Bicicleta devine un mijloc de transport din ce în ce mai popular în aceste zile, când există atât de multe mașini încât interferează cu existența celuilalt. Bicicletele au numeroase avantaje față de mașini, motiv pentru care în multe țări europene sunt considerate aproape principalul mijloc de transport. Popularitatea prietenilor pe două roți este în creștere și la noi.
Bicicleta nu este doar un mijloc de transport, ci și un sistem mecanic complex care funcționează conform legilor fundamentale ale fizicii. Toate biciclete, indiferent de tip, marca, model si cost, isi fac riders sa depaseasca diverse forte. În timpul mersului, ciclistul se confruntă cu două forțe principale - gravitația și aerodinamica. Forța gravitației apasă pe biciclist cu vehiculul său la sol. În acest caz, vectorul de acțiune al forței este îndreptat strict perpendicular pe suprafața pământului. Forța gravitației este mai mare, cu atât bicicleta cântărește mai grea împreună cu călărețul ei. Are o mare influență asupra eforturilor pe care trebuie să le facă un biciclist atunci când merge cu două roți vehicul. Dacă greutatea corporală și greutatea bicicletei este mai mică, atunci va fi mult mai ușor de condus, ceea ce înseamnă că mersul va da senzații mai plăcute. Deși, pentru unii, bicicleta este un simulator de ardere a caloriilor.
A doua forță fizică fundamentală pe care un biciclist trebuie să o depășească în timp ce se mișcă este aerodinamica. În esență, aceasta este forța de rezistență a fluxului de aer care se apropie, care crește pe măsură ce crește viteza. Cu cât ciclistul se mișcă mai repede, cu atât este mai mare forța de rezistență a aerului. Pe lângă curenții de aer care se apropie, vânturile laterale pot acționa și asupra bicicletei, ceea ce complică și mai mult mișcarea și te obligă să aplici forțe suplimentare. Nu este ușor să depășiți forțele aerodinamice atunci când conduceți cu viteză mare pe un drum plat - acest lucru necesită excelent antrenament fizic. Dacă nu există, atunci este mai bine să cumpărați o bicicletă cu o unitate electrică, care vă va permite să mergeți în două moduri - mecanic și automat. Trebuie remarcat faptul că conducerea mecanică consumă mult mai multă energie și efort decât conducerea automată. Pentru a economisi energia bateriei, este mai bine să nu conduceți tot timpul cu o mașină electrică, ci doar în acele zone care sunt deosebit de dificil de depășit pe cont propriu (cățărări, teren accidentat și așa mai departe).
Întrucât o bicicletă clasică are două roți, pentru ca biciclistul să circule, acesta trebuie să mențină constant echilibrul și să depășească diferitele forțe care apar în procesul de mișcare.
Doar pentru că o bicicletă este simplă nu înseamnă că este atât de simplă. forte fizice, care acționează atunci când mergi pe bicicletă se bazează pe legile fundamentale ale științei. Luați în considerare principalele forțe care acționează atunci când mergeți pe bicicletă.
Forțele exterioare
1. Forța gravitațională (gravitație). Gravitația este unul dintre cele patru fenomene fundamentale din natură. Explicat prin legea lui Newton. Forța cu care acționează este direct proporțională cu greutatea corporală a biciclistului. Cu cât greutatea biciclistului este mai mare, cu atât forță mai puternică gravitatie. Acționează asupra biciclistului și componentelor bicicletei perpendicular pe sol. Puterea acțiunii sale crește la urcare cu bicicleta și scade în consecință la coborâre.
2. Forța de rezistență a aerului. Forțele aerodinamice care acționează asupra unui biciclist sunt în principal suma rezistenței aerului și a vântului frontal sau lateral. La viteza medieși deplasându-se pe o suprafață plană, rezistența aerodinamică este cea mai mare forță care împiedică mișcarea înainte. Odată cu o creștere suplimentară a vitezei, devine copleșitoare, iar amploarea sa depășește cu mult toate celelalte forțe care împiedică mișcarea înainte.
