¿Por qué una bicicleta permanece equilibrada al andar y se cae cuando se detiene?

¿Recuerdas cuando eras un niño que tú o tus amigos probablemente tenían una de esas pequeñas tapas giroscópicas que cuando tiraste de la cuerda giró y se paraba en la punta hasta que disminuyó lo suficiente como para caerse?

La estabilidad de una motocicleta o bicicleta es exactamente el mismo principio, excepto que en lugar de una sola tapa, hay DOS ruedas que actúan como giroscopios. Cuanto más rápido giren (giren) hasta cierto punto, mayor será la estabilidad de la motocicleta.

Cualquiera puede conducir y conducir una motocicleta a los 65 años en una carretera o bicicleta cuando los dos giroscopios están girando.

Uno de los desafíos más difíciles del control de motocicletas (aparte de conducir demasiado rápido para las condiciones), es conducir lentamente, girar lentamente, bajo un control completo.

Esto se debe a que a velocidades lentas, los giroscopios no están haciendo mucho para ayudar.

EDITAR:

Una de las otras respuestas hablaba de poder parar y equilibrar una bicicleta mientras está parado. Practico algo parecido a eso cuando conduzco mi motocicleta.

Cuando empiezo desde una parada, levanto mis pies, los pongo en las clavijas, y solo entonces lanzo el embrague y me alejo. De manera similar, cuando me detengo intento reducir la velocidad suavemente de modo que la motocicleta se detenga por completo antes de levantar los pies de las clavijas y colocarlos en el suelo. No siempre tengo éxito en ninguno de los dos, pero me va bastante bien en ambos.

Agregaría que tratar de detenerse rápidamente puede comprimir las horquillas delanteras y eso generalmente hace que sea mucho más difícil mantener los pies en las clavijas hasta que se detengan.

Contrariamente a la creencia popular, una bicicleta no siempre se estabiliza por el efecto giroscópico de las ruedas y otras partes móviles. Si maneja una bicicleta a una velocidad menor a aproximadamente 15 mph, los efectos giroscópicos de las ruedas no son lo suficientemente fuertes como para mantenerla en posición vertical. En el rango de baja velocidad, la bicicleta se mantiene en posición vertical mediante el equilibrio, lo que significa que no conduces en línea recta, sino que conduces en una línea ligeramente ondulada. Equilibrar una bicicleta de esta manera es bastante fácil, es como equilibrar una escoba en el palo en la mano. Los humanos son muy buenos en tales cosas. Si no pudieran equilibrarse, no podrían caminar erguidos.

Tan pronto como la bicicleta alcanza velocidades de 15 mph y más, las ruedas giratorias desarrollan un efecto giroscópico que mantiene los ejes de las ruedas en su nivel dado. Si desea cambiar el nivel de dicho eje, debe ejercer una fuerza considerable sobre él.

Si desea circular por una carretera curva con una bicicleta de este tipo, debe inclinarla hacia el interior de la curva para no voltearse. pero no puede dirigirse hacia la derecha si quiere ir hacia el lado derecho. En lugar de eso, diríjase brevemente hacia el lado izquierdo, que coloca el centro de gravedad del vehículo (incluido usted) a la derecha de la pista por la que viajan sus ruedas. Esto es suficiente fuerza para cambiar el nivel de los ejes de las ruedas: la bicicleta comienza a inclinarse hacia el lado derecho.

Curiosamente, la mayoría de las personas nunca aprenden esta técnica cuando aprenden a andar en bicicleta. Simplemente hacen lo correcto impulsados ​​por el instinto.

Sin embargo, si comienzas a conducir una motocicleta, debes aprender estos efectos y los conceptos básicos físicos detrás de ellos para poder dar la vuelta en las curvas correctamente.

Es un error común pensar que los efectos giroscópicos son responsables de la estabilidad de una bicicleta de montar, es decir, la bicicleta se equilibra de manera similar a una trompo que se equilibra. Si bien puede ser intuitivo pensar eso, en realidad no es cierto. El efecto de precesión giroscópica juega un papel muy limitado en el equilibrio de una bicicleta.

Se han realizado numerosos estudios sobre la estabilidad de las bicicletas. Inicialmente, se pensó que el ciclista simplemente mueve su cuerpo para equilibrar la bicicleta. Obviamente, esto no explica por qué es fácil mantenerse equilibrado al conducir y tan difícil cuando está parado. Así que esto fue citado como una ‘evidencia’ de que las bicicletas están estabilizadas giroscópicamente. Sin embargo, con el uso de una tercera rueda montada del suelo y hecha para rotar en sentido contrario, se encontró que la bicicleta era igualmente fácil de conducir. Entonces, el argumento de la estabilidad giroscópica es desestimado. El efecto giroscópico juega un papel pequeño, pero de una manera ligeramente diferente de lo esperado (se discute más adelante).

