Kolo postaja v današnjem času vse bolj priljubljeno prevozno sredstvo, ko je avtomobilov toliko, da drug drugega motijo obstoj. Kolesa imajo številne prednosti pred avtomobili, zato v mnogih evropskih državah veljajo za skoraj glavno prevozno sredstvo. Priljubljenost dvokolesnih prijateljev narašča tudi pri nas.
Kolo ni samo prevozno sredstvo, ampak tudi kompleksen mehanski sistem, ki deluje v skladu s temeljnimi zakoni fizike. Vse kolesa, ne glede na vrsto, znamko, model in ceno, poskrbijo, da njihovi vozniki premagujejo različne sile. Med vožnjo se kolesar sooča z dvema glavnima silama – gravitacijo in aerodinamiko. Sila težnosti pritisne kolesarja z vozilom k tlom. V tem primeru je vektor delovanja sile usmerjen strogo pravokotno na zemeljsko površino. Večja je gravitacijska sila, večja je teža kolesa in kolesarja. Ima velik vpliv na napore, ki jih ima kolesar pri vožnji s svojim dvokolesnikom. vozilo. Če je telesna teža in teža kolesa manjša, bo veliko lažje voziti, kar pomeni, da bo vožnja prinesla prijetnejše občutke. Čeprav je za nekatere kolo simulator za kurjenje kalorij.
Druga temeljna fizična sila, ki jo mora kolesar premagati med premikanjem, 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 uporabo dodatnih sil. Pri visoki hitrosti po ravni cesti ni enostavno premagati aerodinamičnih sil – to zahteva odlično fizično usposabljanje. Če ga ni, potem je bolje kupiti kolo z električnim pogonom, ki vam bo omogočil vožnjo v dveh načinih - mehanskem in avtomatskem. Vedeti je treba, da mehanska vožnja porabi veliko več energije in truda kot avtomatska vožnja. Da bi prihranili energijo baterije, je bolje, da ne vozite ves čas na električni pogon, ampak le na tistih območjih, ki jih je še posebej težko premagati sami (vzponi, neravni tereni ipd.).
Ker ima klasično kolo dve kolesi, mora kolesar, da lahko vozi, ves čas vzdrževati ravnotežje in premagovati različne sile, ki nastanejo v procesu gibanja.
Samo zato, ker je kolo preprosto, še ne pomeni, da je tako preprosto. fizične sile, ki delujejo pri vožnji s kolesom, temeljijo na temeljnih zakonih znanosti. Razmislite o glavnih silah, ki delujejo med vožnjo s kolesom.
Zunanje sile
1. Gravitacijska sila (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 navzgor in ustrezno zmanjša pri spustu.
2. Sila zračnega upora. Aerodinamične sile, ki delujejo na kolesarja, so v glavnem seštevek zračnega upora in čelnega ali bočnega vetra. pri Povprečna hitrost in premikanje po ravni podlagi 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 s hitrostjo premočrte. Nastane predvsem pri deformaciji kolesa, površine, po kateri se kolo premika, ali obojega. Pri vožnji s kolesom se ta sila poveča s slabo napolnjenimi kolesi ali med premikanjem, na primer, po pesku. Prav tako je sila 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. Pojavijo se pri spreminjanju smeri kolesa ali pri upravljanju krmila za uravnoteženje kolesa in vzdrževanje 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 njihovo razstavljanje traja precej dolgo. Vsi so opisani v učbenikih.
notranje sile
1. Navor- to je sposobnost vrtenja predmeta okoli svoje osi, to je kolo kolesa, s pomočjo uporabljene sile. Silo ustvarjajo kolesarjeve noge, navor pa se s pedalov na kolo kolesa prenaša z verižnim, kardanskim, jermenskim ali drugim prenosom. Nastavljiv z izbiro sprednjih in zadnjih zvezd v različnih možnostih.
2. Druge notranje sile predvsem zaradi 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. Neresen prenos. Freecoster prevoz.
Ni strogih pravil, vsak izbere svojo različico, 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 premikanje verige od ene zvezde do druge. Paralelogramski mehanizem premika okvir, skozi katerega poteka veriga. Pri preklopu na drugo hitrost se okvir premakne in se nahaja nad želeno zvezdo ...
