Le vélo devient un moyen de transport de plus en plus populaire de nos jours où il y a tellement de voitures qu'elles interfèrent avec l'existence des autres. Les vélos présentent de nombreux avantages par rapport aux voitures, c'est pourquoi dans de nombreux pays européens, ils sont presque considérés comme le principal moyen de transport. La popularité des amis à deux roues augmente également dans notre pays.
Un vélo n'est pas seulement un moyen de transport, mais aussi un système mécanique complexe qui fonctionne selon les lois fondamentales de la physique. Tous Vélos, quels que soient le type, la marque, le modèle et le coût, obligent leurs cyclistes à surmonter diverses forces. En roulant, le cycliste est confronté à deux forces principales : la gravité et l'aérodynamisme. La force de gravité plaque le cycliste avec son véhicule au sol. Dans ce cas, le vecteur d'action de la force est dirigé strictement perpendiculairement à la surface terrestre. Plus la force de gravité est grande, plus le vélo pèse lourd avec son cycliste. Il a une grande influence sur les efforts que doit fournir un cycliste lorsqu'il roule sur son deux-roues. véhicule. Si le poids corporel et le poids du vélo sont inférieurs, il sera beaucoup plus facile de rouler, ce qui signifie que la conduite donnera des sensations plus agréables. Bien que, pour certains, un vélo soit un simulateur pour brûler des calories.
La deuxième force physique fondamentale qu'un cycliste doit surmonter en se déplaçant est l'aérodynamisme. Il s'agit essentiellement de la force de résistance du flux d'air venant en sens inverse, qui augmente à mesure que la vitesse augmente. Plus le cycliste se déplace rapidement, plus la force de résistance de l'air est grande. En plus des courants d'air venant en sens inverse, les vents latéraux peuvent également agir sur le vélo, ce qui complique encore le mouvement et vous oblige à appliquer des forces supplémentaires. Il n'est pas facile de surmonter les forces aérodynamiques lors de la conduite à grande vitesse sur une route plate - cela nécessite une excellente éducation physique. S'il n'y en a pas, il est préférable d'acheter un vélo à entraînement électrique, qui vous permettra de rouler en deux modes - mécanique et automatique. Il est à noter que la conduite mécanique consomme beaucoup plus d'énergie et d'efforts que la conduite automatique. Afin d'économiser l'énergie de la batterie, il est préférable de ne pas conduire tout le temps avec un entraînement électrique, mais uniquement dans les zones particulièrement difficiles à surmonter par vous-même (montées, terrains accidentés, etc.).
Puisqu'un vélo classique a deux roues, pour que le cycliste puisse rouler, il doit constamment maintenir l'équilibre et surmonter diverses forces qui surviennent au cours du mouvement.
Ce n'est pas parce qu'un vélo est simple qu'il est si simple. forces physiques, agir en faisant du vélo reposent sur les lois fondamentales de la science. Considérez les principales forces qui agissent lorsque vous roulez à vélo.
Forces extérieures
1. Force de gravité (gravité). La gravité est l'un des quatre phénomènes fondamentaux de la nature. Expliqué par la loi de Newton. La force avec laquelle il agit est directement proportionnelle au poids corporel du cycliste. Comment plus de poids cycliste, le force plus forte la gravité. Il agit sur le cycliste et les composants du vélo perpendiculairement au sol. La force de son action augmente en montée et diminue en conséquence en descente.
2. Force de résistance de l'air. Les forces aérodynamiques agissant sur un cycliste sont principalement la somme de la résistance de l'air et du vent de face ou latéral. À vitesse moyenne et se déplaçant sur une surface plane, la traînée aérodynamique est la plus grande force qui empêche le mouvement vers l'avant. Avec une nouvelle augmentation de la vitesse, il devient écrasant et son ampleur dépasse de loin toutes les autres forces qui entravent le mouvement vers l'avant.
