Bạn chưa đăng nhập, vui lòng đăng nhập để thêm câu trả lời.
Bạn đang thắc mắc? Ghi câu hỏi của bạn và đăng ở chế độ cộng đồng (?)
Hỏi: Vì sao khi chuyển động thì xe đạp mới không bị đổ? -Nguyễn Nhật Nam(Hà Nội). TIN LIÊN QUAN:
Đạp xe tưởng chừng là một việc đơn giản nhưng bạn có biết, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu được làm thế nào xe đạp có thể đứng thẳng mà không bị ngã? Suốt 150 năm, dù có nhiều nghiên cứu được thực hiện nhưng cuối cùng, người ta vẫn chưa thật sự lý giải được cơ chế đầy bí ẩn này. Hồi năm 2011, một liên minh các nhà khoa học chuyên nghiên cứu xe đạp đến từ nhiều nước trên thế giới đồng loạt tuyên bố rằng mặc dù đã phân tích suốt 150 năm qua, nhưng vẫn chưa có ai biết được tại sao xe đạp có thể đứng thẳng. Tuyên bố này vấp phải sự hoài nghi từ rất nhiều người trên thế giới. Đáng buồn thay, đó là sự thật. Andy Ruina, một kỹ sư tại Đại học Cornell, Hoa Kỳ cho biết: “Những gì chúng ta chưa biết rất đơn giản: điều kiện cần và đủ để một chiếc xe đạp có thể tự ổn định là gì?” Trong quá trình nghiên cứu, các kỹ sư đã lặp đi lặp lại các thí nghiệm thử-sai để tạo nên một chiếc xe đạp cân bằng, ổn định, khó bị ngã khi chuyển động. Về mặt toán học, các kỹ sư đã liệt ra 25 biến số để giúp một chiếc xe đứng thẳng, thí dụ như kích thước bánh xe, phân phối trọng lượng, góc tạo bởi phuộc trước và mặt đường,...
Trước năm 2011, các nhà nghiên cứu chỉ tập trung nghiên cứu 2 yếu tố giúp xe đạp đứng thẳng chứ không phải là 25 như trên đây. Đầu tiên là kích thước “trail”, khoảng cách giữa nơi bánh trước chạm vào mặt đường và giao điểm của phuộc trước với mặt đất. Yếu tố còn lại lực hồi chuyển được khôi phục trên một bánh xe lúc đang quay để giữ nó đứng thẳng. Giáo sư Ruina và các đồng nghiệp của ông là kỹ sư cơ khí Arend Schwab tại Đại học bách khoa Delft, Hà Lan, Jim Papadopoulos đến từ Đại học Wisconsin-Stout, Mỹ đã cùng nhau nghiên cứu vấn đề này. Họ quyết định không chỉ xem xét dưới góc độ lý thuyết toán học mà sử dụng nó để tạo ra một chiếc xe đạp không thể chạy được. Thật bất ngờ, nó vẫn có thể đứng thẳng được.
Kết quả này càng khiến cho các nhà khoa học đứng ngồi không yên. Cho tới năm ngoái, giáo sư Ruina đã giới thiệu một nghiên cứu của ông cùng chiếc xe “bricyle” - một dạng lai giữa xe đạp bình thường và xe đạp 3 bánh, được trang bị thêm bộ ổn định bánh xe bằng lò xo, cho phép người lái có thể điều chỉnh nhiều cấp độ tương ứng với cảm giác mặt đường. Bằng cách thử nghiệm chiếc xe này, Ruina hy vọng có thêm hiểu biết, giúp tạo ra những chiếc xe đạp dễ điều khiển hơn. Và cuối cùng, làm thế nào xe đạp có thể đứng thẳng vẫn là một bí ẩn vật lý chưa có lời giải đáp. Nhà nghiên cứu Papadopoulos cho biết: “Tôi nghĩ rằng để có được hiểu biết thật sự về chiếc xe đạp, cần phải kết hợp những nghiên cứu trước đây của chúng tôi, với các nghiên cứu của nhiều bộ óc thiên tài khác. Con người dùng rất nhiều những hành động phức tạp và cả trực giác để đạp xe, giữ cho nó cân bằng. Nhưng ở tốc độ rất chậm, ghi đông dường như vô tác dụng và việc đu đưa đầu gối mới làm cho chiếc xe đứng theo ý muốn." Thử nghiệm đạp xe ở các tốc độ rất chậm Tham khảo NS, Tinanantsou, Cornell
Tại sao xe đạp / xe đạp đổ khi tốc độ rất thấp hoặc gần bằng 0 và cân bằng khi đi với tốc độ cao?
