¿Cómo se equilibran las bicicletas?

Algunos dicen que Science no sabe por qué la bicicleta es tan propensa a mantenerse erguida cuando se mueve, pero es tan propensa a caerse cuando está parada. Los científicos tienen una opinión diferente; ellos al menos saben lo básico. “Nuestro objetivo aquí es resolver con firmeza algunas ciencias básicas de la estabilidad de la bicicleta”, dicen en un documento de 2007 presentado a la Royal Society. “Este documento [1]”, afirman, “solo responde por poco a la pregunta ‘¿cómo se mantiene en pie una bicicleta no controlada?’ mostrando que se sigue de las ecuaciones. Una explicación simple no parece posible porque la inclinación y la dirección están acopladas por una combinación de varios efectos, incluida la procesión giroscópica, las fuerzas de reacción lateral del suelo en el ensamblaje frontal que tienen un centro de masa que compensa el eje de dirección y los efectos asociados con el momento de matriz de inercia del conjunto frontal ”. En palabras más cuidadosamente elegidas, alguien o algo lo dirige. Esto es cierto, especialmente, el algo, y tampoco estoy proponiendo que sea el fantasma de tu tío Edgar muerto. No, existe un mecanismo de autoestabilidad muy real y confiable que no está incluido en sus ecuaciones. Para entender cómo sucedió eso, necesitamos ver un poco de historia.
Primero encontré el mundo del análisis de vehículos de una sola pista en la biblioteca de ingeniería adornada de roble. En medio del silencio recluso de los eruditos había un tesoro de diarios y actas encuadernados. Busqué papeles en bicicletas y motocicletas. El primer artículo que encontré fue en el Instituto de Ingeniería Mecánica (División Automotriz) 1951-1952. La dirección y la estabilidad de los vehículos de vía única por RA Wilson-Jones era muy legible con excelentes dibujos y cierta información empírica. Si bien el documento no resolvió la cuestión de qué estabiliza una motocicleta, sí formuló la pregunta que ha mantenido la investigación sobre el tema; “¿Cuáles son, entonces, las fuerzas que tienden a girar la dirección en la dirección requerida para mantener la máquina en posición vertical?”. Sugiere tres: el peso del bastidor delantero hacia adelante del eje de dirección, la fuerza normal en la rueda delantera y el momento giroscópico eso ocurre cuando la bicicleta se inclina. Bueno, estas ideas no eran definitivas; al menos abrieron la puerta a más investigación.
Ha habido muchos contribuyentes a la pila de ideas que explican, más o menos, este enigmático dispositivo de dos ruedas. Salto a abril de 1970 y un artículo de David EH Jones en Physics Today. El documento tuvo un gran atractivo debido a su enfoque empírico ampliamente accesible. Remitió la idea de que la dirección resultaba de un cambio en la energía. Afirmó que cuando la bicicleta gira, el centro de masa cae un poco, por lo que hay una energía potencial que conduce a la bicicleta a caer. Una vez más, está tratando de responder a la pregunta de qué dirige la rueda delantera.
Si bien David Jones no explicó la bicicleta, dijo dónde investigar: “No quería que las fuerzas de fricción variables desagradables se entrometieran en la pura y austera teoría de la bicicleta newtoniana hacia la que estaba andando a tientas”. También podría haber pisado su caja de jabón. y gritó: “No considero que las fuerzas laterales sean importantes”. Y, por supuesto, esa es la clave para entender una naturaleza de auto-corrección de las bicicletas. Su estudio también fue importante porque también consideró otras formas en que se podría dirigir la rueda delantera.
Jones construyó una bicicleta con una rueda delantera giratoria contraria para eliminar cualquier momento de dirección debido al momento angular de la rueda delantera. Él puso en duda la teoría giroscópica, pero no lo suficiente como para clavarla en la tierra y a menudo se la veía acechando por la noche en dormitorios y tiendas de bicicletas en busca de una víctima dispuesta a hundir sus dientes. El único lugar fuera del alcance de este demonio parecían ser las pistas de esquí donde se podían encontrar bicicletas equipadas con esquís en lugar de ruedas, manteniéndose erguidas sin esfuerzo.
No obstante, los intrépidos cazadores de giroscopios surgieron nuevamente en 2011 con la pieza definitiva en Science vol. 332 llamado “Una bicicleta puede ser autoestable sin efectos giroscópicos o de ruedas”. Escrito en lenguaje universitario a lo grande, no era tan interesante como el artículo de Jones. Nuevamente, se usaron ruedas contrarrotativas para eliminar el giroscopio y se agregó una nueva arruga al construir la bicicleta con menos de cero rastro. Los autores desempolvan un artículo escrito en 1899 por Whipple para explicar la autoestabilidad de una bicicleta. El modelo Whipple expresa el movimiento de una bicicleta en dos variables, el ángulo de dirección y el ángulo de inclinación. Se hacen argumentos para que un piloto pueda activar un ángulo de dirección para reducir el ángulo de inclinación. El artículo revisa las fuerzas que podrían dirigir la rueda delantera para lograr la autoestabilidad, pero se concentra en la masa hacia adelante del eje de dirección. Si bien esta es una explicación para su patín experimental, todavía no responde a la pregunta: “¿Qué fuerza dirige la rueda delantera hacia la caída?”
No hay una respuesta satisfactoria a esta pregunta porque la rueda delantera no es la fuente de la dirección automática. Las fuerzas de dirección mantienen la bicicleta en posición vertical, pero no de una manera imaginada por Whipple. Dejame mostrarte como funciona.