3. Force de résistance au roulement. La résistance au roulement est la force qui se produit lorsqu'un objet rond, dans ce cas une roue de bicyclette, se déplace le long d'une surface plane à une vitesse en ligne droite. Cela se produit principalement lorsque la roue est déformée, la surface sur laquelle la roue se déplace ou les deux sont déformés. Lorsque vous roulez à vélo, cette force augmente avec des roues mal gonflées ou lorsque vous vous déplacez, par exemple, sur du sable. De plus, la force de résistance au roulement dépend en outre de facteurs tels que le rayon de la roue, la vitesse de déplacement et le type de surfaces de contact.
4. Forces générées lors des manœuvres pour équilibrer un vélo. Se produisent lors du changement de direction du vélo ou lors de la manipulation du guidon pour équilibrer le vélo et maintenir l'équilibre. Déterminé par la force centrifuge. En mécanique, le terme force centrifuge est utilisé pour expliquer deux concepts - la force d'inertie et la force centripète. Ce sont des processus complexes et il faut beaucoup de temps pour les démonter. Tous sont décrits dans des manuels.
Forces internes
1. Couple- c'est la capacité de faire tourner un objet autour de son axe, c'est-à-dire une roue de vélo, à l'aide d'une force appliquée. La force est créée par les jambes du cycliste et le couple est transmis des pédales à la roue du vélo à l'aide d'une chaîne, d'un cardan, d'une courroie ou d'une autre transmission. Réglable en sélectionnant les étoiles avant et arrière dans diverses options.
2. Autres forces internes principalement causés par les frottements entre les pièces mobiles du vélo et ses options de conception. Leur valeur dépend du type de suspension, de transmission, de mécanisme de direction et d'autres éléments structurels.
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Sur un vélo, pour transférer le couple de la chaîne vers le moyeu de la roue arrière, trois principaux types de transmission sont utilisés : Transmission à cassette. Transmission frivole. Transfert gratuit.
Il n'y a pas de règles strictes, chacun choisit sa propre version, parfois très différente de celle généralement acceptée. Avec l'acquisition de l'expérience de conduite, chaque cycliste développe ses propres priorités dans le choix des vitesses pour lui-même. Afin de préserver les éléments de la transmission et prolonger la durée de vie...
Dérailleur avant. Son travail consiste à déplacer la chaîne d'une étoile à l'autre. Le mécanisme à parallélogramme déplace le cadre à travers lequel passe la chaîne. Lors du passage à une autre vitesse, le cadre se déplace et se situe au dessus de l'étoile souhaitée...
Il existe une relation directe entre la pression de la chambre et la facilité avec laquelle un vélo roule. Des roues insuffisamment gonflées ralentissent le vélo, et inversement, des chambres remplies d'air ne dépassant pas la pression maximale donnent une aisance de mouvement...
L'invention de la transmission par chaîne il y a plus de cent ans a été l'une des étapes révolutionnaires du développement du vélo. Avec l'aide d'une chaîne, il est devenu possible de transférer la force des pédales à roue arrière vélo, qui a permis de réduire la taille des roues aux tailles modernes ...
L'un des types les plus populaires repos actif est une balade à vélo. Outre le fait qu'un vélo permet de renforcer et de développer divers muscles (muscles des jambes, des bras, du dos et de l'abdomen), c'est aussi un moyen de voir des curiosités locales ou simplement de se remonter le moral en le roulant avec toute la famille. ou avec des amis. Cependant, un vélo avec une conduite inepte peut provoquer des ecchymoses et des écorchures. Surtout lors de la conduite à grande vitesse lors d'un virage. Essayons de comprendre ce que vous devez faire pour vous relayer en toute sécurité lorsque vous faites du vélo.
Lorsque vous pédalez sur un vélo, la force du cycliste est transférée aux roues, elles commencent donc à tourner. Les pneus de vélo interagissent avec la surface de la route. Les forces de cette interaction sont la force de réaction d'appui et la force de frottement, c'est cette dernière qui fait bouger le vélo, et protège également le vélo du dérapage lors d'un virage. Plus la force de friction entre les pneus du vélo et la surface de la route est grande, plus la conduite sera sûre et fiable, en particulier dans les virages. La force de frottement maximale est la force de frottement de glissement, elle est déterminée par la formule :
où est le coefficient de frottement, et N est la force de réaction du support dirigée verticalement vers le haut.