Chúng tôi có một loạt bài báo về chính xác chủ đề của cuộc thảo luận này, nhưng được định nghĩa hẹp hơn một chút. Đó là, làm thế nào và tại sao xe đạp có thể tự cân bằng? Tóm lại, làm thế nào để xe đạp chuyển động tự cân bằng? Vì nhiều lý do phức tạp, nó lái theo cùng hướng khi nó rơi. Và, nếu bạn không chấp nhận ngôn ngữ vật lý không chính thức cẩu thả, vì kết quả là đường cong, lực ly tâm, hãy đẩy nó trở lại thẳng đứng. Những lý do phức tạp? Một phần từ đường mòn (hoặc hiệu ứng bánh xe), một phần từ mômen động lượng của bánh xe quay và một phần từ các hiệu ứng khác liên quan đến hình học và phân bố khối lượng. Nhưng không có cơ chế cần thiết đơn giản nào mà chúng ta biết. Ví dụ: bài báo của chúng tôi trên Tạp chí Khoa học cho thấy xe đạp có thể tự ổn định mà không cần bánh xe (không có đường mòn) và không có mômen quay của bánh trước. Chúng tôi đã viết một số bài báo và tài liệu hỗ trợ . Và chúng tôi có trong những tài liệu này một sự bao quát khá đầy đủ. Vì vậy, nếu bạn muốn biết những gì chúng tôi nghĩ, những gì người khác đã nghĩ và những gì chúng tôi nghĩ về những gì họ nghĩ, tất cả đều có ở đó. Tôi không nghĩ rằng bạn sẽ biết về một số tài liệu tham khảo quan trọng mà chúng tôi chưa xem xét và mô tả. Bạn có thể bắt đầu với trang web của tôi http://ruina.tam.cornell.edu (hoặc google ruina bike hoặc google schwabb bike. Trang web bao gồm ảnh và video đơn giản giải thích về một số điều này.
Tôi xin lỗi, nhưng cách xử lý chủ đề này trong cuộc thảo luận bên dưới là một mớ hỗn độn và đáng xấu hổ. Một số câu trả lời dưới đây hoàn toàn vô nghĩa và câu trả lời có thẩm quyền nhất (của Andy Ruina) có một trong những điểm thấp hơn, với câu trả lời cho điểm cao nhất hầu hết là không chính xác. Đầu tiên, câu trả lời trực tiếp cho câu hỏi ban đầu là tác dụng suy yếu của sự ổn định mô men động lượng khi giảm tốc độ và không cần phải nói gì thêm về câu hỏi đó. Thứ hai, câu hỏi tổng quát hơn về điều gì làm ổn định một chiếc xe đạp đã được trả lời cặn kẽ nhất bởi tài liệu trên trang web của Andy Ruina (người thừa nhận đã trễ với bài đăng của mình). Tóm lại, đây là một chủ đề không hề tầm thường, nhưng việc phân tích chặt chẽ là có thể với một số nỗ lực, và việc phân tích như vậy đã được thực hiện, quan trọng nhất là bởi nhóm của Ruina tại Cornell. Phân tích độ ổn định của họ cho thấy rõ ràng ảnh hưởng của một số yếu tố của hình học xe đạp. Và tất nhiên là có, góc lái và độ cào cũng đóng một vai trò nào đó, cũng như các yếu tố khác. Tôi lưu ý rằng Ruina thậm chí còn cung cấp một phần mềm ( JBike6) mà mọi người có thể sử dụng để tự thực hiện các phân tích độ ổn định như vậy. Đây là một ví dụ về đầu ra của nó:
 Chúng ta có thể thấy rõ cách một trong những giá trị đặc biệt đi vào vùng không ổn định khi tốc độ xe đạp giảm. Trong trường hợp này, xe đạp không ổn định với "tốc độ dệt" khoảng $ 5,3 \, \ mbox {m / s} $. Nói chung, có thể có các dạng mất ổn định khác nhau. Ví dụ, các phương thức mất ổn định bổ sung có thể phát sinh khi có người lái xe đạp. Ví dụ: một số xe đạp đường trường nhất định cũng gặp phải tình trạng mất ổn định tốc độ cao (cái gọi là "chao đảo ở tốc độ cao") do sự tương tác của người lái với xe đạp. Trong trường hợp này, tính linh hoạt của khung là một yếu tố quan trọng. Một trong những chiếc xe đạp đường trường của tôi đã làm điều này ở tốc độ trên $ 40 \, \ mbox {mph} $. Không vui ...