Comencemos con la fuerza más básica, camber. Hay investigadores que han realizado pruebas para determinar el modelo analítico de la fuerza de inclinación buscando un coeficiente significativo que relacione el ángulo de inclinación con la fuerza lateral. También buscan determinar un coeficiente de ángulo de deslizamiento que relacionará la fuerza lateral con el ángulo entre el rumbo de una rueda y su dirección de movimiento. Se han creado gráficos con fuerza lateral para combinaciones de ángulo de deslizamiento y curvatura. Esto puede confundir a un compañero al pensar que la fuerza de inclinación es una fuerza de neumático cuando, de hecho, ocurre si el contacto con el suelo es un neumático o un esquí, por ejemplo. Déjame explicarte con una simple analogía.

Supongamos que necesitamos un enlace para transferir movimiento y fuerza de un eje vertical a uno horizontal. El dispositivo anterior serviría para hacer esto, pero tendrá algunas características interesantes. Empuje el enlace vertical cercano hacia abajo y produzca un movimiento rápido en dirección horizontal. La fuerza horizontal es mucho menor que la fuerza vertical, como una palanca intercambia el movimiento y la fuerza. La magnitud de la fuerza vertical está relacionada con la de la horizontal por la tangente del ángulo desde la vertical. Lo mismo es cierto para una bicicleta, motocicleta o incluso una bicicleta de esquí.
Un cuadro de bicicleta actúa tanto como lo hace el enlace en el diagrama. La fuerza es el peso de la bicicleta y la fuerza de reacción que proporcionaría la pared es la aceleración lateral del centro de masa. Cuando la bicicleta está parada, esta aceleración lateral será la de una bicicleta que se caiga y será igual a la aceleración angular del cuadro y la altura del centro de masa. La fuerza de inclinación evita que los contactos del neumático se muevan lateralmente a medida que la bicicleta se cae. La bicicleta se mueve, la carga permanece, pero ya no sostiene la bicicleta lateralmente. La fuerza de inclinación acelera la bicicleta en la dirección en que está cayendo. La bicicleta se mueve de lado. Al mismo tiempo, también avanza.

