в Корнельском университете , Университете Висконсин-Стаут и Делфте технологический университет , чтобы показать , что она не является ни достаточным , ни необходимым для велосипеда , чтобы иметь гироскопических эффекты или положительный след, чтобы быть самостабильным . [1] [2] [3] Аспекты модели с двумя массами и коньками были выбраны для исключения конструктивных параметров, чтобы было легче проанализировать оставшиеся девять, расположение масс и геометрию рулевого управления. [1] Вместо полных тензоров инерции, общая масса велосипеда уменьшена до двух точечных масс , одна прикреплена к задней раме, а другая - к передней вилке . [1] Вместо вращающихся колес , то неголономные заземляющие контакты обеспечиваются малого радиуса коньков . [1]

История [ править ]

О самостабильности велосипедов было сообщено еще в 1876 году. [1] Эммануэль Карвалло в 1897 году и Фрэнсис Уиппл в 1899 году разработали уравнения движения для велосипеда, которые показали эту самостабильность. [1]

В 1970 году Дэвид Джонс объяснил в Physics Today, как он экспериментировал с традиционным велосипедом, чтобы увидеть, сделает ли подавление гироскопического эффекта переднего колеса его непригодным для езды. Он добавил второе переднее колесо, вращающееся в противоположных направлениях, которое не касалось земли. Он сообщил, что его конкретный велосипед больше не мог стоять без водителя, но он все еще мог легко на нем ездить, и он даже едва мог ездить на нем без рук. [4] Это больше не было самостабильным, им все еще можно было управлять, но им стало нелегко. Джонс также попытался увеличить трассу, перевернув переднюю вилку, и обнаружил, что самоустойчивость резко возросла, но это затруднило езду - «она была слишком устойчивой для управления». [4]Наконец, он сделал велосипед с отрицательным следом, добавив передние удлинения к концам вилки, и обнаружил, что у него пренебрежимо низкая самостабильность и «действительно очень сложно ездить, хотя и не так невозможно, как [он] надеялся. " [4] Оценивая, какие модификации сделали велосипед легким в управлении, с включенными и снятыми руками, Джонс пришел к выводу, что гироскопические эффекты менее важны, чем тропа для устойчивости велосипеда.

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

Последствия [ править ]

Существование TMS и демонстрируемая им самостабильность говорит о том, что конструкция ездовых велосипедов шире, чем считалось ранее. [7] [8] [9] Например, управление задними колесами может оказаться не таким невозможным, как утверждается. [1] [10] В случае с велосипедом TMS авторы объясняют, что центр масс передней части ниже центра масс задней рамы, поэтому при наклоне он падает быстрее; и он находится перед осью рулевого управления, поэтому он стремится повернуть передний конец в направлении наклона. [1]

Они приходят к выводу:

Как правило, мы обнаружили, что почти любой самостабильный велосипед можно сделать нестабильным, если неправильно отрегулировать только след, или только гироскоп переднего колеса, или только положение центра масс переднего узла. И наоборот, многие нестабильные велосипеды можно сделать стабильными, соответствующим образом отрегулировав любую из этих трех конструктивных переменных, иногда необычным образом.

Физическая реализация [ править ]

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

См. Также [ править ]

  • Ледяной цикл

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h i j k l Дж. Д. Койман, Дж. П. Мейджард, Дж. М. Пападопулос, А. Руина и А. Л. Шваб (15 апреля 2011 г.). «Велосипед может быть самостабильным без гироскопических эффектов и эффектов кастера» (PDF) . Наука . 332 (6027): 339–342. Bibcode : 2011Sci ... 332..339K . DOI : 10.1126 / science.1201959 . PMID  21493856 . Проверено 15 апреля 2011 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  2. ^ "Почему движущийся велосипед не поднимается?" . ООО «ИОН Публикации». 15 апреля 2011 . Проверено 15 апреля 2011 .
  3. ^ "Пятничная научная загадка: почему движущиеся велосипеды не опрокидываются?" . CBS News . 15 апреля 2011 . Проверено 16 апреля 2011 .
  4. ^ a b c Джонс, Дэвид EH (1970). «Устойчивость велосипеда» (PDF) . Физика сегодня . 23 (4): 34–40. Bibcode : 1970PhT .... 23d..34J . DOI : 10.1063 / 1.3022064 . Проверено 15 апреля 2011 .
  5. ^ Леннард Зинн (2004). Zinn's Cycling Primer (PDF) . Вело Пресс. С. 149–153 . Проверено 15 апреля 2011 . Эти три других критерия могут работать в сочетании с следом от вилки для повышения устойчивости, но они не являются обязательными, как след от вилки.
  6. Перейти ↑ J. Lowell и HD McKell (декабрь 1982 г.). «Устойчивость велосипедов» . Американский журнал физики . 50 (12): 1106. Bibcode : 1982AmJPh..50.1106L . DOI : 10.1119 / 1.12893 . Проверено 16 апреля 2011 . наиболее важным параметром, определяющим устойчивость, является «колесико» переднего колеса, как было предложено Джонсом.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  7. ↑ Джон Матсон (14 апреля 2011 г.). «Велосипед, созданный ни для кого: что делает велосипед без водителя стабильным?» . Scientific American . Проверено 15 апреля 2011 .
  8. ↑ Девин Пауэлл (14 апреля 2011 г.). «Как велосипеды держат резину на дороге» . Новости науки . Проверено 15 апреля 2011 .
  9. ↑ Майк Айзек (15 апреля 2011 г.). «Исследование велосипеда без водителя может привести к улучшению колес» . Проводной . Проверено 15 апреля 2011 .
  10. ^ Wannee, Эрик (2005). "Велосипед с управляемым задним колесом" . Проверено 15 апреля 2011 .

Внешние ссылки [ править ]

  • О велосипеде TMS в TUDelft
  • О велосипеде TMS в Корнельском университете
  • Обсуждение в блоге Дэйва Моултона велосипеда TMS с ответами автора оригинальной научной статьи
  • Обсуждение на велосипед ежеквартального блог автора о TMS велосипеде с ответами от автора оригинального научного документа
  • Видео о пятнице науки