¿Por qué pierdes más control de una bicicleta a medida que avanzas más despacio?

Cuando tenía 4 años, aprendiendo a andar en bicicleta, lo primero que dijo mi padre fue “Conviértete en la caída” cuando se quitó las ruedas de seguridad. Para voltear hacia el lado te estás cayendo.
Bueno, esa era su teoría de la estabilidad de dos ruedas y funcionó. Sería una década más tarde cuando Física me enseñara que era su forma de definir la Fuerza Centrífuga.

¿Qué es la fuerza centrífuga?
(Un niño girando una piedra en una cuerda)
Es la fuerza que actúa sobre un cuerpo que gira alrededor de una curva hacia el exterior de la curva, en términos generales. Técnicamente es una seudo fuerza que se forma debido a la aceleración, aquí la aceleración es el cambio constante en la dirección en lugar de la velocidad.

Es esta fuerza la que te permite hacer esto:
El conductor y la motocicleta se inclinan hacia el lado derecho mientras giran a la derecha. La fuerza centrífuga está actuando hacia su izquierda. Debería estar chocando con su gravedad de cortesía correcta, pero la fuerza centrífuga mantiene las cosas en “equilibrio”. Por lo tanto, es importante mantenerse en movimiento.

Esto funciona bien Pero con esta medida, el ciclista debe corregir constantemente su velocidad de giro solo para mantenerse equilibrado. Este no es el caso en motocicletas, ni siquiera en la mayoría de los ciclos. Entonces debe haber otra fuerza en juego aquí.

El efecto Caster:
Esta fuerza entra en juego cuando el punto de contacto de la rueda está fuera del eje de dirección. Es un lanzador positivo si el punto está detrás del eje, bueno para la estabilidad. Es esta fuerza la que alinea las ruedas de una silla en movimiento en la dirección en que se mueve. En los automóviles, mantiene las ruedas alineadas para la estabilidad en línea recta. Una rueda negativa significa que el punto de contacto está delante del eje de dirección y proporciona estabilidad negativa. Lanzador cero significa que el punto coincide con el eje.

Para motocicletas, la rueda positiva gira la rueda en la dirección de la inclinación. Entonces la motocicleta hace por mí lo que mi padre me dijo que hiciera: “convertirme en la caída” . La bicicleta comienza a girar, la fuerza centrífuga se activa y vuelve a estar recta. Esencialmente, estas dos fuerzas son suficientes para evitar que una motocicleta se caiga mientras está en movimiento. Sin embargo, hay otras fuerzas que trabajan para ayudar y complicar las cosas. El mayor de ellos es el efecto giroscópico.

El efecto Gyro:
Esencialmente significa que si intenta girar un cuerpo giratorio por cualquier otro eje, habría un contra par de giro perpendicular tanto al eje giratorio como al eje del par de entrada. Se supone que el efecto giroscópico y el efecto de lanzador luchan entre sí si tengo las reglas de mi mano izquierda y derecha correctas, pero se equilibran entre sí. Y el impulso angular masivo de la rueda pesada que gira rápidamente proporciona una especie de banco de inercia para disminuir la velocidad de inclinación que le da a usted y al taumaturgo fuerza suficiente tiempo para reaccionar.
Pero a veces (a algunas velocidades para ser precisos) las fuerzas del giroscopio y del lanzador luchan demasiado y obtienes un bamboleo de velocidad incluso con ligeros disturbios.

No existe una teoría oficial sobre la estabilidad de la motocicleta porque los científicos todavía están trabajando en las complejidades. Estos son mis 2 centavos extraídos de mi experiencia de 25,000 km, 2 motocicletas y media docena de accidentes.

Así que, feliz de conducir, siempre use equipo de protección y nunca pelee contra la máquina: ambos perderán.

Para entender por qué el control es más difícil a velocidades más bajas, es útil comprender cómo te mantienes en una bicicleta en primer lugar. No te quedas despierto debido a la fuerza centrífuga o los efectos giroscópicos / conservación del momento (o no principalmente), sino que te mantienes despierto porque mantienes el centro de masa debajo de los ejes de las ruedas.

En la práctica, esto significa que se mantiene equilibrado girando la rueda delantera para dirigir el centro de masa hacia atrás debajo de las ruedas, y cuenta con la ayuda de algunos mecanismos de retroalimentación inherentes a la geometría de la bicicleta, específicamente el ángulo de inclinación de la horquilla delantera, y El centro de masa del propio mecanismo de dirección. Ambos son mucho más importantes que cualquier efecto giroscópico.

Sin embargo, a bajas velocidades, ninguno de estos es muy efectivo, dejándolo solo en manos del ciclista girar la rueda para mantener la bicicleta equilibrada. Y a bajas velocidades, la gravedad funciona igual de rápido para empujarlo hacia abajo, pero su velocidad horizontal es más lenta y hace que el centro de masa vuelva a estar debajo de los ejes más lentamente. Entonces es más difícil mantener el control.