Obstaja neposredna povezava med tlakom v komori in enostavnostjo vožnje kolesa. Nezadostno napihnjena kolesa upočasnijo kolo in obratno, 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 aktivni počitek je vožnja s kolesom. Poleg tega, da kolo omogoča krepitev in razvoj različnih mišic (mišice nog, rok, hrbta in trebuha), je tudi način, da si ogledate lokalne znamenitosti ali pa se preprosto razveselite z vožnjo z vso družino. ali s prijatelji. Vendar pa lahko kolo z nesposobno vožnjo povzroči modrice in odrgnine. Še posebej pri visoki hitrosti med ovinkom. Poskusimo ugotoviti, kaj morate storiti, da se varno premikate med kolesarjenjem.
Pri vrtenju pedal kolesarja se sila kolesarja prenese na kolesa, ki se 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, poleg tega pa ščiti kolo pred zdrsom med zavojem. Večja kot je torna sila 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 je sila reakcije opore, 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 gravitacijska sila usmerjena navpično navzdol, centripetalni pospešek pa je,
dobimo, da se najmanjši možni polmer loka izračuna po formuli:
Koeficient trenja gume je pri suhem asfaltu v območju od 0,5 do 0,8, pri mokrem asfaltu pa v območju od 0,25 do 0,5. Zato bo pri vožnji s hitrostjo 15 km / h (približno 4,2 m / s) varno zaviti vzdolž loka s polmerom R \u003d 4,2 2 / (0,5 9,8) \u003d 3,6 m (suh asfalt) in R \u003d 4,2 2 / (0,25 9,8) \u003d 7,2 m (moker asfalt).
Upoštevati je treba tudi, da morate za ohranjanje ravnotežja pri zavijanju kolo rahlo nagniti v smeri zavoja.
Po predlagani metodi predlagamo, da izračunate:
- polmer varnega zavoja pri hitrosti 24 km/h na suhi makadamski cesti (koeficient trenja 0,4) in na ledu (koeficient trenja 0,15);
- kot α kolesa za ohranjanje ravnotežja pri zavijanju z enako hitrostjo, glede na to, da centrifugalna sila deluje na središče mase kolesa.
Momenti sil med gibanjem kolesa.
Dvokolesno kolo med premikanjem ne pade, saj tisti, ki ga vozi, nenehno ohranja ravnotežje. Podporna površina kolesa je majhna - je ravna črta, narisana skozi točke stika koles kolesa s tlemi. Zato je kolo v stanju dinamičnega ravnovesja. To se doseže z krmiljenjem: ko je kolo nagnjeno, oseba obrne volan v isto smer. Nato se kolo obrne, centrifugalna sila pa vrne kolo v prvotni navpični položaj. Postopek krmiljenja za ohranjanje ravnotežja je neprekinjen, zato gibanje kolesa ni ravno. Če je volan fiksen, bo kolo padlo. Med hitrostjo in centrifugalno silo obstaja povezava. Višja kot je hitrost, večja je vrednost centrifugalne sile 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 sile gravitacije prehaja skozi nosilno črto kolesa. Če temu ni tako, bo centrifugalna sila nagnila kolo v drugo smer. Za lažje ravnotežje ima zasnova krmila kolesa svoje značilnosti. Os volanskega droga je nagnjena nazaj in ni navpična. Poteka pod osjo vrtenja kolesa in pred točko, kjer se kolo kolesa dotakne tal. S to vrsto zasnove so doseženi naslednji cilji:
Stabilnost kolesa pri zaviranju.
Pri zaviranju med kolesarjenjem je pomembno ohraniti ravnotežje. Vsaj zaviranje pomembna točka kot sama vožnja in verjetno najpomembnejša, saj je od nje odvisno zdravje kolesarja. Če poznate teorijo obnašanja kolesarja pri zaviranju, lahko močno zmanjšate število modric in udarcev (brez tega žal še vedno ne gre).
Kaj je zaviranje
Definicija je jasna. V enciklopedijah je zapisano, da "zavirati pomeni upočasniti gibanje s pomočjo zavore." Ampak konec koncev je vsa stvar taka, da navadno vse ne zanima preveč, kaj upočasniti (čeprav je to treba omeniti), Ponavadi vse zanima, kako upočasniti gibanje (pritisneš ročico in to je to), in ne kako ga upočasniti v določeni specifični situaciji na cesti. Lahko poskusite naslikati veliko teoretičnih nasvetov za vse 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 med vožnjo s kolesom avtomatizirano, saj v nujnih primerih preprosto ni časa razmišljati o tem, kako to narediti pravilno, in se spomniti teorije. Sprejmi pravilna rešitev intuicija pomaga, poznati pa je treba tudi nekaj teoretičnih pravil za obnašanje kolesa v času zaviranja.