3. Forța de rezistență la rulare. Rezistența la rulare este forța care apare atunci când un obiect rotund, în acest caz o roată de bicicletă, se deplasează de-a lungul unei suprafețe plane cu o viteză în linie dreaptă. Apare în principal atunci când roata este deformată, suprafața pe care se mișcă roata sau ambele sunt deformate. Când mergeți pe bicicletă, această forță crește cu roțile prost umflate sau când vă deplasați, de exemplu, pe nisip. De asemenea, forța de rezistență la rulare depinde în plus de factori precum raza roții, viteza de mișcare și tipul suprafețelor de contact.
4. Forțe generate în timpul manevrelor de echilibrare a unei biciclete. Apare la schimbarea direcției bicicletei sau la manipularea ghidonului pentru echilibrarea bicicletei și menținerea echilibrului. Determinată de forța centrifugă. În mecanică, termenul de forță centrifugă este folosit pentru a explica două concepte - forța inerțială și forța centripetă. Acestea sunt procese complexe și durează destul de mult timp pentru a le dezasambla. Toate sunt descrise în manuale.
forțe interne
1. Cuplu- aceasta este capacitatea de a roti un obiect în jurul axei sale, adică o roată de bicicletă, cu ajutorul unei forțe aplicate. Forța este creată de picioarele biciclistului, iar cuplul este transmis de la pedale la roata bicicletei folosind un lanț, cardan, curea sau altă transmisie. Ajustabil prin selectarea stelelor din față și din spate în diferite opțiuni.
2. Alte forțe interne cauzată în principal de frecarea dintre părțile mobile ale bicicletei și opțiunile de proiectare ale acesteia. Valoarea lor depinde de tipul de suspensie, transmisie, mecanism de direcție și alte elemente structurale.
Citește și pe acest subiect:
Pe o bicicletă, pentru a transfera cuplul de la lanț la butucul roții din spate, se folosesc trei tipuri principale de transmisie: Transmisia cu casetă. Transmitere frivolă. Transfer gratuit.
Nu există reguli stricte, fiecare își alege versiunea, uneori foarte diferită de cea general acceptată. Odată cu dobândirea experienței de mers, fiecare biciclist își dezvoltă propriile priorități în alegerea vitezelor pentru el însuși. Pentru a păstra elementele transmisiei și a prelungi durata de viață...
Schimbator fata. Treaba lui este să mute lanțul de la o stea la alta. Mecanismul paralelogram mișcă cadrul prin care trece lanțul. Când treceți la o altă viteză, cadrul se mișcă și este situat deasupra stelei dorite ...
Există o relație directă între presiunea camerei și cât de ușor merge o bicicletă. Roțile insuficient umflate încetinesc bicicleta și invers, camerele umplute cu aer care nu depășesc presiunea maximă oferă o mișcare ușoară...
Invenția transmisiei cu lanț în urmă cu mai bine de o sută de ani a fost unul dintre pașii revoluționari în dezvoltarea bicicletei. Cu ajutorul unui lanț, a devenit posibil să se transfere forța de la pedale la roata din spate bicicletă, care a făcut posibilă reducerea dimensiunii roților la dimensiuni moderne ...
Unul dintre cele mai populare tipuri odihnă activă este o plimbare cu bicicleta. Pe lângă faptul că o bicicletă vă permite să întăriți și să dezvoltați diverși mușchi (mușchii picioarelor, brațelor, spatelui și abdomenului), este și un mijloc de a vedea obiectivele turistice locale sau pur și simplu de a vă înveseli mergând pe ea cu întreaga familie. sau cu prietenii. Cu toate acestea, o bicicletă cu o mers inadecvat poate provoca vânătăi și abraziuni. Mai ales când conduceți cu viteză mare în timpul unei viraj. Să încercăm să ne dăm seama ce trebuie să faci pentru a face ture în siguranță în timp ce mergi cu bicicleta.
La pedalarea unei biciclete, forța biciclistului este transferată roților, astfel încât acestea încep să se rotească. Anvelopele pentru biciclete interacționează cu suprafața drumului. Forțele acestei interacțiuni sunt forța de reacție a sprijinului și forța de frecare, aceasta din urmă este cea care face ca bicicleta să se miște și, de asemenea, protejează bicicleta de derapaj în timpul unei viraj. Cu cât forța de frecare dintre anvelopele bicicletei și suprafața drumului este mai mare, cu atât mersul va fi mai încrezător și mai fiabil, mai ales la viraje. Forța maximă de frecare este forța de frecare de alunecare, este determinată de formula:
unde este coeficientul de frecare, iar N este forța de reacție a suportului îndreptată vertical în sus.