Este video proporciona una muy buena descripción de cómo funcionan juntos para ayudar a mantener una bicicleta en posición vertical, incluso sin un ciclista. Incluso prueba algunas cosas (bicicletas con ruedas pequeñas y sin efecto giroscópico, bicicletas a baja velocidad, bicicleta yendo hacia atrás) para demostrar cómo funcionan juntas.

EDITA para reflejar la respuesta a la pregunta en lugar de las otras respuestas.

Porque no tendrías control en absoluto si te detuvieras. Y no, no es una broma. Ese es solo un tipo común de razonamiento físico para usted: tomar una variable y ver qué sucede si la establece en el valor extremo. En el límite de velocidad cero, no tienes control (la bicicleta se vuelca y cae). QED

Una mejor pregunta es, ¿por qué tiene control sobre una bicicleta (a velocidad) y esa es una pregunta sorprendentemente difícil de responder, lo suficientemente difícil como para seguir produciendo artículos en revistas académicas incluso hoy en día.

En un cierto rango de velocidades, la bicicleta es “autoestable”, lo que significa que, si empuja la bicicleta ligeramente hacia un lado, volverá a estar en posición vertical, incluso si el ciclista no hace nada. Se cree comúnmente que esto se debe a la acción giroscópica, pero recientemente se ha demostrado que es un mito (incluso si cancela la acción giroscópica al agregar discos que giran en la dirección opuesta, aún puede construir una bicicleta autoestable). El culpable sugerido es un rastro positivo (el hecho de que, en una bicicleta, el eje de dirección cruza el suelo hacia adelante del punto de contacto de la rueda delantera). Eso tampoco es necesario. (“Muchos diseños de bicicletas con ruedas delanteras giroscópicas y sendero positivo son inestables a cualquier velocidad de avance. Además, todos los diseños conocidos de bicicletas y motocicletas pierden autoestabilidad a altas velocidades debido a términos giroscópicos”. http://bicycle.tudelft.nl/ estable …)

De hecho, no hay reglas simples que expliquen la autoestabilidad. Es simplemente el caso de que, para ciertos valores de efecto giroscópico de la rueda delantera, distribución de rastro y masa, y en un cierto rango de velocidades, la bicicleta reacciona a una perturbación lateral de tal manera que rápidamente regresa a la posición vertical. Por ejemplo, el rastro positivo contribuye a este comportamiento, porque, si empuja una bicicleta en movimiento fuera de la vertical, las fuerzas de reacción del suelo en la rueda delantera girarán la rueda, dirigiendo la bicicleta en la dirección de la caída, lo que a su vez contrarrestaría la otoño. Estos efectos disminuyen a medida que la bicicleta se ralentiza y finalmente dejan de ser efectivos.

El mecanismo que mantiene una bicicleta en posición vertical es la contención de las fuerzas de inclinación y ángulo de deslizamiento. Si una bicicleta comienza a caer, se genera una fuerza de inclinación que empuja la bicicleta en la dirección en que está cayendo. Cuanto mayor es la inclinación, mayor es la fuerza. Cuando se mueve lentamente, la bicicleta se pone en posición vertical mediante la dirección automática, que ocurre cuando la rueda delantera se ve obligada a seguir la dirección del centro de masa. La dirección de avance se modifica por la dirección de caída, lo que convierte su dirección instantánea en un vector apuntado en ángulo al marco.

La rueda delantera es dirigida por la bicicleta gracias al camino. Sin embargo, las fuerzas del ángulo de deslizamiento no actúan instantáneamente, y la rueda debe cubrir cierta distancia antes de que la fuerza surta efecto. Esto se llama la longitud de relajación. El resultado es que la bicicleta debe moverse una distancia de aproximadamente un pie antes de que la fuerza del ángulo de deslizamiento comience a dirigir la rueda delantera. Cuando la rueda gira, la fuerza de inclinación en la parte delantera comienza a girar la bicicleta hacia la caída, lo que hace que la bicicleta regrese en posición vertical. Debido a este retraso en el sistema, la bicicleta tendrá tiempo de caer más lejos que cuando está a la velocidad y el conductor requerirá un esfuerzo adicional. Alternativamente, si el ciclista se mantiene tranquilo y equilibrado en la bicicleta mientras se mueve lentamente, requerirá menos control de su parte.

La razón por la cual una bicicleta es más fácil de equilibrar a velocidades más altas es la conservación del momento angular.

Normalmente, las personas tienen mucha menos exposición a este tema en física que a la conservación del momento lineal, por lo que intentaré explicar todo lo que pueda de una manera que haga que los dos suenen similares.