El centro de masa de la bicicleta ahora tiene un movimiento hacia un lado junto con el movimiento de avance original. La velocidad está en ángulo con la línea central del cuadro y el plano de las ruedas. Hay un ángulo de deslizamiento en cada rueda que resulta en una fuerza opuesta a la fuerza de inclinación. El ángulo de deslizamiento en la rueda delantera crea, con el camino, un par sobre el eje de dirección que alinea la rueda delantera con la dirección del movimiento. Este mecanismo permite que el ángulo de deslizamiento desaparezca y la única fuerza lateral en el frente es nuevamente la fuerza de inclinación.
El ángulo de deslizamiento en la parte trasera solo desaparece una vez que el marco se alinea con el vector de dirección. La fuerza resultante y su brazo de momento crean un momento de dirección sobre el eje de guiñada que dirige la bicicleta en la dirección en que caería. En cierto sentido, la bicicleta de dirección delantera en realidad está dirigida por fuerzas generadas en la rueda trasera. La forma en que lo hizo fue demostrada inadvertidamente por Koojiman et al.
La bicicleta TMS fue construida sin rastro y en su lugar usa una masa hacia adelante del eje de dirección para girar la rueda delantera. La altura de esta masa es menor que la altura del centro de masa de la bicicleta. Un péndulo invertido más alto tardará más en caer al suelo porque tiene que viajar más lejos, pero en todos los casos el centro de masa se moverá lateralmente a la misma velocidad. Debido a que la masa del eje de dirección es menor, la rueda debe pivotar para lograr esto. Cuando la bicicleta se inclina, la rueda se dirige hacia la caída, reduciendo el ángulo de deslizamiento delantero, como en una bicicleta con sendero. Son dos sistemas diferentes que realizan esta misma tarea. A medida que el ángulo de deslizamiento persiste en la parte trasera y se disipa en la parte delantera, la fuerza de inclinación es mayor en la parte delantera y desvía la bicicleta en la dirección en la que de otra manera se caería.
El momento de dirección sigue siendo igual a la fuerza del ángulo de deslizamiento trasero y la distancia desde su punto de aplicación hasta el centro de masa. Se puede hacer que la rueda delantera genere una fuerza de dirección creando un ángulo de deslizamiento, pero no es así como la bicicleta permanece en posición vertical automáticamente. La noción familiar de dirección es alejar la rueda de la dirección actual y crear un ángulo de deslizamiento que crea una fuerza que nos dirige en la dirección que queremos ir. Sin embargo, una bicicleta se mantiene erguida al reducir el ángulo de deslizamiento y permitir que la fuerza de inclinación se desplace.
La fuerza de inclinación es la fuerza lateral primaria. Le da a la bicicleta esa sensación de esquí que hace que sea muy divertido tejer a lo largo de una carretera curva. El ciclista apunta la bicicleta en ángulo hacia la tierra y es recompensado con una fuerza lateral. Es simple, básico, reptiliano. Las fuerzas del ángulo de deslizamiento se producen debido a una desalineación con el vector de dirección. Actúan como controles para dirigir la bicicleta en la dirección necesaria.

Referencias
(1) Dirección y estabilidad de vehículos de vía única, por RA Wilson-Jones, Proc. Inst. Mech Ing. (División de automóviles) 1951-52 página 191

(2) La estabilidad de la bicicleta, David EH Jones, Physics Today, abril de 1970, página 34

(3) Una bicicleta puede ser autoestable sin efectos giroscópicos o de ruedas, Koojiman et al, Science Magazine, vol. 332 no 6027 pp. 339-342, 15 de abril de 2011

[1], JP Meijaard, Jim M Papadopolous, Andy Ruina, A. L Schwab, 2007 “Ecuaciones dinámicas linealizadas para el equilibrio y la dirección de una bicicleta: un punto de referencia y revisión”, Actas de la Royal Society A 463: 1955-1982 .
[2] RS Sharp, “La estabilidad y el control de la motocicleta”,

Se ha demostrado que las bicicletas se equilibran debido a la geometría de la dirección de carga frontal, o simplemente, la parte delantera de una bicicleta cae más rápido que la parte trasera. De hecho, la ciencia detrás de esto es mucho más complicada que esta simple explicación, y todavía es un tema de debate científico.

Al viajar en línea recta, la fricción actúa por igual en ambos hemisferios de un neumático simétrico rodante y hace que el neumático permanezca en posición vertical, sin ninguna fuerza lateral externa. Si gira ligeramente en una dirección, una mayor fricción en un lado crea una fuerza de rotación que empuja el neumático hacia el centro.