În timpul virajului, bicicleta se deplasează de-a lungul unui arc având o anumită rază R (vezi vedere de sus). În acest caz, viteza bicicletei este direcționată tangențial la traiectorie, iar accelerația centripetă și forța de frecare care ține ciclistul sunt direcționate spre centrul arcului. Conform celei de-a doua legi a lui Newton:
Având în vedere că forța gravitației este îndreptată vertical în jos, iar accelerația centripetă este,
obținem că raza minimă posibilă a arcului este calculată prin formula:
Coeficientul de frecare al cauciucului este în intervalul de la 0,5 la 0,8 pentru asfaltul uscat și în intervalul de la 0,25 la 0,5 pentru asfaltul umed. Prin urmare, atunci când conduceți cu o viteză de 15 km / h (aproximativ 4,2 m / s), va fi sigur să virați de-a lungul unui arc de rază R \u003d 4,2 2 / (0,5 9,8) \u003d 3,6 m (asfalt uscat) și R \u003d 4,2 2 / (0,25 9,8) \u003d 7,2 m (asfalt umed).
De asemenea, trebuie remarcat faptul că, pentru a menține echilibrul la virare, trebuie să apleci ușor bicicleta în direcția virajului.
Conform metodei propuse, vă sugerăm să calculați:
- raza virajului sigur cu viteza de 24 km/h pe un drum uscat de pământ (coeficient de frecare 0,4) și pe gheață (coeficient de frecare 0,15);
- unghiul α al bicicletei pentru a menține echilibrul la întoarcerea cu aceeași viteză, având în vedere că forța centrifugă se aplică centrului de masă al bicicletei.
Momente de forță în timpul deplasării unei biciclete.
O bicicletă cu două roți nu cade în mișcare, pentru că cel care o conduce își menține echilibrul constant. Zona de susținere a bicicletei este mică - este o linie dreaptă trasată prin punctele de contact ale roților bicicletei cu solul. Prin urmare, bicicleta se află într-o stare de echilibru dinamic. Acest lucru se realizează prin direcție: atunci când bicicleta este înclinată, persoana rotește volanul în aceeași direcție. După aceea, bicicleta se întoarce, în timp ce forța centrifugă readuce bicicleta în poziția verticală inițială. Procesul de direcție pentru menținerea echilibrului este continuu, astfel încât mișcarea bicicletei nu este dreaptă. Dacă volanul este fix, bicicleta va cădea. Există o relație între viteză și forța centrifugă. Cu cât viteza este mai mare, cu atât este mai mare valoarea forței centrifuge și, în consecință, cu atât este mai puțin necesară deviația volanului pentru a menține echilibrul.
Pentru a vă întoarce, trebuie să înclinați bicicleta într-o parte, astfel încât suma forței centrifuge și a forței gravitaționale să treacă prin linia de susținere a roții. Dacă nu este cazul, atunci forța centrifugă va înclina bicicleta în cealaltă direcție. Pentru a facilita echilibrul, designul direcției bicicletei are propriile sale caracteristici. Axa coloanei de direcție este înclinată înapoi și nu este situată vertical. Trece sub axa de rotație a roții și înaintea punctului în care roata bicicletei atinge solul. Cu acest tip de design, sunt atinse următoarele obiective:
Stabilitatea bicicletei la frânare.
Când frânați în timp ce mergeți cu bicicleta, principalul lucru este să mențineți echilibrul. Frânarea măcar punct important decât cursa în sine, și cel mai probabil cea mai importantă, pentru că de ea depinde sănătatea biciclistului. Dacă cunoașteți teoria comportamentului bicicletei în momentul frânării, puteți reduce foarte mult numărul de vânătăi și denivelări (din păcate, încă nu vă puteți descurca fără ea).