Vožnja s kolesom.
Kotaljenje kolesa je odvisno od različnih dejavnikov: lastnosti okvirja, amortizerjev, premera koles, pnevmatik, tlaka v komorah, skupne teže kolesa in mnogih drugih. Odboja ni mogoče izmeriti v številkah. Izkušeni kolesarji to občutijo in cenijo. Pri amaterjih je razlika predvsem vidna, če zamenjajo npr poceni kolo na dražjega in kvalitetnejšega.
Kaj določa kotaljenje kolesa
Okvir. Obstaja izraz "valjajoči se okvir". Vendar pa 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, da dobi bolj aerodinamičen položaj za vožnjo na kolesu, kar pozitivno vpliva na kotaljenje. Toda pri običajnem kolesu kotaljenje od okvirja ni toliko odvisno kot od drugih komponent.
Velikost kolesa. Eden od glavnih odločilnih dejavnikov, ki vplivajo na navijanje kolesa. Večja 28" ali 29" kolesa gredo hitreje kot 26" kolesa, zato se kolo z njimi bolj kotali. Zdaj priljubljeni ninerji z 29-palčnimi kolesi imajo to kakovost.
Ščitnik za pnevmatike. Najboljše so gladke, ozke pnevmatike brez tekalne plasti. Najslabša pa je široka agresivna pnevmatika z visokim dezenom.
Fizikalne sile, ki delujejo na kolo
Ker ima klasično kolo dve kolesi, mora kolesar, da lahko vozi, ves čas vzdrževati ravnotežje in premagovati različne sile, ki nastanejo v procesu gibanja. Samo zato, ker je kolo preprosto, še ne pomeni, da je tako preprosto. Fizične sile, ki delujejo med vožnjo s kolesom, temeljijo na temeljnih zakonih znanosti. Razmislite o glavnih silah, ki delujejo med vožnjo s kolesom.
zunanje sile.
1. Gravitacijska sila (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 navzgor in ustrezno zmanjša pri spustu.
2. Sila zračnega upora. Aerodinamične sile, ki delujejo na kolesarja, so v glavnem seštevek zračnega upora in čelnega ali bočnega vetra. Pri srednji 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 specifikacije kolo doseglo določeno mejo in razlike v delovanju posameznih komponent različnih proizvajalcev tako rekoč ni, so bili pozorni na zračni upor, ki ga kolesar premaguje pri vožnji. Ta kazalnik je imel impresivno številčno vrednost, zato je bilo treba nekaj delati. Tako kot v letalski in avtomobilski industriji se vetrovnik uporablja za testiranje, kako prihajajoči zračni tok vpliva na kolesarja. Ta draga naprava pomaga določiti interakcijo predmeta (kolesarja) z zračnim tokom, pa tudi določiti delujoča sila v številčnem smislu. Med preizkusi se določi optimalno prileganje kolesarja in koeficient upora proti prihajajočemu zračnemu toku. ločeni deli kolesa 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 nadzoruje s spreminjanjem moči elektromotorjev, ki vrtijo ventilator. rezila
vzdržljivost okvirja kolesa
Med delovanjem kolesa na okvir prihajajo obremenitve, ki se večkrat ponavljajo. Te ciklične obremenitve nastanejo zaradi nepravilnosti na cestišču: jame, izbokline, luknje 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 povzroča deformacij 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, zvarov v najbolj obremenjenih delih konstrukcije zmanjša vzdržljivost same konstrukcije za red velikosti. Ta trend se imenuje "koncentracija lokalnega stresa". Tudi majhna luknja v strukturi prispeva k povečanju napetosti ob njej za vsaj 2-krat, praska zadostne globine pa za 5-6-krat. Razpoka poveča lokalno napetost do meje tečenja in se zato sistematično povečuje z naraščajočo hitrostjo.
