Ciò che mantiene una bicicletta equilibrata

A prima vista, potresti pensare che il ciclista umano sia ciò che mantiene in equilibrio una bicicletta. Questo finisce per non essere del tutto vero. Se lanciato correttamente, una bici moderna senza pilota si bilancia perfettamente e continua il suo percorso come se fosse guidata da un pilota. Questo può essere facilmente verificato da chiunque abbia una bicicletta fino a qualche decennio fa, gli scienziati pensavano che una bicicletta si autobilanciasse quando è in movimento a causa solo degli effetti giroscopici e degli effetti delle rotelle. “Effetto giroscopico” significa che una ruota che gira tende a rimanere allineata nella sua direzione originale. Questo effetto viene utilizzato nei giroscopi di navigazione meccanici per mantenere un corretto senso dell'orientamento mentre un veicolo viaggia. L'effetto giroscopico è il risultato diretto della conservazione del momento angolare, o movimento rotatorio. In assenza di una forza esterna, il momento angolare totale di un sistema deve mantenere la stessa forza e orientamento. Di conseguenza, una piccola forza fa ben poco per far inclinare una ruota pesante che gira velocemente dal suo orientamento originale. Alcuni fisici pensavano che le ruote girevoli di una bicicletta creassero un momento angolare sufficiente per resistere all'inclinazione che si verifica quando una bicicletta cade. I progettisti di biciclette hanno compreso l'intera fisica delle biciclette (devono farlo per progettare e ottimizzare adeguatamente le biciclette), ma ha avuto difficoltà a distillare le enormi equazioni in concetti semplici e comprensibili come questo “effetto giroscopico”. Gli esperimenti degli ultimi decenni hanno dato più senso alle equazioni sottostanti e dimostrato che anche se il momento angolare delle ruote viene annullato, la bici è ancora autobilanciante. Il momento angolare delle ruote può essere annullato aggiungendo altre due ruote che girano nella direzione opposta rispetto alle ruote originali, e sono configurati per non toccare terra.

Inoltre, alcune persone pensavano che l'effetto caster contribuisse alla natura autobilanciante della bicicletta. L'effetto caster descrive cosa succede quando una ruota ha il punto di contatto con il terreno situato in un punto diverso dal suo asse di sterzo. Mentre l'asse dello sterzo si sposta in avanti, il punto di contatto di tale ruota resta indietro e la ruota si allinea naturalmente con la direzione del movimento. Le ruote piroettanti vengono utilizzate sul fondo delle sedie da ufficio e dei carrelli della spesa. Se spingi la sedia da ufficio in una direzione, le ruote si allineano naturalmente grazie all'effetto caster. Si pensava di avere l'asse dello sterzo della bicicletta dietro il punto di contatto della ruota con il terreno crea un effetto di inversione di rotazione in cui la bicicletta si allinea dietro la ruota anteriore e questo è ciò che mantiene la bicicletta in posizione verticale. Mentre gli effetti giroscopici e gli effetti dell'incantatore possono contribuire all'autobilanciamento, non sono gli effetti principali.

Nonostante alcuni ritengano da tempo che gli effetti giroscopici e di incidenza siano ciò che mantiene una bicicletta in equilibrio, recenti dimostrazioni hanno dimostrato più chiaramente che mai che nessuno dei due è necessario per una bicicletta autobilanciante. Mentre gli effetti giroscopici e di caster possono contribuire per bilanciare la bicicletta, non sono la causa principale. J. D. sol. Kooijman e i suoi collaboratori hanno confermato che la causa principale è una geometria dello sterzo con carico anteriore. Una geometria dello sterzo con carico frontale significa che la forma dello sterzo della ruota anteriore e del telaio di una bicicletta è costruita in modo tale che la parte anteriore della bicicletta cada più velocemente della parte posteriore. Se la bici inizia a inclinarsi a sinistra dopo aver colpito un dosso e aver ceduto alla gravità, la ruota anteriore cade a sinistra più velocemente del resto della bici. Di conseguenza, la bici gira a sinistra. La parte sorprendente è che girare la ruota anteriore a sinistra fa sì che lo slancio della bici si sposti verso destra a causa della forza centrifuga (proprio come vieni scaraventato sul lato destro della tua auto quando fai una rapida svolta a sinistra). Lo sbalzo a destra della bici compensa la caduta iniziale a sinistra e la bici torna di nuovo dritta. La caduta si autocorregge a causa della geometria dello sterzo con carico frontale. (A proposito, la forza centrifuga è infatti molto reale in un sistema non inerziale, e non è immaginario o immaginario.) Una bicicletta senza pilota non viaggia realmente su una linea perfettamente dritta in una posizione perfettamente verticale. Cade costantemente da una parte o dall'altra e poi barcolla di nuovo in posizione verticale sotto il proprio slancio. Per dimostrare in modo più efficace questo concetto, che è noto da decenni o più, Il gruppo di Kooijman ha costruito un riderless, senza giroscopico, senza rotelle, bicicletta autobilanciante con geometria dello sterzo a caricamento frontale.

Credito:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2013/04/18/what-keeps-a-bicycle-balance/