Kolo postaja v današnjem času, ko je avtomobilov toliko, da drug drugemu posegajo v obstoj, vse bolj priljubljeno prevozno sredstvo. Kolesa imajo številne prednosti pred avtomobili, zato v mnogih evropskih državah veljajo za skoraj glavno prevozno sredstvo. Priljubljenost dvokolesnih prijateljev pri nas narašča.
Kolo ni samo prevozno sredstvo, ampak tudi kompleksen mehanski sistem, ki deluje v skladu s temeljnimi zakoni fizike. Vse kolesa, ne glede na tip, znamko, model in ceno, izzivajo svoje voznike, da premagajo različne sile. Med vožnjo se kolesar sooča z dvema glavnima silama – gravitacijo in aerodinamiko. Sila težnosti pritisne kolesarja in njegovo vozilo k tlom. V tem primeru je vektor sile usmerjen strogo pravokotno na površino zemlje. Čim težja sta kolo in voznik, večja je gravitacijska sila. Ima velik vpliv na napore, ki jih mora vložiti kolesar pri vožnji s svojim dvokolesnikom. vozilo. Če sta vaša telesna teža in teža kolesa manjši, bo vožnja veliko lažja, kar pomeni, da vam bo vožnja prinesla prijetnejše občutke. Čeprav je za nekatere kolo trenažer za kurjenje kalorij.
Druga temeljna fizična sila, ki jo mora kolesar premagati med vožnjo, je aerodinamika. V bistvu je to sila upora prihajajočega zračnega toka, ki se povečuje s povečanjem hitrosti. Hitreje ko se kolesar premika, večja je sila zračnega upora. Poleg prihajajočih zračnih tokov lahko na kolo delujejo tudi bočni vetrovi, ki dodatno otežijo gibanje in vas prisilijo v dodatne sile. Premagovanje aerodinamičnih sil pri vožnji z veliko hitrostjo po ravni cesti ni lahko – to zahteva odlično fizično usposabljanje. Če ga nimate, potem je bolje kupiti kolo z električnim pogonom, ki vam bo omogočil vožnjo v dveh načinih - mehanskem in avtomatskem. Treba je opozoriti, da se pri mehanski vožnji porabi veliko več energije in truda kot v samodejnem načinu. Da bi prihranili energijo baterije, je bolje, da ne vozite ves čas z električnim pogonom, ampak le na tistih območjih, ki jih je še posebej težko premagati sami (vzponi, neravni tereni itd.).
Ker ima klasično kolo dve kolesi, mora kolesar, da lahko vozi, nenehno vzdrževati ravnotežje in premagovati različne sile, ki nastanejo med gibanjem.
Samo zato, ker je zasnova kolesa preprosta, še ne pomeni, da je vse tako preprosto. Fizična moč, ki delujejo med vožnjo s kolesom, temeljijo na temeljnih zakonih znanosti. Razmislimo o glavnih silah, ki delujejo pri vožnji s kolesom.
Zunanje sile
1. Gravitacija (gravitacija). Gravitacija je eden od štirih temeljnih pojavov v naravi. Razloženo z Newtonovim zakonom. Sila, s katero deluje, je premosorazmerna s telesno težo kolesarja. kako večjo težo kolesar, močnejša sila gravitacija. Deluje na kolesarja in dele kolesa pravokotno na tla. Moč njegovega delovanja se poveča pri kolesarjenju v klanec in ustrezno zmanjša pri spustu.
2. Sila zračnega upora. Aerodinamične sile, ki delujejo na kolesarja, so v glavnem sestavljene iz zračnega upora in čelnega ali bočnega vetra. pri povprečna hitrost pri gibanju po ravni podlagi pa je aerodinamični upor največja sila, ki preprečuje gibanje naprej. Z nadaljnjim povečevanjem hitrosti postane ogromna in njena velikost daleč presega vse druge sile, ki ovirajo gibanje naprej.