Ce este frânarea
Definitia este clara. În enciclopedii scrie că „a frâna înseamnă a încetini mișcarea cu ajutorul unei frâne”. Dar, la urma urmei, totul este că, de obicei, toată lumea nu este foarte interesată de ce să încetinească (deși acest lucru ar trebui menționat), de obicei, toată lumea este interesată de cum să încetinească mișcarea (apasați maneta și atât) și nu cum să o încetinești într-o anumită situație specifică pe drum. Puteți încerca să pictați o mulțime de sfaturi teoretice pentru orice situatii posibile pe drum, dar există întotdeauna excepții de la reguli și, mai devreme sau mai târziu, biciclistul se află într-o situație în care nu există suficiente recomandări. Cel mai important lucru este că frânarea în timpul mersului pe bicicletă ar trebui adusă la automatitate, deoarece în cazuri de urgență pur și simplu nu există timp să se gândească cum să o faci corect și să-ți amintești teoria. Accept solutie corecta intuiția ajută, dar trebuie să cunoști și câteva reguli teoretice pentru comportamentul unei biciclete în momentul frânării.
Plimbare cu bicicleta.
Derularea unei biciclete depinde de diverși factori: caracteristicile cadrului, amortizoarele, diametrul roții, anvelopele, presiunea în camere, greutatea totală a bicicletei și mulți alții. Reboundul nu poate fi măsurat în cifre. Bicicliștii cu experiență îl pot simți și aprecia. Pentru amatori, diferența este vizibilă mai ales dacă se schimbă, de exemplu bicicleta ieftina la unul mai scump și de înaltă calitate.
Ceea ce determină rularea unei biciclete
Cadru. Există o expresie „cadru rulant”. Dar, este foarte dificil să simți diferența dintre un cadru „nerulant” și „rulant”, deoarece caracteristicile clar vizibile sunt caracteristice doar modelelor foarte scumpe. Ramele realizate din materiale scumpe tind să absoarbă șocurile și vibrațiile. Designul de cadru mai lung îl ajută pe călăreț să obțină o poziție de condus mai aerodinamică pe bicicletă, ceea ce are un efect pozitiv asupra rulării. Dar, la o bicicletă convențională, rularea din cadru nu depinde la fel de mult ca de alte componente.
Mărimea roții. Unul dintre principalii factori determinanți care influențează rularea unei biciclete. rotile dimensiuni mari 28 sau 29 de inchi merg mai repede decât 26 de inchi, astfel încât bicicleta se rostogolește mai mult cu ei. Acum, popularele ninere cu roți de 29 de inci au această calitate.
Protector pentru anvelope. Cele mai bune anvelope netede, înguste, fără ruliu. Cel mai rău dintre toate este o anvelopă lată, agresivă, cu un model înalt al benzii de rulare.
Forțele fizice care acționează asupra unei biciclete
Întrucât o bicicletă clasică are două roți, pentru ca biciclistul să circule, acesta trebuie să mențină constant echilibrul și să depășească diferitele forțe care apar în procesul de mișcare. Doar pentru că o bicicletă este simplă nu înseamnă că este atât de simplă. Forțele fizice care acționează în timpul mersului cu bicicleta se bazează pe legile fundamentale ale științei. Luați în considerare principalele forțe care acționează atunci când mergeți pe bicicletă.
forțe externe.
1. Forța gravitațională (gravitație). Gravitația este unul dintre cele patru fenomene fundamentale din natură. Explicat prin legea lui Newton. Forța cu care acționează este direct proporțională cu greutatea corporală a biciclistului. Cu cât greutatea biciclistului este mai mare, cu atât forța gravitației este mai puternică. Acționează asupra biciclistului și componentelor bicicletei perpendicular pe sol. Puterea acțiunii sale crește la urcare cu bicicleta și scade în consecință la coborâre.
2. Forța de rezistență a aerului. Forțele aerodinamice care acționează asupra unui biciclist sunt în principal suma rezistenței aerului și a vântului frontal sau lateral. La viteză medie și deplasându-se pe o suprafață plană, rezistența aerodinamică este cea mai mare forță care împiedică mișcarea înainte. Odată cu o creștere suplimentară a vitezei, rezistența aerodinamică devine copleșitoare, iar amploarea sa depășește cu mult toate celelalte forțe care împiedică mișcarea înainte.
