Як велосипед зберігає стійкість (рівновагу)

Велосипеди є одним з найефективніших та найуніверсальніших видів транспорту, що приводиться в рух м'язовою силою людини.
Але, можливо, ще найдивовижнішим ніж велосипедисти є той факт, що велосипеди можуть їздити самі.
Маючи достатню швидкість, велосипед може залишатися у вертикальному стані без втручання людини.
Поширеною оманою є те, що велосипеди ніби-то зберігають вертикальність завдяки збереженню моменту імпульсу, тобто обертання коліс, коли велосипед нахиляється вбік, створюватиме якусь протидію, яка і не дає велосипеду падати.
Але є простий спосіб побачити, що таке пояснення неправильне.
Зафіксуйте кермо і рухомий велосипед впаде так само легко як і нерухомий.
Інша поширена омана полягає в тому, що велосипеди залишаються вертикальними через свою поступальну швидкість.
Однак, якщо ви штовхнете вбік рухомий велосипед, він змінить напрям руху і продовжить далі рухатися.
Його імпульс змінив напрям, проте велосипед зберігає вертикальність.
Ось нам що відомо про те, як звичайні велосипеди самі собою зберігають вертикальне розташування.
Коли рухомий велосипед починає нахилятися вбік, він також автоматично і повертає в цей бік.
В підсумку колеса знову опиняються під центром мас, відновлюючи рівновагу велосипеда.
Відповідальними за це є три механізми.
Перший - через нахил кермової осі велосипеда його переднє колесо торкається землі трохи позаду цієї осі.
Тобто, коли велосипед нахиляється ліворуч, реакція опори обертає колесо та кермо ліворуч, допомагаючи повернути колеса назад під центр мас велосипеда.
Другий - точка прикладання сили тяжіння, що діє на переднє колесо та кермо, зазвичай розташована трохи попереду осі обертання, тому при нахилі велосипеда ліворуч рух цієї сили вниз також допомагає повернути переднє колесо ліворуч.
Третій - гіроскопічний ефект.
Він дійсно існує, але самостійно він не дозволяє втримувати велосипед вертикально, натомість він допомагає кермувати.
Дестін і Карл чудово показують це у відео про гелікоптери.
Спроба нахилити вісь обертання об'єкта викликає її нахил, але усе так, ніби ви приклали силу на 90 градусів в напрямі проти обертання.
І це справді дивує.
Момент сили, що обертає вісь, відстає від зовнішнього моменту.
Розгляньмо колесо велосипеда.
Ви бачите, що гіроскопічна прецесія, спричинена нахилом велосипеда ліворуч, змушує колесо повертатися ліворуч, допомагаючи колесам знову опинитися під центром мас.
Отже, звичайний велосипед є стійким поєднанню трьох факторів: розташування місця контакту переднього колеса із землею позаду осі обертання керма, розташування центра мас переднього колеса і керма перед віссю обертання керма і гіроскопічна прецесія переднього колеса.
Усі вони допомагають велосипеду автоматично спрямовувати колеса під його центр мас.
Принаймні коли він рухається вперед достатньо швидко.
Якщо ж швидкість замала, велосипед не зможе повернути достатньо швидко, щоб не впасти.
При русі велосипеда назад ефект гіроскопа зміниться, але два інші ефекти ні.
Тож поворот переднього колеса при нахилі буде сприяти подальшому нахилу.
Ба більше, жоден з цих трьох механізмів поодинці не може забезпечити стійкість велосипеда.
Ось велосипед з відсутнім гіроскопічним ефектом, переднє колесо якого торкається землі попереду осі обертання керма, і він зберігає стійкість.
А ось стійкий велосипед з заднім кермом.
Ось ще модель стійкого велосипеда, в якого вісь обертання керма нахилена вперед, а не назад.
Я зробив велосипед абсолютно нестійким, просто додавши трохи зайвої маси за передньою вилкою.
Існує багато змінних, які можна поєднувати різними дивовижними способами, щоб робити стійкі та нестійкі велосипеди.
Людина, яка кермуватиме і втримуватиме рівновагу, може зробити деякі нестійкі велосипеди стійкими.
Навіть для звичайного велосипеда наука наразі не знає усіх комбінацій змінних, які дозволяють велосипеду не падати під час руху вперед.
Ми просто знаємо, що одні комбінації працюють, а інші - ні.