3. Sila kotalnega upora. Kotalni upor je sila, ki nastane, ko se okrogel predmet, v tem primeru kolo kolesa, premika vzdolž ravne površine z ravno črto. Nastane predvsem zaradi deformacije kolesa, deformacije površine, po kateri se kolo premika, ali deformacije obojega. Pri vožnji s kolesom se ta sila poveča, ko so kolesa slabo napolnjena ali ko se premikate, na primer po pesku. Prav tako je moč kotalnega upora dodatno odvisna od dejavnikov, kot so polmer kolesa, hitrost gibanja in vrsta kontaktnih površin.
4. Sile, ki nastanejo med manevri za uravnoteženje kolesa. Nastane pri spreminjanju smeri gibanja kolesa ali pri manipulaciji krmila z namenom uravnoteženja kolesa in vzdrževanja ravnotežja. Določeno s centrifugalno silo. V mehaniki se izraz centrifugalna sila uporablja za razlago dveh pojmov – vztrajnostne sile in centripetalne sile. To so zapleteni procesi in traja kar nekaj časa, da se jih uredi. Vsi so opisani v učbenikih.
Notranje sile
1. Navor- to je sposobnost s pomočjo uporabljene sile vrteti predmet okoli svoje osi, to je kolo kolesa. Silo ustvarjajo kolesarjeve noge, navor pa se s pedalov na kolo kolesa prenaša z verižnim, kardanskim, jermenskim ali drugim prenosom. Nastavljiv z izbiro prednjih in zadnjih zobnikov v različnih možnostih.
2. Druge notranje sile so v glavnem posledica trenja med gibljivimi deli kolesa in njegovimi konstrukcijskimi možnostmi. Njihova vrednost je odvisna od vrste vzmetenja, menjalnika, krmilnega mehanizma in drugih strukturnih elementov.
Preberite tudi o tej temi:
Na kolesu se za prenos navora z verige na pesto zadnjega kolesa uporabljajo tri glavne vrste prenosa: Kasetni prenos. Prenos s prostim tekom. Prevoz z brezplačnim podvozjem.
Ni strogih pravil, vsak izbere svojo možnost, včasih zelo drugačno od splošno sprejete. S pridobivanjem vozniških izkušenj si vsak kolesar oblikuje lastne prioritete pri izbiri prestav zase. Da bi ohranili elemente prenosa in podaljšali življenjsko dobo ...
Prednji menjalnik. Njegova naloga je premetavanje verige z enega zobnika na drugega. Paralelogramski mehanizem premika okvir, skozi katerega poteka veriga. Pri preklopu na drugo hitrost se okvir premakne in postavi nad želeno zvezdico...
Obstaja neposredna povezava med tlakom v pnevmatikah in enostavnostjo vožnje kolesa. Nezadostno napolnjena kolesa upočasnjujejo kolo, nasprotno pa komore, napolnjene z zrakom, ki ne presega največjega tlaka, olajšajo gibanje...
Izum verižnega pogona pred več kot sto leti je bil eden od revolucionarnih korakov v razvoju kolesa. S pomočjo verige je postalo mogoče prenašati silo s pedalov na zadnje kolo kolo, ki je omogočilo zmanjšanje velikosti koles na sodobne velikosti...
Ena izmed najbolj priljubljenih vrst aktivna rekreacija je vožnja s kolesom. Poleg tega, da kolo omogoča krepitev in razvoj različnih mišic (mišice nog, rok, hrbta in trebuha), je tudi sredstvo za ogled lokalnih znamenitosti ali pa se preprosto razveselite z vožnjo z vso družino. ali s prijatelji. Vendar pa lahko nepravilna vožnja kolesa povzroči modrice in odrgnine. Še posebej pri visoki hitrosti med zavijanjem. Poskusimo ugotoviti, kaj morate storiti za varno navigacijo v zavojih med vožnjo s kolesom.
Ko se pedala kolesa vrtijo, se sila kolesarja prenese na kolesa, zato se ta začnejo vrteti. Kolesarske pnevmatike so v interakciji s cestno površino. Sili te interakcije sta sila reakcije podpore in sila trenja, slednja je tista, ki povzroči premikanje kolesa in tudi varuje kolo pred zdrsom med zavojem. Večja ko je sila trenja med pnevmatikami kolesa in cestiščem, bolj samozavestna in zanesljiva bo vožnja, še posebej v ovinkih. Največja sila trenja je sila drsnega trenja, določena s formulo:
kjer je koeficient trenja, N pa reakcijska sila podpore, usmerjena navpično navzgor.