Khi đi cà kheo hoặc trượt băng, bạn không cẩn thận giữ thăng bằng. Bạn thậm chí không giữ thăng bằng. Bạn liên tục mất thăng bằng và bạn tiếp tục di chuyển điểm hỗ trợ của mình để bạn bắt đầu ngã về một hướng và bắt đầu ngã theo hướng khác. Nếu bạn đang ở trên một chiếc xe đạp chuyển động rất chậm, bạn cũng làm như vậy, bạn tiếp tục di chuyển điểm hỗ trợ sang trái hoặc phải để tránh ngã theo hướng đó. về ". Ở tốc độ cao hơn, cần ít chuyển động lái hơn để làm điều đó. Điều đó hoạt động ngay cả khi không có tuế sai con quay hồi chuyển, bánh xe hoặc góc cào. Chỉ cần quan sát một chiếc xe tay ga có bánh nhỏ, hoặc xe đạp trượt tuyết hoặc xe đạp một bánh. Bây giờ, hãy ném theo góc cào. Xoay ghi đông sang phải sẽ di chuyển điểm hỗ trợ sang trái, ngay cả khi bạn đang di chuyển rất chậm, điều đó sẽ hữu ích. Bây giờ , hãy chuyển sang một chiếc mô tô tốc độ cao với bánh trước hình con quay hồi chuyển, nặng và đẹp. thực sự là một cách đúng đắn để duy trì sự ổn định một cách mạnh mẽ. Vì vậy, đó không phải là một thỏa thuận giải thích đơn lẻ tất cả hoặc không có gì cả.
Nguồn Các phần quan trọng để truy cập trong trường hợp liên kết bị lỗi: Xe đạp vẫn thẳng đứng ngay cả khi người dùng bỏ tay khỏi ghi đông, làm mất khả năng đánh lái. Trong thực tế, một chiếc xe đạp thậm chí không cần một kỵ sĩ tại tất cả: xe đạp cân bằng hoàn toàn tốt đẹp mà không ai trên đó, với điều kiện họ đang di chuyển đủ nhanh (khoảng từ tám và 13 dặm một giờ - một tốc độ thoải mái) .Những người đã học một số môn vật lý trung học có thể nghĩ đến lời giải thích thứ hai: các bánh xe quay tròn giúp xe đạp không bị đổ. Các vật thể quay, như bánh xe đạp, ổn định và chúng quay càng nhanh, chúng càng ổn định. Hiệu ứng con quay hồi chuyển này, như các nhà vật lý đề cập đến, giải thích tại sao ngọn và yo-yo hoạt động theo cách chúng làm. Tuy nhiên, nó không giải thích được sự ổn định của xe đạp. Bánh xe đạp khá nhẹ và không tạo ra đủ quán tính để vượt qua dù chỉ nghiêng một chút. Ngoài ra, mặc dù xe đạp có thể vẫn ổn định mà không cần người lái, nhưng điều đó chỉ xảy ra khi đi tiếp. Đẩy nó về phía sau với tốc độ tương tự và nó nhanh chóng lật nhào. Nếu hiệu ứng con quay hồi chuyển là một yếu tố góp phần chính, điều này có thể sẽ không xảy ra. Để đảm bảo rằng hiệu ứng này là không cần thiết, một nhóm làm việc tại Đại học Cornell đã chế tạo một chiếc xe đạp có thêm hai bánh. Những thứ này không chạm đất; chúng chỉ quay theo hướng ngược lại của bánh xe đạp chính, loại bỏ mọi hiệu ứng con quay hồi chuyển. Chiếc xe đạp không con quay này, gần giống với một chiếc xe tay ga, vẫn tự ổn định. Hơn nữa, sau khi chiếc xe đạp chuyển động, những người thử nghiệm đã đẩy nó sang một bên để cố gắng xô ngã nó. Họ không thể; chiếc xe đạp đã tự sửa chữa. Một phần thông qua nghiên cứu này, các nhà vật lý đã đưa ra lời giải thích cho lý do tại sao xe đạp không bị lật: chúng luôn quay về hướng đang rơi.Khi xe đạp bắt đầu nghiêng sang một bên, bánh trước sẽ quay theo hướng đó, điều này sẽ ngăn không cho xe đạp đổ.Điều này có thể được xác minh bằng cách khóa ghi đông để xe đạp không thể quay đầu.Khi bạn làm điều này và đẩy xe đạp, nó sẽ lật nhào. OK, vì vậy sự tự ổn định này liên quan đến cách xe đạp quay theo hướng nó rơi.Nhưng tại sao nó lại làm được điều đó? Đó là lúc mọi thứ trở nên thực sự phức tạp.Thay vì một lời giải thích đơn giản, các nhà khoa học đã phát triển một công thức xác định xem thiết kế xe đạp có mang thuộc tính thiết yếu này hay không.Trong rất nhiều những gì nó đã được thử nghiệm, công thức hoạt động.Thật không may, đó không phải là một phương trình hai hoặc ba biến đơn giản: nó yêu cầu 25 đặc điểm khác nhau của xe đạp để đưa ra dự đoán.