Antes de considerar la autoestabilidad de una bicicleta, consideremos un ciclista que controla la bicicleta. ¿Qué hace el ciclista cuando la bicicleta tiende a caerse? Dirige el mango de la bicicleta en la dirección en que la bicicleta tiende a caerse. Como resultado, la bicicleta casi entra en un movimiento circular (debido al comportamiento del neumático) con un radio de curvatura (R) inversamente proporcional al ángulo de dirección, [matemática] \ alfa [/ matemática].

R [matemáticas] \ aprox. A / \ alpha [/ matemáticas]

Debido a este movimiento circular, ahora hay un momento de fuerza centrífuga que tiende a oponerse al momento de la fuerza gravitacional. Como resultado, la bicicleta tiende a equilibrarse.

Entonces, a bajas velocidades, como la fuerza centrífuga [matemática] mv ^ 2 / R [/ matemática] es baja, su momento también es bajo y, por lo tanto, es difícil equilibrar la bicicleta. El piloto intenta aumentar el ángulo de dirección, de modo que R disminuya y la fuerza centrífuga aumente.

Del mismo modo, a velocidades más altas es fácil equilibrar ya que la fuerza centrífuga requerida es fácil de lograr con solo un pequeño ángulo de dirección.

Autoestabilidad

A velocidades más altas, se encuentra que la bicicleta se dirige automáticamente a un ángulo [matemático] \ alfa [/ matemático], en la dirección donde la bicicleta tiende a caer. De la misma manera que se explicó anteriormente, este ángulo de dirección dará como resultado un movimiento casi circular, lo que generaría una fuerza centrífuga para equilibrar la bicicleta (en el marco de referencia de la bicicleta). Por lo tanto, la bicicleta tiende a equilibrarse automáticamente. Este fenómeno se llama autoestabilidad. Esto explica cómo una bicicleta se puede equilibrar “manos libres”.

Incluso el mango de una bicicleta estacionaria tiende a girar hacia la inclinación. Podrías estar observando esto a diario. Solo mira la imagen de abajo.

Obviamente, esto se debe a que el centro de masa del mecanismo de dirección está delante del eje de dirección, la gravedad tiende a girar la dirección en la dirección de inclinación.

En todas las bicicletas, el eje de dirección cruza el suelo frente al punto de contacto entre el suelo y la rueda delantera. Esto se llama ‘caster’ o ‘trail’. La figura anterior es una representación exagerada de caster [math] \ Delta [/ math].

Girando el mango por ángulo [matemática] \ alfa [/ matemática] hará que la barra transversal gire por ángulo

[matemáticas] \ phi = \ alpha \ Delta / a [/ matemáticas]

Luego, el centro de masa de la bicicleta se moverá [math] b \ phi [/ math] normal al cuadro. Pero si la bicicleta se inclina en ángulo [matemática] \ theta [/ matemática], el centro de masa cae a través de una distancia [matemática] b \ phi \ sin \ theta \ aprox b (\ alpha \ Delta / a) \ theta [ /matemáticas]

Por lo tanto, hay un momento ([matemáticas] Mgb \ Delta / a) \ theta [/ matemáticas] en la rueda delantera. Este momento tiende a aumentar [matemáticas] \ alpha [/ matemáticas]. Por lo tanto,

[matemática] I_z \ ddot {\ alpha} = [/ matemática] ([matemática] Mgb \ Delta / a) \ theta [/ matemática]

Por lo tanto, el ángulo de dirección [matemática] \ alfa [/ matemática] aumenta con la inclinación, lo que conduce a la autoestabilidad de la bicicleta.

Entonces, el fenómeno discutido anteriormente es el principal contribuyente a la estabilidad de la bicicleta. Además de eso, el efecto giroscópico ayuda ligeramente a reducir la inclinación, pero también tiende a mejorar las oscilaciones en [matemáticas] \ alfa [/ matemáticas], lo que conduce a la inestabilidad oscilatoria en la bicicleta. Como resultado, la bicicleta puede oscilar y eventualmente caerse.

Para una mejor comprensión de estos fenómenos, consulte: La estabilidad de las bicicletas.

Tengo conocimiento directo y experimental sobre esto a través de mi tiempo con el RHIT HPVT. A través de la experimentación dedicada, nuestro equipo ha podido determinar que la comprensión teórica actual de la dinámica de la bicicleta no tiene en cuenta las complejidades que suceden una vez que arroja a un ciclista humano a la ecuación.

En verdad, en realidad hay un montón de efectos diferentes que se combinan para hacer que una bicicleta sea fácil de equilibrar. Algunos suceden mientras te mueves y otros aún funcionan mientras estás parado. Revisaré los principales que son bien entendidos:

El primero es la inercia rotacional. Como estás bastante lejos del suelo en una bicicleta, te lleva un tiempo caer. Esto funciona cuando no te estás moviendo también. Mira este video de uno de mis antiguos profesores para obtener una demostración visual del concepto:

Si bien esto no es importante por sí solo, su inercia rotacional es mucho de lo que le da tiempo suficiente para poder equilibrar la bicicleta. A medida que te acercas al suelo, debes reaccionar cada vez más rápido. Si te alejas aún más del suelo, se vuelve realmente fácil equilibrar mientras estás parado; así es como los artistas de circo pueden hacer actos de equilibrio de escalera.