Med zavojem se kolo premika po loku z določenim polmerom R (glej pogled od zgoraj). V tem primeru je hitrost kolesa usmerjena tangencialno na trajektorijo, centripetalni pospešek in sila trenja, ki držita kolesarja, pa sta usmerjena proti središču loka. Po drugem Newtonovem zakonu:
Če upoštevamo, da je sila gravitacije usmerjena navpično navzdol in je centripetalni pospešek enak,
ugotovimo, da se najmanjši možni polmer loka izračuna po formuli:
Koeficient trenja gume je v območju od 0,5 do 0,8 za suh asfalt in v območju od 0,25 do 0,5 za moker asfalt. Zato bo pri vožnji s hitrostjo 15 km/h (približno 4,2 m/s) varno zaviti po loku s polmerom R = 4,2 2 / (0,5 9,8) = 3,6 m (suh asfalt) in R= 4,2 2 / (0,25 9,8) = 7,2 m (moker asfalt).
Upoštevati je treba tudi, da morate za ohranjanje ravnotežja pri zavijanju kolo rahlo nagniti v smeri zavoja.
Z uporabo predlagane metode predlagamo, da izračunate:
- polmer varnega obračalnega loka pri hitrosti 24 km/h na suhi makadamski cesti (koeficient trenja 0,4) in na ledu (koeficient trenja 0,15);
- kot α naklona kolesa za ohranjanje ravnotežja pri zavijanju z enako hitrostjo, ob upoštevanju, da centrifugalna sila deluje na središče mase kolesa.
Trenutki sil pri gibanju kolesa.
Dvokolesno kolo med premikanjem ne pade, saj tisti, ki ga vozi, nenehno ohranja ravnotežje. Podporna površina kolesa je majhna - je ravna črta, ki je narisana skozi točke stika koles kolesa s podlago. Zato je kolo v stanju dinamičnega ravnovesja. To dosežemo s pomočjo krmiljenja: ko je kolo nagnjeno, oseba obrne volan v isto smer. Po tem se kolo obrne, medtem ko centrifugalna sila vrne kolo v prvotni navpični položaj. Proces krmiljenja za ohranjanje ravnotežja poteka neprekinjeno, zato gibanje kolesa ni pravokotno. Če popraviš krmilo, bo kolo padlo. Med hitrostjo in centrifugalno silo obstaja povezava. Višja kot je hitrost, večja je centrifugalna sila in s tem manj je treba odkloniti volan za ohranjanje ravnotežja.
Če želite zaviti, morate kolo nagniti na stran, tako da vsota centrifugalne sile in gravitacije prehaja skozi nosilno linijo kolesa. Če temu ni tako, bo centrifugalna sila nagnila kolo v drugo smer. Za lažje vzdrževanje ravnotežja ima zasnova krmila kolesa svoje značilnosti. Os volanskega droga je nagnjena nazaj in ne navpično. Poteka pod osjo vrtenja kolesa in pred točko, kjer se kolo kolesa dotakne tal. Zahvaljujoč tej vrsti oblikovanja so doseženi naslednji cilji:
Stabilnost kolesa pri zaviranju.
Pri zaviranju med vožnjo s kolesom je glavno ohraniti ravnotežje. Zaviranje nič manj pomembna točka kot sama vožnja in verjetno najpomembnejša, saj je od nje odvisno zdravje kolesarja. Če poznate teorijo, kako se kolo obnaša v trenutku zaviranja, lahko znatno zmanjšate število modric in udarcev (žal brez tega še vedno ne gre).