Da bi dvokolesnik ne padite, morate nenehno vzdrževati ravnotežje. Ker je odtis kolesa zelo majhen (pri dvokolesnem kolesu je 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 nagiba, kolesar odkloni krmilo v isto stran. Posledično se kolo začne obračati in centrifugalna sila vrne kolo v pokončni položaj. Ta proces je neprekinjen, zato dvokolesno kolo ne more iti strogo naravnost; Če popraviš volan, 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 poteka skozi linijo podpore. V nasprotnem primeru bo centrifugalna sila nagnila kolo v nasprotno smer. Tako kot pri vožnji v ravni liniji je takšnega naklona nemogoče idealno vzdrževati, krmiljenje pa poteka na popolnoma enak način, le premakne se položaj dinamičnega ravnovesja ob upoštevanju nastale centrifugalne sile.
Zasnova krmiljenja 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 zavije iz nevtralnega položaja, nastane torni moment okoli krmilne osi, ki vrne kolo nazaj v nevtralni položaj.
- Če kolo nagnete, se razvije moment sile, ki obrne prednje kolo v smeri nagiba. Ta trenutek povzroči reakcijska sila podpore. Nanese se na točko, kjer se kolo dotakne tal in kaže navzgor. Ker krmilna os ne poteka skozi to točko, ko se kolo nagne, se sila reakcije tal premakne glede na krmilno os.
Tako se izvaja avtomatsko krmiljenje da pomaga ohranjati ravnovesje. Če se kolo slučajno nagne, se prednje kolo obrne v isto smer, kolo se začne obračati, centrifugalna sila ga vrne v pokončni položaj, sila trenja pa prednje kolo vrne nazaj v nevtralni položaj. Zahvaljujoč temu lahko vozite kolo "brez rok". Kolo samo vzdržuje ravnotežje. S premikom težišča na stran lahko vzdržujete stalen nagib kolesa in naredite zavoj.
Vidimo lahko, da je sposobnost kolesa, da samo vzdržuje dinamično ravnotežje, odvisna od zasnove krmilnih vilic. Odločilni faktor je rama reakcije nosilca kolesa, to je dolžina navpičnice, spuščene od točke dotika talnega kolesa do osi vrtenja vilic; ali, enakovredno, vendar lažje za merjenje, razdaljo od točke dotika kolesa do točke, kjer se vrtilna os vilic seka s tlemi. Tako bo za isto kolo nastali moment tem višji, čim večji je naklon osi vrtenja vilic. Vendar pa za doseganje optimalnih dinamičnih lastnosti ni potreben največji navor, temveč strogo določen: če premajhen moment vodi v težave pri ohranjanju ravnotežja, potem prevelik navor vodi v nihajno nestabilnost, zlasti v »shimmyju«. " (glej spodaj). Zato je položaj osi kolesa glede na os vilic skrbno izbran pri načrtovanju; veliko kolesarskih vilic je zaobljenih ali preprosto pomaknjenih naprej, da se zmanjša presežni 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 "shimmy" - v letalstvu dobro poznan pojav. Pri tem pojavu kolo spontano niha v desno in levo. Visokohitrostno nihanje je najbolj nevarno pri vožnji »odmaknjenih rok« (torej, ko kolesar vozi brez držanja za volan). Razlog za nihanje pri visoki hitrosti ni v slabi montaži ali slabi montaži sprednjega kolesa, nastanejo zaradi resonance. Hitro nihanje je enostavno pogasiti z upočasnitvijo ali spremembo drže, če pa tega ne storite, je lahko smrtonosno.
Kolesarjenje je učinkovitejše (z vidika stroškov energije na kilometer) kot hoja in vožnja. Kolesarjenje s hitrostjo 30 km/h porabi 15 kcal/km (kilokalorij na kilometer) ali 450 kcal/h (kilokalorij na uro). Pri hoji s hitrostjo 5 km / h se porabi 60 kcal / km ali 300 kcal / h, to je štirikratno kolesarjenje. bolj učinkovito kot hoja poraba energije na enoto razdalje. Ker kolesarjenje porabi več kalorij na uro, je tudi najboljše športna obremenitev. Pri teku je strošek kalorij na uro še večji. Zavedajte se, da lahko vpliv teka in nepravilnega kolesarjenja (npr. vožnja v klanec v visokih prestavah, mraz v kolenih, premalo tekočine itd.) poškoduje vaša kolena in skočni sklep. Šolanega samca, 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 je glavni strošek premagovanje težnosti, vozijo ženske ob enakih razmerah počasneje na ravnem in hitreje v klanec.
Glede na Wikipedijo