Cuando la bicicleta comienza a inclinarse en una dirección debido a una sacudida o simplemente porque las bicicletas no pueden estar 100% balanceadas lateralmente, el frente cae más rápido que la parte posterior, lo que significa que el neumático delantero gira en la dirección de la caída. Eso hace que la bicicleta comience a girar en la dirección de la caída, es decir, un círculo, y crea una fuerza centrífuga que empuja contra la caída. Si la bicicleta se mueve lo suficientemente rápido, la fuerza centrífuga es mayor que la gravedad, y la bicicleta se corrige sola. Este proceso es continuo ya que las fuerzas buscan el equilibrio, y es principalmente imperceptible.

Si la bicicleta mantuviera la velocidad, esto continuaría inevitablemente, pero, por supuesto, la fricción hace que la bicicleta se desacelere gradualmente. En algún momento, la bicicleta ya no se moverá lo suficientemente rápido como para que la fuerza centrífuga supere la gravedad cuando comience a inclinarse, y se alcance un equilibrio diferente cuando la bicicleta se estrelle contra el suelo.

La persona que monta la bicicleta lo equilibra. Aunque muchas personas piensan lo contrario, no todas las bicicletas son autoestables. Se pueden hacer con algunos ajustes en el diseño, pero algunas bicicletas son estables y otras no. También contrario a la creencia popular, el efecto giroscópico de las ruedas giratorias solo juega un pequeño papel en la estabilidad de la bicicleta; lo mismo para la rueda de la rueda delantera. Sin embargo, ambos son importantes en la imagen total.

Este artículo en la famosa revista científica Science lo explica con mucho más detalle de lo que la mayoría podría:

Una bicicleta puede ser autoestable sin efectos giroscópicos o de ruedas

Por Molika Ashford

Muchos han acordado que las bicicletas son sostenidas al menos en parte por dos poderosos giroscopios: sus ruedas. Un giroscopio es, apropiadamente, una rueda giratoria o una esfera que gira tan rápido que crea fuerzas que dificultan el cambio de orientación. Los científicos, apropiadamente, usan giroscopios para medir cambios en la orientación.

Cuando una rueda de bicicleta gira, gira alrededor de una línea horizontal imaginaria que atraviesa su centro, creando una fuerza en la dirección de su giro. Si intenta cambiar el eje horizontal cayendo hacia la izquierda o hacia la derecha, el giro se traduce en un movimiento de giro. Inclinarse a la derecha – girar a la derecha, inclinarse a la izquierda – girar a la izquierda. Los científicos llaman a este comportamiento precesión.

Puedes ver la precesión en acción con una bicicleta sin conductor. Lleva tus dos ruedas al parque y dale un buen empujón hacia adelante. Luego, corre al costado y dale un empujón lateral. A menos que esté haciendo un equipo completo de rugby, la bicicleta debería tambalearse, pero luego volver a alinearse y continuar. Los científicos creen que es el movimiento de giro de las ruedas lo que ayuda a mantener la bicicleta equilibrada.

Por otro lado, también se ha demostrado que el efecto giroscópico de la rueda de una bicicleta se cancela por el peso del cuerpo del ciclista, así como por la fuerza que empuja hacia abajo el manillar delantero. Un ingeniero ambicioso, el Dr. Hugh Hunt de la Universidad de Cambridge, construyó una bicicleta con una segunda rueda delantera. Teóricamente, si los giroscopios fueran todo lo que tenía que ver con el equilibrio, girar la segunda rueda en la dirección opuesta a la primera anularía las fuerzas giroscópicas y haría que la bicicleta no se pueda montar. Sin embargo, no importa cuán rápido gire la segunda rueda, la bicicleta funcionó exactamente igual. Esto, concluyó, demostró que si bien los giroscopios son parte del movimiento de una bicicleta, su efecto sobre la estabilidad es lo suficientemente pequeño como para verse eclipsado por la fuerza del peso y el movimiento del ciclista.

Esto hace que un ciclista dependa de pequeñas correcciones en su dirección, posición corporal y velocidad para evitar que se caiga. Puede ver tales correcciones en el trabajo cuando mira a un principiante acercarse. Los nuevos ciclistas tienden a girar de un lado a otro, corrigiendo cualquier inclinación con grandes cambios de dirección. Disimuladamente, los pilotos experimentados también están haciendo esto, tan precisamente que realmente no se puede saber.