Kaj je zaviranje
Z definicijo je vse jasno. Enciklopedije pravijo, da "zavirati pomeni upočasniti gibanje s pomočjo zavore." Ampak vse skupaj je v tem, da navadno vse ne zanima preveč, kaj upočasniti (čeprav je to treba omeniti, običajno vse zanima, kako upočasniti gibanje (pritisnite na ročico in to je to), in ne kako. upočasnite v določeni specifični situaciji na cesti. Lahko poskusite zapisati veliko teoretičnih nasvetov o vsem možne situacije na cesti, vendar vedno obstajajo izjeme od pravil in kolesar se prej ali slej znajde v situaciji, ko ni dovolj priporočil. Najpomembneje je, da je zaviranje pri vožnji s kolesom avtomatizirano, saj v nujnih primerih preprosto ni časa razmišljati o tem, kako to narediti pravilno, in se spomniti teorije. Sprejmi prava odločitev Pomaga intuicija, poznati pa je treba tudi nekaj teoretičnih pravil, kako se kolo obnaša pri zaviranju.
Rolo za kolo.
Kotaljenje kolesa je odvisno od različnih dejavnikov: lastnosti okvirja, amortizerjev, premera koles, pnevmatik, tlaka v komorah, skupne teže kolesa in mnogih drugih. Naleta ni mogoče izmeriti v številkah. Izkušeni kolesarji to občutijo in cenijo. Pri amaterjih je razlika predvsem vidna, če zamenjajo npr poceni kolo na dražje in kvalitetnejše.
Kaj določa nagib kolesa?
Okvir. Obstaja izraz "valjajoči se okvir". Vendar je zelo težko občutiti razliko med "nekotalnim" in "kotalnim" okvirjem, saj so jasno opazne lastnosti značilne le za zelo drage modele. Okvirji iz dragih materialov običajno absorbirajo udarce in tresljaje. Daljši dizajni okvirjev pomagajo kolesarju doseči bolj aerodinamičen položaj na kolesu, kar pozitivno vpliva na vožnjo. Toda pri navadnem kolesu nihanje na okvirju ni tako pomembno kot na drugih komponentah.
Velikost kolesa. Eden od glavnih odločilnih dejavnikov, ki vplivajo na navijanje kolesa. Večja kolesa 28 ali 29 palcev potujejo hitreje kot kolesa 26 palcev, zato se kolo z njimi bolj kotali. Zdaj priljubljeni 29erji z 29-palčnimi kolesi imajo to kakovost.
Tekalna plast pnevmatike. Najboljša je gladka, ozka guma brez tekalne plasti. Najslabša stvar je široka agresivna pnevmatika z visokim dezenom.
Fizikalne sile, ki delujejo pri vožnji s kolesom
Ker ima klasično kolo dve kolesi, mora kolesar, da lahko vozi, nenehno vzdrževati ravnotežje in premagovati različne sile, ki nastanejo med gibanjem. Samo zato, ker je zasnova kolesa preprosta, še ne pomeni, da je vse tako preprosto. Fizične sile, ki delujejo med vožnjo s kolesom, temeljijo na temeljnih zakonih znanosti. Razmislimo o glavnih silah, ki delujejo pri vožnji s kolesom.
Zunanje sile.
1. Gravitacija (gravitacija). Gravitacija je eden od štirih temeljnih pojavov v naravi. Razloženo z Newtonovim zakonom. Sila, s katero deluje, je premosorazmerna s telesno težo kolesarja. Večja kot je teža kolesarja, močnejša je gravitacijska sila. Deluje na kolesarja in dele kolesa pravokotno na tla. Moč njegovega delovanja se poveča pri kolesarjenju v klanec in ustrezno zmanjša pri spustu.
2. Sila zračnega upora. Aerodinamične sile, ki delujejo na kolesarja, so v glavnem sestavljene iz zračnega upora in čelnega ali bočnega vetra. Pri povprečni hitrosti in gibanju po ravni podlagi je aerodinamični upor največja sila, ki preprečuje gibanje naprej. Z nadaljnjim povečevanjem hitrosti postane aerodinamični upor izjemen in njegova velikost daleč presega vse druge sile, ki ovirajo gibanje naprej.