Pendant le virage, le vélo se déplace le long d'un arc ayant un certain rayon R (voir vue de dessus). Dans ce cas, la vitesse du vélo est dirigée tangentiellement à la trajectoire, et l'accélération centripète et la force de frottement retenant le cycliste sont dirigées vers le centre de l'arc. D'après la seconde loi de Newton :
Considérant que la force de gravité est dirigée verticalement vers le bas et que l'accélération centripète est,
on obtient que le rayon minimum possible de l'arc est calculé par la formule :
Le coefficient de frottement du caoutchouc est compris entre 0,5 et 0,8 pour l'asphalte sec et entre 0,25 et 0,5 pour l'asphalte humide. Par conséquent, lorsque vous conduisez à une vitesse de 15 km / h (environ 4,2 m / s), il sera prudent de tourner le long d'un arc de rayon R \u003d 4,2 2 / (0,5 9,8) \u003d 3,6 m (asphalte sec) et R \u003d 4,2 2 / (0,25 9,8) \u003d 7,2 m (asphalte mouillé).
Il convient également de noter que pour maintenir l'équilibre dans les virages, vous devez incliner légèrement le vélo dans le sens du virage.
Selon la méthode proposée, nous vous proposons de calculer :
- rayon de virage sécuritaire à une vitesse de 24 km/h sur chemin de terre sec (coefficient de frottement 0,4) et sur verglas (coefficient de frottement 0,15) ;
- l'angle α du vélo pour maintenir l'équilibre en tournant à la même vitesse, étant donné que la force centrifuge est appliquée au centre de masse du vélo.
Moments de forces lors du déplacement d'un vélo.
Un vélo à deux roues ne tombe pas lorsqu'il se déplace, car celui qui le conduit maintient constamment l'équilibre. La zone de support du vélo est petite - c'est une ligne droite tracée à travers les points de contact des roues du vélo avec le sol. Par conséquent, le vélo est dans un état d'équilibre dynamique. Ceci est réalisé par la direction : lorsque le vélo est incliné, la personne tourne le volant dans le même sens. Après cela, le vélo tourne, tandis que la force centrifuge ramène le vélo à sa position verticale initiale. Le processus de direction pour maintenir l'équilibre est continu, de sorte que le mouvement du vélo n'est pas droit. Si le volant est fixe, le vélo tombera. Il existe une relation entre la vitesse et la force centrifuge. Plus la vitesse est élevée, plus la valeur de la force centrifuge est élevée et, par conséquent, moins il est nécessaire de braquer le volant pour maintenir l'équilibre.
Pour tourner, il faut incliner le vélo sur le côté afin que la somme de la force centrifuge et de la force de gravité passe par la ligne d'appui de la roue. Si ce n'est pas le cas, alors la force centrifuge fera basculer le vélo dans l'autre sens. Pour faciliter l'équilibre, la conception de la direction du vélo a ses propres caractéristiques. L'axe de la colonne de direction est incliné vers l'arrière et non situé verticalement. Il passe sous l'axe de rotation de la roue et devant le point où la roue du vélo touche le sol. Avec ce type de conception, les objectifs suivants sont atteints :
Stabilité du vélo au freinage.
Lors d'un freinage à vélo, l'essentiel est de maintenir l'équilibre. Freiner au moins point important que le trajet lui-même, et probablement le plus important, car la santé du cycliste en dépend. Si vous connaissez la théorie du comportement du vélo au moment du freinage, vous pouvez réduire considérablement le nombre d'ecchymoses et de bosses (malheureusement, vous ne pouvez toujours pas vous en passer).