Este ajuste agudo del equilibrio también explica a los hipsters con pantalones muy ajustados que hacen ‘paradas en la pista’ o se quedan quietos en una bicicleta sin pisar, en las intersecciones de la ciudad. Los expertos en pista inexpertos se tambalean de un lado a otro, avanzando lentamente hacia el tráfico que se aproxima; los bien practicados, por otro lado, cambian su peso con tanta precisión que la bicicleta se queda quieta. Esto representa el tipo de poder físico sobre la bicicleta que Hunt dice que eclipsa el giro de la rueda delantera.

La advertencia a la explicación del cambio de equilibrio es que solo representa las fuerzas responsables de mantenerte erguido cuando conduces rápido en línea recta, o se niega a poner el pie en el asfalto en un semáforo. La acción giroscópica se vuelve extremadamente importante para mantener un camino recto cuando conduces “sin manos” y no estás usando la fuerza de tu brazo para conducir.

Fiel a este punto, los investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos construyeron una bicicleta de prueba en forma de araña con una computadora en la parte posterior que mide con precisión las fuerzas mientras rueda sobre una cinta gigante. Sus resultados sugieren que la habilidad de un ciclista para equilibrarse y la forma de su bicicleta evitan que se caiga mientras conduce. Las fuerzas giroscópicas ayudan a evitar que se caiga si le das una palmadita excesivamente celosa en el hombro. Así que continúa, dale un empujoncito al Sr. Yellow-shorts.

Ya hay una discusión muy agradable entre las otras respuestas aquí sobre varios aspectos que hacen que una bicicleta sea manejable.

El enlace que proporcionó (Página en bicycle.tudelft.nl) sobre la bicicleta de equilibrio de Delft no me funcionó. Busqué un poco y encontré este enlace: Equilibrando las bicicletas con un artículo y esta fotografía:

Los detalles no están claros para mí solo al mirar esta foto, pero sospecho que está construida para no tener un momento angular (ruedas de rotación) y ningún rastro. La masa ajustable en el poste largo de ángulo ajustable sugiere que están experimentando con la ubicación del centro de masa y el momento de inercia. Parte de la discusión dice que los efectos giroscópicos y el rastro ayudan pero no son esenciales.

La mayoría de las bicicletas, cuando se les da un empujón hacia adelante (sin ciclista) eventualmente caerán en espiral hacia un lado u otro y eventualmente caerán al suelo. La disposición mecánica (el ángulo de inclinación, el camino, etc.) es tal que cuando la bicicleta comienza a inclinarse hacia un lado, la rueda delantera gira hacia ese lado y ralentiza la acción de caída. Con el eje de dirección bloqueado, la bicicleta se cae mucho más rápido. Pero en última instancia, una bicicleta permanece en posición vertical y en el curso deseado debido a las acciones del ciclista con su sistema de control incorporado. Cuando la bicicleta comienza a caer hacia un lado, el conductor gira las ruedas hacia ese lado, lo que hace que el parche de contacto se mueva hacia ese lado más rápido que la acción de caída. Con el punto de apoyo ahora al otro lado del centro de masa, la bicicleta comienza a caer hacia el otro lado. Ahora gira la rueda de esa manera y vuelve a caer hacia el lado del puño. Sigues haciendo esto una y otra vez para siempre. Estos movimientos son muy pequeños y usted no es consciente de ellos la mayor parte del tiempo. Es como equilibrar un palo largo en tu mano. Es un sistema de control activo.

El efecto giroscópico debe ser parte de él.

¿De qué otra forma una rueda se mantiene sola cuando rueda rápido, pero se cae cuando se ralentiza?

Como motociclista de bicicletas deportivas de gran manejo y corredor de carretera en pistas cerradas, sé que cuanto más rápido vayas, más estable será la bicicleta. De hecho, el gran manejo tiende a desaparecer a velocidades de tres dígitos.

A 25 mph puedo girar tan rápido que la rueda delantera realmente se despega del suelo.

A 50 mph, la inercia es 4 veces mayor, pero debido a que maneja más fuerte (empuja más fuerte), el manejo aún no es 4 veces más lento. Pero, probablemente sea el doble de lento.