Aerodinamični testi v kolesarstvu
Pri izboljšanju tehnične lastnosti je kolo doseglo določeno mejo in je razlika v delovanju posameznih komponent različnih proizvajalcev tako rekoč izginila, smo bili pozorni na zračni upor, ki ga kolesar premaguje pri vožnji. Ta indikator je imel impresivno digitalno vrednost, zato je bilo treba nekaj delati. Tako kot v letalski in avtomobilski industriji se vetrovnik uporablja za preverjanje, kako prihajajoči zračni tok vpliva na kolesarja. Ta draga naprava pomaga določiti interakcijo predmeta (kolesarja) z zračnim tokom in tudi določi učinkovita sila v številčni vrednosti. Med preizkusi se določi optimalen položaj kolesarja in koeficient upora proti prihajajočemu zračnemu toku. posamezne dele kolesarska in športna oprema.
Zasnova vetrovnika je prostor, na eni strani katerega so nameščeni visoko zmogljivi ventilatorji, ki ustvarjajo zračni tok, ki simulira čelni veter, katerega hitrost se regulira s spreminjanjem moči elektromotorjev, ki vrtijo lopatice ventilatorja;
Vzdržljivost okvirja kolesa
Med delovanjem kolesa na okvir prihajajo obremenitve, ki se večkrat ponavljajo. Te ciklične obremenitve nastanejo zaradi neravnih cestnih površin: lukenj, izboklin, lukenj v asfaltu itd. Ko so se aluminijeve zlitine začele uporabljati v različnih konstrukcijah (zlasti v letalstvu in astronavtiki), so študije pokazale, da ena sama obremenitev ne povzroči deformacije in uničenja. materiala, vendar je določeno število obremenitvenih ciklov v konstrukcijskem materialu povzročilo deformacijo, razpoke in posledično uničenje. Ta pojav je označen z izrazom "odpoved zaradi utrujenosti". Število ciklov obremenitve, ki vodi do okvare, se imenuje "življenjska doba ob utrujenosti".
Iste študije so pokazale, da prisotnost razpok, udrtin, lukenj in zvarov na najbolj obremenjenih območjih konstrukcije zmanjša vzdržljivost same konstrukcije za red velikosti. Ta tendenca se imenuje "lokalna koncentracija napetosti". Celo majhna luknja v strukturi poveča napetost ob njej vsaj 2-krat, praska zadostne globine pa 5-6-krat. Razpoka poveča lokalno napetost do meje tečenja in se zato sistematično povečuje z naraščajočo hitrostjo.
Da bi dvokolesnikČe ne padeš, moraš nenehno ohranjati ravnotežje. Ker je oporna površina kolesa zelo majhna (pri dvokolesnem kolesu je to le premica, narisana skozi dve točki, kjer se kolesa dotikajo tal), je takšno kolo lahko samo v dinamičnem ravnovesju. To dosežemo s krmiljenjem: če se kolo nagne, kolesar nagne krmilo v isto smer. Posledično se kolo začne obračati in centrifugalna sila vrne kolo v navpičen položaj. Ta proces poteka neprekinjeno, zato dvokolesnik ne more voziti strogo naravnost; Če je krmilo fiksno, bo kolo zagotovo padlo. Višja kot je hitrost, večja je centrifugalna sila in manj je treba upogibati volan, da ohranite ravnotežje.
Ko zavijate, morate kolo nagniti v smeri zavoja, tako da vsota gravitacije in centrifugalne sile prehaja skozi podporno linijo. V nasprotnem primeru bo centrifugalna sila nagnila kolo v nasprotno smer. Kot pri gibanju v ravni črti je nemogoče idealno ohraniti takšen naklon, krmiljenje pa se izvaja na enak način, le položaj dinamičnega ravnotežja se premakne ob upoštevanju nastale centrifugalne sile.
Zasnova krmila kolesa olajša vzdrževanje ravnotežja. Os vrtenja volana ni navpična, temveč nagnjena nazaj. Poleg tega poteka pod osjo vrtenja sprednje kolo in pred točko, kjer se kolo dotakne tal. Ta zasnova dosega dva cilja:
- Ko sprednje kolo premikajočega se kolesa po nesreči odstopi od nevtralnega položaja, se pojavi torni moment glede na krmilno os, ki vrne kolo nazaj v nevtralni položaj.
- Če kolo nagnete, nastane moment sile, ki obrne prednje kolo v smeri nagiba. Ta trenutek povzroči reakcijska sila tal. Nanese se na točko, kjer se kolo dotakne tal in je usmerjeno navzgor. Ker krmilna os ne poteka skozi to točko, se pri nagibu kolesa reakcijska sila tal premakne glede na krmilno os.