Qu'est-ce que le freinage
La définition est claire. Dans les encyclopédies, il est écrit que "freiner, c'est ralentir le mouvement à l'aide d'un frein". Mais après tout, le tout est que généralement tout le monde n'est pas très intéressé par ce qu'il faut ralentir (bien que cela doive être mentionné), Habituellement, tout le monde est intéressé par la façon de ralentir le mouvement (vous appuyez sur le levier et c'est tout), et pas comment le ralentir dans une certaine situation spécifique sur la route. Vous pouvez essayer de peindre beaucoup de conseils théoriques pour tout situations possibles sur la route, mais il y a toujours des exceptions aux règles et tôt ou tard le cycliste se retrouve dans une situation où il n'y a pas assez de recommandations. La chose la plus importante est que le freinage pendant la conduite d'un vélo doit être rendu automatique, car dans les cas d'urgence, il n'y a tout simplement pas le temps de réfléchir à la façon de le faire correctement et de se souvenir de la théorie. Accepter solution correcte l'intuition aide, mais il faut aussi connaître quelques règles théoriques sur le comportement d'un vélo au moment du freinage.
Balade en vélo.
Le roulement d'un vélo dépend de divers facteurs : les caractéristiques du cadre, les amortisseurs, le diamètre des roues, les pneus, la pression dans les chambres, le poids total du vélo, et bien d'autres. Le rebond ne se mesure pas en chiffres. Les cyclistes expérimentés peuvent le sentir et l'apprécier. Pour les amateurs, la différence est surtout visible s'ils changent, par exemple vélo pas cherà un plus cher et de haute qualité.
Qu'est-ce qui détermine le roulement d'un vélo
Cadre. Il y a une expression "châssis roulant". Mais, il est très difficile de sentir la différence entre un cadre «non roulant» et «roulant», car les caractéristiques clairement perceptibles ne sont caractéristiques que des modèles très chers. Les cadres fabriqués à partir de matériaux coûteux ont tendance à absorber les chocs et les vibrations. Des conceptions de cadre plus longues aident le cycliste à obtenir une position de conduite plus aérodynamique sur le vélo, ce qui a un effet positif sur le roulement. Mais, sur un vélo classique, le roulement du cadre ne dépend pas autant que des autres composants.
Taille de roue. L'un des principaux facteurs déterminants influençant le roulis d'un vélo. Les roues plus grandes de 28" ou 29" vont plus vite que les roues de 26", donc le vélo roule plus avec elles. Les neufs maintenant populaires avec des roues de 29 pouces ont cette qualité.
Protecteur de pneu. Les pneus lisses et étroits sans bande de roulement roulent mieux. Le pire de tout est un pneu large et agressif avec une bande de roulement haute.
Forces physiques agissant sur un vélo
Puisqu'un vélo classique a deux roues, pour que le cycliste puisse rouler, il doit constamment maintenir l'équilibre et surmonter diverses forces qui surviennent au cours du mouvement. Ce n'est pas parce qu'un vélo est simple qu'il est si simple. Les forces physiques agissant lors de la conduite d'un vélo sont basées sur les lois fondamentales de la science. Considérez les principales forces qui agissent lorsque vous roulez à vélo.
forces externes.
1. Force de gravité (gravité). La gravité est l'un des quatre phénomènes fondamentaux de la nature. Expliqué par la loi de Newton. La force avec laquelle il agit est directement proportionnelle au poids corporel du cycliste. Plus le poids du cycliste est important, plus la force de gravité est forte. Il agit sur le cycliste et les composants du vélo perpendiculairement au sol. La force de son action augmente en montée et diminue en conséquence en descente.
2. Force de résistance de l'air. Les forces aérodynamiques agissant sur un cycliste sont principalement la somme de la résistance de l'air et du vent de face ou latéral. À vitesse moyenne et se déplaçant sur une surface plane, la traînée aérodynamique est la plus grande force qui empêche le mouvement vers l'avant. Avec une nouvelle augmentation de la vitesse, la traînée aérodynamique devient écrasante et son ampleur dépasse de loin toutes les autres forces qui entravent le mouvement vers l'avant.
Essais aérodynamiques en cyclisme
Quand l'amélioration Caractéristiques le vélo a atteint une certaine limite et il n'y a pratiquement aucune différence dans les performances des composants individuels de différents fabricants, ils ont prêté attention à la résistance de l'air que le cycliste surmonte lors de la conduite. Cet indicateur avait une valeur numérique impressionnante, il y avait donc quelque chose sur quoi travailler. Comme dans l'industrie aéronautique et l'industrie automobile, une soufflerie est utilisée pour tester comment le flux d'air venant en sens inverse affecte le cycliste. Cet appareil coûteux permet de déterminer l'interaction d'un objet (cycliste) avec le flux d'air, ainsi que de déterminer force agissante en termes numériques. Lors des tests, l'ajustement optimal du cycliste est déterminé, ainsi que le coefficient de résistance au flux d'air venant en sens inverse parties séparées vélo et matériel de sport.