A 100 mph se vuelve significativamente más lento, tal vez 4 veces más lento que a 50 mph. Las curvas cortas (torceduras, en el lenguaje de las carreteras) deben tomarse más lentamente que una curva de larga duración en la que tenga mucho tiempo para girar.

El rastrillo y el rastro son definitivamente factores. Los ingenieros y los sintonizadores de carreras montan con rastrillo y se arrastran todo el tiempo porque afectan mucho el manejo.

No se entiende completamente por qué, ya que hay muchas variables que interactúan entre sí. Por lo tanto, no se puede calcular con una precisión del 100% si una determinada configuración de bicicleta se mantendrá en posición vertical o no. Pero hay algunas configuraciones que funcionarán y otras que no.

Ver por ti mismo:

Son una especie de giroscopio. Las bicicletas, especialmente cuando están cargadas, como una bicicleta de turismo, se vuelven muy inestables a bajas velocidades. Incluso puedes ver esto en mi video:

Si bien no sé la respuesta, hay alguien que conozco que sí.
Mire el video en el siguiente enlace:
Espero eso ayude.

Una nueva sugerencia
Hay muchas variaciones sobre esta pregunta en Quora. Algunas de las respuestas son válidas hasta cierto punto y algunas han sido refutadas. Algunos deberían trabajar para una bicicleta en una cinta de correr, pero no lo hacen. Otros no deberían trabajar para una bicicleta sin conductor, pero lo hacen.

Un principio bien conocido que no se ha considerado es el principio de Venturi.

El único factor que falta en una cinta de correr es el viento de frente, que mantendrá al ciclista (o el cuadro de la bicicleta) firmemente en posición vertical en una bolsa de aire más denso en forma de U.
Para ver qué tan efectivo es, mira esto, o cientos como él en Youtube.

Esa es una pregunta que me hace sudar. Whooo, realmente hace calor aquí! Uf.

La verdad es que no hay una teoría completa para ello. Eso significa que podríamos conocer los principios que lo rigen, pero idear las ecuaciones reales que predicen qué modelos funcionarían y cuáles fallarían es … bueno, eso te hace sudar.

¿Y cuál es el punto de la física si no puedes predecir los procesos?

Pero, de todos modos, lo que sabemos es interesante de estudiar. Ahora, probablemente te confundiría más que nada, ¡pero aquí hay un video que me encanta!

¿Cómo se mantienen las bicicletas?

Es simplemente increíblemente simple. Pero como él menciona en el video, todavía no lo sabemos.

– Saludos y feliz aprendizaje!

Las ruedas giratorias actúan como giroscopios y mantienen el equilibrio. Cuando descansa, las ruedas ya no giran y ya no proporcionan estabilización giroscópica.

Giroscopio antivuelco

La respuesta de Christian Lucas a ¿Por qué una bicicleta permanece equilibrada al andar y se cae cuando se detiene?

Hola chicos

Si ustedes saben más sobre la información de las bicicletas, por favor revisen este blog- Bikes Resource

Es como un giroscopio, cuanto más rápido vaya, más fácil será mantenerse en pie o enderezarse. Esto no está relacionado con lo que estás montando o las fuerzas externas que puedes abarcar. Déjame terminar con una pequeña cancioncilla.

La vida es como andar en bicicleta

Debes seguir adelante

Para mantener el equilibrio

El problema de equilibrar una bicicleta no está sin resolver, es incomprendido.

Intente esto: aleje su bicicleta de la dirección en la que está cayendo, y comprenderá cómo equilibra una bicicleta. Por ejemplo, si está cayendo hacia la derecha mientras está en movimiento, gire la palanca hacia la izquierda y, si está cayendo hacia la izquierda, gírela hacia la derecha. Siempre caerás cuando hagas eso.

Veamos si algún equipo puede construir una bicicleta que pueda alejarse de la caída y aún así mantenerse en pie mientras está en movimiento.

Es simple.

Al equilibrar un ciclo, utilizamos la conservación del momento angular.

¿Qué equilibra una bicicleta? Momento y aportes del operador. El piloto se equilibra con el manillar. Por cierto, el ciclista dobla las esquinas con la bicicleta inclinándola hacia la curva.

El equilibrio es un arte.

La bicicleta no se equilibra, necesita pedalear, inclinarse levemente y aquí está.