câu trả lời của oneat là đúng (Tôi đã nhận xét nhưng tôi nghĩ rằng tôi sẽ cần thêm không gian) Hãy tưởng tượng một vectơ (đường thẳng) bắt đầu tại trọng tâm của bạn. Đường biểu diễn tất cả các lực tác động lên bạn. Khi bạn đang đứng yên, hướng của đường thẳng xuống (trọng lực là lực duy nhất hiện tại). Để không bị ngã khi bạn đứng yên trên xe đạp, bạn phải giữ điểm tại đó đường giao với mặt đất (chúng ta hãy gọi nó là điểm A ), giữa hai bánh của xe đạp. Nếu không, bạn sẽ bắt đầu bị lật. Khi đứng yên, cách duy nhất để tác động đến điểm đó là di chuyển trọng tâm mà bạn làm bằng cách thay đổi trọng lượng. Bây giờ, giả sử bạn đang di chuyển. Nếu bạn đang chuyển động trên một đường thẳng, với tốc độ không đổi, mọi thứ đều giống nhau, lực duy nhất tác dụng lên bạn là trọng lực. Nhưng nếu bạn thay đổi hướng, bạn sẽ nhận được lực ly tâm (như oneat đã chỉ ra một cách chính xác), giống như những gì bạn nhận được khi bạn rẽ ngoặt trong một chiếc xe đang chuyển động với tốc độ nhanh. Giá trị của lực đó tỷ lệ thuận với tốc độ, trọng lượng của bạn và tốc độ rẽ. Lực ly tâm này được cộng vào trọng lực và thay đổi hướng của lực tác động lên bạn. Ghi nhớ điểm A ? Nếu bạn đang đạp xe và nó bắt đầu nghiêng sang phải, điểm A bắt đầu di chuyển sang phải và xe đạp nghiêng nhiều hơn nữa, v.v. Tuy nhiên, theo bản năng, bạn biết rẽ xe sang phải. Điều này gây ra một lực ly tâm, hướng sang trái, xuất hiện). Nếu điểm A vẫn nằm giữa các bánh xe của bạn thì bạn vẫn ổn. Nếu bạn đang chuyển động chậm, lực ly tâm nhỏ, vì vậy bạn phải rẽ ngoặt hơn để bù đắp. Nếu đang di chuyển nhanh, bạn có thể chỉ cần nhích xe đạp một chút để bù lại. Nó được giải thích chi tiết hơn tại đây. (Tôi thực sự chỉ nghĩ đến việc tra cứu nó trong wikipedia sau khi viết câu trả lời này, tôi không có thời gian để đọc bài viết bây giờ, hy vọng là tôi không quá sai)
Câu trả lời là rõ ràng khi kiểm tra. Thật không may, các nhà nghiên cứu không bận tâm đến việc kiểm tra đối tượng nghiên cứu mà tạo ra các mô hình toán học với các giả định thúc đẩy kết quả. Lực ly tâm do tay lái xe đạp tạo thành các vòng cung xen kẽ là giả thiết phổ biến nhất. Sau đó, có sự kiêu ngạo hoàn toàn của các nhà vật lý, những người không nghiên cứu lực mệt mỏi. Đó là một vấn đề kỹ thuật và vật lý không thể trả lời nó. Khi một chiếc xe đạp nghiêng, một lực khum bên được tạo ra ở cả hai lốp, đẩy xe đạp vào chỗ ngã. Chuyển động sang một bên này làm tăng thêm chuyển động tịnh tiến tạo ra một vectơ hướng lệch về phía nghiêng. Khi mặt phẳng của bánh xe không thẳng hàng với hướng mà nó đang di chuyển, một góc trượt được hình thành và là một lực kéo theo. Lực góc trượt đối nghịch với lực khum nhưng ở bánh trước, lực góc trượt sẽ hướng bánh xe vào vị trí thẳng hàng, thông qua đường mòn, với vectơ hướng. Điều này cho phép lực camber đẩy phần đầu phía trước về phía ngã trong khi bánh sau bị chèn ép giữa phần camber và lực góc trượt. Các lực này tồn tại cho đến khi các bánh xe thẳng hàng với hướng di chuyển. Khi tốc độ tăng, góc trượt trở nên nhỏ hơn và ít quan trọng hơn vì xe đạp vẫn thẳng đứng mà không cần lái và chỉ được hỗ trợ bởi camber. |