Teste aerodinamice în ciclism
Când îmbunătățirea specificații bicicleta a atins o anumită limită și practic nu există nicio diferență în performanța componentelor individuale de la diferiți producători, au acordat atenție rezistenței la aer pe care o depășește biciclistul atunci când merge. Acest indicator avea o valoare numerică impresionantă, așa că era ceva de lucrat. Ca și în industria aeronautică și în industria auto, un tunel de vânt este folosit pentru a testa modul în care fluxul de aer care se apropie afectează ciclistul. Acest dispozitiv scump ajută la determinarea interacțiunii unui obiect (ciclist) cu fluxul de aer, precum și la determinarea forță care acționeazăîn termeni numerici. În timpul testelor, se determină potrivirea optimă a biciclistului, precum și coeficientul de rezistență la fluxul de aer care se apropie. părți separate biciclete si echipamente sportive.
Designul tunelului de vânt este o încăpere, pe o parte din care sunt instalate ventilatoare de înaltă performanță, acestea creează un flux de aer care simulează un vânt în fața, a cărui viteză este controlată prin modificarea puterii motoarelor electrice care rotesc ventilatorul lame
durabilitatea cadrului bicicletei
În timpul funcționării bicicletei, pe cadru sunt aplicate sarcini, care se repetă de multe ori. Aceste sarcini ciclice rezultă din nereguli ale carosabilului: gropi, denivelări, gropi în asfalt etc. Când aliajele de aluminiu au început să fie folosite în diferite structuri (în special în aviație și astronautică), studiile au arătat că o singură sarcină nu provoacă deformări și distrugeri ale materialul, dar un anumit număr de cicluri de încărcare în materialul structural a provocat deformare, fisuri și distrugeri ulterioare. Acest fenomen este caracterizat de termenul „eșec de oboseală”. Numărul de cicluri de încărcare care duce la defecțiune se numește „durată de oboseală”.
Aceleași studii au arătat că prezența fisurilor, a loviturilor, a găurilor, a sudurilor în părțile cele mai încărcate ale structurii reduce durabilitatea structurii în sine cu un ordin de mărime. Această tendință se numește „concentrare locală de stres”. Chiar și o mică gaură în structură contribuie la creșterea tensiunii de lângă ea de cel puțin 2 ori și la o zgârietură de adâncime suficientă de 5-6 ori. Fisura ridică solicitarea locală până la limita de curgere și, prin urmare, crește sistematic odată cu creșterea vitezei.
Pentru a două roți nu cădeți, trebuie să mențineți echilibrul în mod constant. Deoarece amprenta unei biciclete este foarte mică (în cazul unei biciclete cu două roți, este doar o linie dreaptă trasată prin două puncte în care roțile ating solul), o astfel de bicicletă poate fi doar în echilibru dinamic. Acest lucru se realizează prin direcție: dacă bicicleta se înclină, ciclistul deviază ghidonul în aceeași parte. Drept urmare, bicicleta începe să se rotească, iar forța centrifugă readuce bicicleta în poziție verticală. Acest proces este continuu, astfel încât bicicleta cu două roți nu poate merge strict drept; Daca repari volanul, cu siguranta bicicleta va cadea. Cu cât viteza este mai mare, cu atât este mai mare forța centrifugă și cu atât mai puțin trebuie să devii volanul pentru a menține echilibrul.
Când vă întoarceți, trebuie să înclinați bicicleta în direcția virajului, astfel încât suma gravitației și a forței centrifuge să treacă prin linia de sprijin. În caz contrar, forța centrifugă va înclina bicicleta în direcția opusă. La fel ca atunci când conduceți în linie dreaptă, este imposibil să mențineți în mod ideal o astfel de înclinare, iar direcția se efectuează exact în același mod, doar poziția de echilibru dinamic este deplasată, ținând cont de forța centrifugă care a apărut.
Designul direcției bicicletei facilitează menținerea echilibrului. Axa de rotație a volanului nu este verticală, ci înclinată înapoi. În plus, trece sub axa de rotație roata din fatași înaintea punctului în care roata atinge pământul. Acest design atinge două obiective:
- Când roata din față a unei biciclete în mișcare se abate accidental de la poziția neutră, are loc un moment de frecare în jurul axei de direcție, care readuce roata înapoi în poziția neutră.
- Dacă înclinați bicicleta, se dezvoltă un moment de forță, rotind roata din față în direcția înclinării. Acest moment este cauzat de forța de reacție a suportului. Se aplică până în punctul în care roata atinge solul și este îndreptată în sus. Deoarece axa de direcție nu trece prin acest punct, atunci când bicicleta se înclină, forța de reacție a solului se schimbă în raport cu axa de direcție.