La conception de la soufflerie est une pièce, d'un côté de laquelle sont installés des ventilateurs à haute performance, ils créent un flux d'air qui simule un vent de face, dont la vitesse est contrôlée en modifiant la puissance des moteurs électriques qui font tourner le ventilateur lames
durabilité du cadre de vélo
Pendant le fonctionnement du vélo, des charges sont appliquées au cadre, qui se répètent plusieurs fois. Ces charges cycliques proviennent des irrégularités de la chaussée : fosses, bosses, nids de poule dans l'asphalte, etc. Lorsque les alliages d'aluminium ont commencé à être utilisés dans diverses structures (notamment dans l'aviation et l'astronautique), les études ont montré qu'une seule charge ne provoque pas de déformations et de destruction de le matériau, mais un certain nombre de cycles de charge dans le matériau structurel ont provoqué des déformations, des fissures et des destructions ultérieures. Ce phénomène est caractérisé par le terme « rupture par fatigue ». Le nombre de cycles de chargement qui conduit à une défaillance est appelé "durée de vie".
Les mêmes études ont montré que la présence de fissures, bosses, trous, soudures dans les parties les plus chargées de la structure réduit la durabilité de la structure elle-même d'un ordre de grandeur. Cette tendance est appelée "concentration locale des contraintes". Même un petit trou dans la structure contribue à une augmentation de la contrainte à côté d'au moins 2 fois, et une rayure d'une profondeur suffisante de 5 à 6 fois. La fissure élève la contrainte locale jusqu'à la limite d'élasticité et augmente donc systématiquement avec l'augmentation de la vitesse.
Pour deux roues ne tombez pas, vous devez constamment maintenir l'équilibre. Comme l'empreinte d'un vélo est très faible (dans le cas d'un vélo à deux roues, il s'agit simplement d'une ligne droite passant par deux points où les roues touchent le sol), un tel vélo ne peut être qu'en équilibre dynamique. Ceci est réalisé avec la direction : si le vélo se penche, le cycliste dévie le guidon du même côté. En conséquence, le vélo commence à tourner et la force centrifuge ramène le vélo en position verticale. Ce processus est continu, de sorte que le vélo à deux roues ne peut pas aller strictement tout droit ; Si vous réparez le volant, le vélo tombera définitivement. Plus la vitesse est élevée, plus la force centrifuge est importante et moins vous devez braquer le volant pour maintenir l'équilibre.
Lorsque vous tournez, vous devez incliner le vélo dans le sens du virage afin que la somme de la gravité et de la force centrifuge passe par la ligne d'appui. Sinon, la force centrifuge fera basculer le vélo dans la direction opposée. Tout comme lors de la conduite en ligne droite, il est impossible de maintenir idéalement une telle inclinaison, et la direction s'effectue exactement de la même manière, seule la position d'équilibre dynamique est décalée, en tenant compte de la force centrifuge qui s'est produite.
La conception de la direction du vélo facilite le maintien de l'équilibre. L'axe de rotation du volant n'est pas vertical, mais incliné vers l'arrière. De plus, il passe en dessous de l'axe de rotation roue avant et devant le point où la roue touche le sol. Cette conception atteint deux objectifs :
- Lorsque la roue avant d'un vélo en mouvement s'écarte accidentellement de la position neutre, un moment de friction se produit autour de l'essieu directeur, ce qui ramène la roue en position neutre.
- Si vous inclinez le vélo, un moment de force se développe, faisant tourner la roue avant dans le sens de l'inclinaison. Ce moment est causé par la force de réaction du support. Il est appliqué au point où la roue touche le sol et pointe vers le haut. Étant donné que l'essieu directeur ne passe pas par ce point, lorsque le vélo se penche, la force de réaction au sol se déplace par rapport à l'essieu directeur.