Tako se izvaja avtomatsko krmiljenje, pomaga ohranjati ravnovesje. Če se kolo pomotoma nagne, se sprednje kolo obrne v isto smer, kolo začne obračati, centrifugalna sila ga vrne v pokončni položaj, sila trenja pa vrne sprednje kolo nazaj v nevtralni položaj. Zahvaljujoč temu lahko kolo vozite "brez rok". Kolo samo vzdržuje ravnotežje. S premikom težišča na stran lahko vzdržujete stalen nagib kolesa in naredite zavoj.
Opozoriti je treba, da je sposobnost kolesa, da samostojno vzdržuje dinamično ravnotežje, odvisna od zasnove krmilnih vilic. Odločilni faktor je reakcijska roka nosilca kolesa, to je dolžina navpičnice, spuščene od točke stika kolesa s tlemi do osi vrtenja vilic; ali, kar je enakovredno, vendar lažje za merjenje, je razdalja od točke dotika kolesa do točke presečišča osi vrtenja vilic s tlemi. Tako bo za isto kolo posledični navor večji, čim večji je naklon vrtilne osi vilic. Za doseganje optimalnih dinamičnih karakteristik pa ni potreben največji navor, temveč strogo določen: če bo premajhen navor povzročil težave pri ohranjanju ravnotežja, bo prevelik navor povzročil oscilatorno nestabilnost, zlasti »shimmy«. « (glej spodaj). Zato je med projektiranjem skrbno izbran položaj osi kolesa glede na os vilic; Veliko kolesarskih vilic je zasnovanih tako, da upognejo ali preprosto premaknejo os kolesa naprej, da se zmanjša presežni kompenzacijski navor.
Razširjeno mnenje o pomembnem vplivu giroskopskega momenta vrtljivih koles na vzdrževanje ravnotežja je napačno.
Vklopljeno visoke hitrosti(od približno 30 km/h) se lahko na sprednjem kolesu pojavi t.i hitrostna nihanja ali "shimmies" so v letalstvu dobro poznan pojav. Pri tem pojavu kolo spontano niha v desno in levo. Hitrostni zavoji so najbolj nevarni pri vožnji »brez rok« (torej, ko kolesar vozi brez držanja krmila). Vzrok za nihanje pri visokih hitrostih ni v slabi montaži ali šibki pritrditvi prednjega kolesa, povzroča jih resonanca. Nihanje hitrosti je enostavno ustaviti z upočasnitvijo ali spremembo drže, a če tega ne storite, so lahko smrtonosna.
Kolesarjenje je učinkovitejše (z vidika porabe energije na kilometer) kot hoja in vožnja. Kolesarjenje s hitrostjo 30 km/h porabi 15 kcal/km (kilokalorij na kilometer) oziroma 450 kcal/h (kilokalorij na uro). Hoja s hitrostjo 5 km/h porabi 60 kcal/km ali 300 kcal/h, torej štirikratno kolesarjenje. bolj učinkovit kot hoja glede na porabo energije na enoto razdalje. Ker kolesarjenje porabi več kalorij na uro, je tudi najboljše športna obremenitev. Pri teku je poraba kalorij na uro še večja. Upoštevati je treba, da lahko vplivi teka, pa tudi nepravilnega kolesarjenja (na primer vožnja v klanec v visokih prestavah, mrzla kolena, pomanjkanje zadostne količine tekočine ipd.) poškodujejo kolena in skočni sklep. Šolanega človeka, ki ni profesionalni športnik, lahko dolgo časa razvije moč 250 vatov ali 1/3 KM. z. To ustreza hitrosti 30-50 km/h na ravni cesti. Ženska lahko razvije manjšo absolutno moč, a večjo moč na enoto teže. Ker gre na ravni cesti skoraj vsa moč za premagovanje zračnega upora, pri vožnji v klanec pa gre glavni strošek za premagovanje težnosti, vozijo ženske ob vseh ostalih pogojih počasneje na ravnem in hitreje v klanec.
Na podlagi gradiva Wikipedije
