Kol kas mokslas negali pateikti galutinio atsakymo. Bet vis arčiau…
Važiuoti dviračiu. Tai kaip važiavimas dviračiu, tiesa? Na, ne, jei esate Kornelio universiteto profesorius Andy Ruina.
Jis kartu su bendraautoriais Jimu Papadopoulosu, Arendu Schwabu, Jodi Kooijmanu ir Jaapu Meijaardu parašė straipsnį „Dviratis gali būti stabilus be giroskopinio ar ricininio efekto“, kuriame teigiama, kad anksčiau nurodytos stabilumo sąlygos nėra pakankamai paaiškinti – ir net nebūtina – stabilaus dviračio fenomeną.
„Nuostabu, kad žmonės išvis gali sėdėti ant dviračio. Tačiau vienas nuostabiausių dalykų, susijusių su dviračiais, yra tai, kad jie gali išlaikyti pusiausvyrą“, – sako Ruina.
Pateikdami pavyzdį apie garsiąją 1949 m. Jacques'o Tati filmo „Jour de Fête“sceną, kai paštininkas François persekioja savo pabėgusį arklą, kai šis be raitelių vingiuoja kaimo keliu, Ruina ir jo kolegos mokslininkai imasi tyrinėti įprastą išmintį, dvi būtinos sąlygos, kad dviratis stovėtų vertikaliai, buvo arba giroskopinis ratų sukimo momentas, arba priekinio rato ratukas.
„Dviratį vertikaliai galite laikyti tik tada, kai jis juda“, – sako Ruina. „Gerai žinoma, kad vairavimas suteikia jums pusiausvyrą. Galime tai parodyti, jei užrakinsime vairą ant dviračio be vairuotojo, pastumsime jį išilgai, tada paleisime. Dviratis greitai apvirs taip pat, kaip jis apvirsta stovėdamas.’
Ruina efektą lygina su šluotos ant rankos balansavimu. Kai vertikali šluota pradeda lenktis į kairę, balansuotojas taip pat judina ranką į kairę, grąžindamas šluotos dugną po krentančiomis viršūnėmis, taip atgaudamas pusiausvyrą. Bet jei motociklininkas būtų pašalintas iš lygties, kodėl taip nutinka su dviračiu?
‘Žmonės natūraliai galvoja, kad jei kažkas greitai sukasi, jis dėl giroskopinio efekto tampa standus, todėl pasukus jis nori pasukti į kitą pusę. Tai vienas dažnas paaiškinimas. Kitas dalykas yra tai, kad dviratis elgiasi kaip ratukas ant pirkinių vežimėlio.
Kontaktinis taškas
Žmonės mano, kad tikrasis priekinio rato sąlyčio su žeme taškas yra prieš vairo ašį dėl galvos kampo ir šakės posvyrio. Bet iš tikrųjų ratas liečiasi su grindimis už šios ašies.’
Rezultatas yra toks, kad, kaip ir ratukas, galintis judėti 360° aplink vertikalią ašį (įsivaizduokite, kad ausinės yra ratuko guolis, o stebulė – jo ašis), priekinis ratas „seka“vairą. Taigi, kaip pirkinių vežimėlį, stumkite dviratį į priekį, o priekinis ratas būtinai įsikibs ir važiuos už važiavimo krypties.
Tačiau mokslininkų skaičiavimai parodė, kad nei giroskopinis, nei ratuko efektas iš tikrųjų nėra atsakingas už dviračio polinkį vairuoti ir stabilizuotis.
Norėdami tai įrodyti, Ruina ir jo komanda sukonstravo tai, ką jie vadina „dviejų masinių pačiūžų“(TMS). Atrodo panašus į sulankstomą paspirtuką, TMS turi tas pačias savybes kaip ir dviratis – du ratus ir priekinę bei galinę masės dalis, sujungtas vyriais (ty ausinėmis), tačiau jis pagamintas taip, kad nebūtų linkę į giroskopinį ar ratuką.
Kad tai būtų pasiekta, du maži ratukai liečiasi su žeme, kurių kiekvieno viršuje yra vienodos masės besiliečiantis, taigi, priešingai besisukantis ratas, kuris panaikina bet kokį giroskopinį efektą priešingu judesiu (TMS ratai veikia labiau kaip pačiūžos). Ir priekinio rato kontaktinis taškas yra prieš vairo ašį, o ne už, kaip su ratuku.
Pastumtas ir atleistas šis dviratis be ratuko lieka vertikaliai ir net pasitaiso, kai nutrenkiamas iš šono.
Tai įrodo, kad kažkas kitas, išskyrus giroskopinį ar ratuko efektą, turi būti atsakingas už dviračio polinkį stabilizuotis, vairuojant po savimi. Norėdami tai paaiškinti, mokslininkai teigia, kad masės pasiskirstymas, ypač ant vairo mechanizmo, yra labai svarbus.
Grįždamas prie šluotos pavyzdžio, Ruina siūlo: „TMS masė yra prieš vairo ašį, taip pat masė rėme. Kai dviračio priekis nukrenta, jis krenta greičiau, lygiai taip pat, jei ant rankos balansuojate pieštuką, jis nukris greičiau nei šluota.
Taigi priekinė masė krenta greičiau nei galinė, tačiau jos yra tarpusavyje sujungtos vairo ašimi. Taigi, bandant nukristi greičiau, priekinė dalis sukelia vairavimą ir grąžina dviratį po savimi.’
Ruina pabrėžia, kad tai vis tiek neišsprendžia dviračio stabilumo klausimo, ypač dėl dviračio, kuriame nėra vairuotojų. Tačiau tai sukelia naujų klausimų apie tai, kaip mes stovime stačiai ant dviračio, o tai vieną dieną gali lemti esminius dizaino pakeitimus.
Kaip teigia tyrėjai: „Šie rezultatai rodo, kad evoliucijos procesas, paskatinęs įprastą dabartinį dviračių dizainą, galbūt dar neištyrė potencialiai naudingų regionų projektavimo erdvėje.“Taigi.