Ainsi, il est réalisé direction automatique pour aider à maintenir l'équilibre. Si le vélo s'incline accidentellement, la roue avant tourne dans le même sens, le vélo commence à tourner, la force centrifuge le ramène en position verticale et la force de friction ramène la roue avant en position neutre. Grâce à cela, vous pouvez faire du vélo "sans les mains". Le vélo lui-même maintient l'équilibre. En déplaçant le centre de gravité sur le côté, vous pouvez maintenir une inclinaison constante du vélo et effectuer un virage.
On peut voir que la capacité d'un vélo à maintenir seul l'équilibre dynamique dépend de la conception de la fourche de direction. Le facteur déterminant est l'épaulement de la réaction du support de roue, c'est-à-dire la longueur de la perpendiculaire abaissée du point de contact de la roue au sol à l'axe de rotation de la fourche; ou, de manière équivalente, mais plus facile à mesurer, la distance entre le point de contact de la roue et le point où l'axe de rotation de la fourche coupe le sol. Ainsi, pour une même roue, le moment résultant sera d'autant plus élevé que l'inclinaison de l'axe de rotation de la fourche sera grande. Cependant, pour atteindre des caractéristiques dynamiques optimales, ce n'est pas le couple maximal qui est nécessaire, mais un couple strictement défini : si un moment trop petit conduit à une difficulté à maintenir l'équilibre, alors un couple trop important conduit à une instabilité oscillatoire, en particulier, "shimmy". " (voir ci-dessous). Par conséquent, la position de l'axe de roue par rapport à l'axe de fourche est soigneusement choisie lors de la conception ; de nombreuses fourches de vélo sont cambrées ou simplement avancées pour réduire l'excès de couple.
L'opinion répandue sur l'influence significative du moment gyroscopique des roues en rotation sur le maintien de l'équilibre est incorrecte.
Sur vitesses élevées(à partir d'environ 30 km/h) la roue avant peut éprouver ce qu'on appelle. oscillations de vitesse, ou "shimmy" - un phénomène bien connu dans l'aviation. Avec ce phénomène, la roue oscille spontanément à droite et à gauche. L'oscillation à grande vitesse est plus dangereuse lorsque vous roulez "sans les mains" (c'est-à-dire lorsque le cycliste roule sans tenir le volant). La raison de l'oscillation à grande vitesse n'est pas due à un mauvais assemblage ou à un mauvais montage de la roue avant, mais à une résonance. L'oscillation de vitesse est facile à éteindre en ralentissant ou en changeant de posture, mais si elle n'est pas faite, elle peut être mortelle.
Le vélo est plus efficace (en termes de coûts énergétiques par kilomètre) que la marche et la voiture. Faire du vélo à 30 km/h brûle 15 kcal/km (kilocalories par kilomètre), soit 450 kcal/h (kilocalories par heure). En marchant à une vitesse de 5 km / h, 60 kcal / km ou 300 kcal / h sont brûlés, c'est-à-dire en faisant du vélo quatre fois plus efficace que la marche consommation d'énergie par unité de distance. Étant donné que le vélo brûle plus de calories par heure, c'est aussi le meilleur charge sportive. Lors de la course, le coût des calories par heure est encore plus élevé. Soyez conscient que l'impact de la course à pied ainsi que d'un cyclisme incorrect (par exemple, monter une pente à haute vitesse, avoir les genoux froids, ne pas avoir assez de liquide, etc.) peut blesser vos genoux et articulation de la cheville. Un homme formé qui n'est pas athlète professionnel, peut développer une puissance de 250 watts, soit 1/3 ch pendant longtemps. Avec. Cela correspond à une vitesse de 30 à 50 km/h sur une route plate. Une femme peut développer moins de pouvoir absolu, mais plus de pouvoir par unité de poids. Étant donné que sur une route plate, presque toute la puissance est dépensée pour surmonter la résistance de l'air, et lors de la conduite en montée, le coût principal est de surmonter la gravité, les femmes, toutes choses étant égales par ailleurs, conduisent plus lentement sur un terrain plat et plus rapidement en montée.
D'après Wikipédia