Astfel, se realizează direcție automată pentru a ajuta la menținerea echilibrului. Dacă bicicleta se înclină accidental, atunci roata din față se întoarce în aceeași direcție, bicicleta începe să se rotească, forța centrifugă o readuce în poziție verticală, iar forța de frecare readuce roata din față înapoi în poziția neutră. Datorită acestui lucru, puteți merge pe bicicletă „fără mâini”. Bicicleta în sine menține echilibrul. Deplasând centrul de greutate în lateral, puteți menține o înclinare constantă a bicicletei și puteți face o întoarcere.
Se poate observa că capacitatea unei biciclete de a menține echilibrul dinamic pe cont propriu depinde de designul furcii de direcție. Factorul determinant este umărul reacției suportului roții, adică lungimea perpendicularei coborâte de la punctul de contact al roții solului până la axa de rotație a furcii; sau, echivalent, dar mai ușor de măsurat, distanța de la punctul de contact al roții până la punctul în care axa de rotație a furcii se intersectează cu solul. Astfel, pentru aceeași roată, momentul rezultat va fi cu atât mai mare, cu atât mai mare este înclinarea axei de rotație a furcii. Cu toate acestea, pentru a obține caracteristici dinamice optime, nu este necesar cuplul maxim, ci unul strict definit: dacă un moment prea mic duce la dificultăți în menținerea echilibrului, atunci un cuplu prea mare duce la instabilitate oscilativă, în special, „shimmy”. " (vezi mai jos). Prin urmare, poziția axei roții în raport cu axa furcii este aleasă cu grijă în proiectare; multe furci de biciclete sunt cambrate sau pur și simplu deplasate înainte pentru a reduce excesul de cuplu.
Opinia larg răspândită despre influența semnificativă a momentului giroscopic al roților în rotație asupra menținerii echilibrului este incorectă.
Pe viteze mari(începând de la aproximativ 30 km/h) roata din față poate experimenta așa-numitele. speed wobbles, sau „shimmy” – un fenomen bine cunoscut în aviație. Cu acest fenomen, roata se mișcă spontan spre dreapta și stânga. Balanțarea la viteză mare este cea mai periculoasă atunci când mergeți „în afara mâinilor” (adică atunci când ciclistul merge fără să se țină de volan). Motivul balansării la viteză mare nu se datorează asamblarii proaste sau montării proaste a roții din față, ele sunt cauzate de rezonanță. Viteza de balansare este ușor de stins prin încetinirea sau schimbarea posturii, dar dacă nu este făcută, poate fi mortală.
Ciclismul este mai eficient (din punct de vedere al costurilor energetice pe kilometru) decât mersul pe jos și conducerea. Mersul cu bicicleta la 30 km/h arde 15 kcal/km (kilocalorii pe kilometru) sau 450 kcal/h (kilocalorii pe oră). Când mergi cu o viteză de 5 km/h, se ard 60 kcal/km sau 300 kcal/h, adică mergi cu bicicleta de patru ori mai eficient decât mersul pe jos consumul de energie pe unitate de distanță. Deoarece ciclismul arde mai multe calorii pe oră, este și cel mai bun încărcătură sportivă. Când alergați, costul caloriilor pe oră este și mai mare. Fiți conștienți de faptul că impactul alergării, precum și al ciclismului incorect (de exemplu, mersul în sus, în trepte mari, genunchii rece, lipsa suficient de lichid etc.) vă pot răni genunchii și articulația gleznei. Un bărbat antrenat care nu este atlet profesionist, poate dezvolta o putere de 250 wați, sau 1/3 CP pentru o perioadă lungă de timp. Cu. Aceasta corespunde unei viteze de 30-50 km/h pe un drum plat. O femeie poate dezvolta mai puțină putere absolută, dar mai multă putere pe unitatea de greutate. Întrucât pe un drum plat aproape toată puterea este cheltuită pentru depășirea rezistenței aerului, iar la deplasarea în deal, costul principal este depășirea gravitației, femeile, celelalte lucruri fiind egale, conduc mai încet pe teren plan și mai repede în sus.
Conform Wikipedia