Cuando los objetos masivos se mueven en línea recta, tienen un impulso dado por la masa de ese objeto multiplicado por la velocidad a la que va ese objeto (su velocidad), es decir

[matemáticas] \ mathbf {p} = m \ mathbf {v}. [/ math]

Otra forma de pensar en el impulso es que es el producto de cuán difícil es mover algo con cuánto se mueve ese objeto. La masa o inercia de un objeto es una cantidad medida que nos dice cuánto resistirá un objeto los cambios en su movimiento. Su velocidad nos dice cuánto se mueve el objeto y en qué dirección se mueve. La dirección del momento lineal se considera la misma dirección que la velocidad del objeto.

Cuando los objetos masivos giran, tienen un momento angular. El momento angular es el producto de cuánto se resiste un objeto a los cambios en el movimiento de rotación (esto se llama su inercia rotacional o momento de inercia ) con cuánto gira, como en cuántas revoluciones hace el objeto en una cantidad de tiempo dada. El momento angular también tiene una dirección. Una forma de pensar en general en la dirección del momento angular es que apunta en la dirección del eje de rotación.

La conservación del momento lineal establece que un objeto resistirá los cambios tanto en la dirección como en la magnitud de su momento lineal. El momento angular funciona de la misma manera. Entonces, un objeto tiene una resistencia natural a los cambios en la dirección del momento angular, o cambios en la dirección del eje de rotación.

Entonces, cuando monta una bicicleta, si las ruedas giran lentamente, no tienen mucho impulso angular. Por lo tanto, no se necesita una gran perturbación para causar un cambio significativo en la dirección del momento angular de las ruedas. Experimentas esto como una dificultad para equilibrar una bicicleta lenta. Cuando una bicicleta se mueve rápidamente, las ruedas tienen mucho impulso angular, por lo que se necesitaría una gran perturbación para cambiar el momento angular de las ruedas de manera significativa. Entonces, como observó correctamente, las bicicletas que se mueven más rápido son más fáciles de equilibrar.

Si desea obtener más información sobre el momento angular, le sugiero que siga este enlace: https://en.wikipedia.org/wiki/An …

Como dice Dan Hunter. Nada que ver con giroscopios. Dirige una bicicleta generando fuerza centrífuga para empujarla hacia los lados, y eso depende tanto de su velocidad como de qué tan lejos gire el manillar. Cuanto más lento vaya, más tendrá que girar las barras para obtener la misma fuerza de enderezado, y si va lo suficientemente lento, no podrá girarlas lo suficiente: tendrá que equilibrar la bicicleta moviendo su cuerpo en cambio, como un artista de la cuerda floja, y por mi parte no puedo hacer eso.

Cómo andar en bicicleta, para los físicos: si desea girar a la izquierda, mueva el manillar hacia la derecha. La bicicleta gira hacia la derecha, generando una fuerza centrífuga desequilibrada que hace que la bicicleta comience a caer hacia la izquierda. Cuando el ángulo de inclinación lejos de la perpendicular es igual a atan (r * g / v ** 2), donde r es el radio de giro deseado hacia la izquierda, g la aceleración debida a la gravedad yv la velocidad, mueva rápidamente el manillar a la izquierda para que la bicicleta se mueva en un círculo de ese radio. Puede que haya cometido un error en las matemáticas, pero esa es la idea general: la fuerza de corrección es proporcional al cuadrado de la velocidad. Entonces, en una motocicleta, que tiene un tope del manillar, si está a punto de caerse y no puede girar más las barras, puede recuperarse acelerando.

La rueda giratoria actúa como un giroscopio, y cuando la bicicleta comienza a caer hacia un lado, la acción giroscópica gira la rueda en esa dirección. Eso hace que la bicicleta se mueva en esa dirección, lo que a su vez crea una fuerza centrífuga que empuja la bicicleta a una posición vertical.

Puede montar una bicicleta lenta, pero para hacerlo debe mantener un equilibrio cuidadoso, sin dejar que se incline demasiado hacia un lado u otro, ya que a velocidades lentas la acción giroscópica no es suficiente para mantener la bicicleta vertical. A altas velocidades, la bicicleta se endereza, por lo que puede andar en bicicleta sin siquiera sostener el manillar.

Debes pensar en la idea de que constantemente conduces la bicicleta por debajo de ti.

Si comienza a inclinarse hacia un lado, gira el neumático delantero para dirigir la bicicleta hacia atrás, en lugar de conducir la bicicleta hacia afuera. La inclinación de las ruedas también ayuda a empujar la bicicleta hacia abajo.

Si vas más rápido, puedes conducir la bicicleta hacia atrás más rápido, y debido a que tu gravedad te hace caer a la misma velocidad, ser capaz de conducir la bicicleta hacia ti más rápido significa que estás más estable.

A velocidades más bajas, es más difícil volver a colocar la bicicleta debajo de usted antes de que sea demasiado tarde, y si la bicicleta no se mueve en absoluto, es muy, muy difícil.