Puede parecer que es un valor fijo, porque las bicicletas tienen aproximadamente la misma altura, pero no lo son en absoluto. Las bicicletas reclinadas, donde el ciclista está sentado, tienen muchas variaciones de altura, porque el ciclista se estira más y no necesita estar muy alto para despejar el suelo.

Al diseñar las tumbonas, la altura del conductor es una consideración muy importante para el manejo.

El segundo efecto ocurre debido a la dinámica del giro de una bicicleta. Este es el efecto principal que hace que sea más fácil conducir mientras se mueve.

Un error común es que cuando enciende su bicicleta, está siguiendo un solo círculo. Aquí hay una ilustración de cómo la rueda delantera y trasera de una bicicleta se mueve a tu alrededor cuando giras:

Puede ver en esta imagen que usted, su rueda delantera y su rueda trasera se mueven en direcciones ligeramente diferentes. Para que todo no se resbale, debe girar alrededor de algún punto común, que he dibujado en la imagen.

A medida que gira, su rueda trasera forma un arco más pequeño que su rueda delantera, y usted está formando un arco entre ellas. Esto significa que los tres viajan a velocidades ligeramente diferentes. Las diferencias en la cantidad que acelera cada parte de la bicicleta significa que ya no está equilibrado sobre su rueda delantera y trasera, y se “caerá” al exterior de la curva.

Experimenté esto directamente al construir una bicicleta con una rueda trasera controlada electrónicamente; Este efecto es bastante obvio una vez que puede conducir con ambas ruedas de forma independiente. Cuando gira con la rueda trasera, en lugar de caerse del giro, cae en el giro. Ese no es un efecto bruto de la aceleración centrípeta; tiene que ver con cómo se mueve toda la bicicleta a medida que gira.

Aquí está el prototipo de dirección de las ruedas traseras en una bicicleta reclinada especialmente diseñada:

Este diseño es una mejora significativa a la estabilidad de una bicicleta, debido a cómo modifica este comportamiento de giro. Ser capaz de conducir con ambas ruedas le permite ajustar el espacio entre las huellas de las ruedas y también la ubicación sobre la que está girando. Esto significa que puede inclinarse hacia adentro o hacia afuera de un giro sin tener que cambiar la dirección en la que se dirige. También significa que puedes evitar fácilmente los obstáculos en medio de un giro, ajustando el arco que estás siguiendo.

La razón por la que esto no se usa en bicicletas (y no lo defiendo) es que es mucho más complicado que conducir con una sola rueda, y las bicicletas realmente no necesitan ser más maniobrables.

También se siente realmente extraño de usar.

El último efecto importante se llama “fork flop”, que es creado por fork “trail”. Lo que significa que la rueda delantera gira alrededor de un eje establecido, pero ese eje no se alinea con el lugar donde la rueda toca el suelo. Aquí hay una ilustración de la geometría:

El principal efecto de esto es que su rueda delantera no es estable. Cuando estás en posición vertical y giras la rueda, te acercas un poco más al suelo. Esto significa que su manillar querrá girar todo el tiempo.

Cuando te inclinas, la geometría se vuelve realmente funky. Realmente terminas creando un punto que es “más bajo” y tu manillar intentará asentarse hacia ese punto.

Esto le da retroalimentación de fuerza mientras conduce. Puede saber cuándo está girando, porque el manillar intentará girar más. Puedes saber cuándo te estás inclinando, porque el manillar se “caerá” en el giro.

Sin este efecto, las bicicletas se vuelven increíblemente difíciles de manejar. Para poner las palabras en la sensación, la falta de información y asistencia para girar hace que parezca que estás equilibrado en una cuerda floja. Aunque normalmente no lo notas, confías en ese “fracaso” para ayudarte a guiar tus turnos.

¡Espero que tenga sentido!

En primer lugar, muchas gracias por hacer esta pregunta. De lo contrario, habría desperdiciado toda mi vida sin saber exactamente cómo me balanceo en una bicicleta.

Parece que has hecho un buen análisis aquí. Es genial Aquí hay un pequeño matiz que parece haber pasado por alto. El cuerpo no cambia el peso para equilibrarse. Es todo lo contrario que sucede. Cambias de peso mientras estás a punto de perder el equilibrio y caes al suelo.

La siguiente pregunta obvia sería esta:

¿Cómo diablos estoy equilibrando esta bicicleta?
La respuesta no es tan obvia (al igual que nuestros antepasados ​​pensaron que la Tierra estaba en el centro y todo lo demás giraba a su alrededor. Es obvio pero incorrecto).
Para responder esto, déjame hacerte una pregunta. Suponga que en un tráfico disminuye la velocidad (casi se detiene), pero en realidad no pone las piernas en el suelo. ¿Ahora qué haces exactamente?

Empiezas a caer y a contrarrestar que diriges hacia la izquierda o hacia la derecha según el lado que estés a punto de caer. (Ahora puede recordar cuántas veces gira el mango, hasta que descansa) No equilibra su peso. Prefieres que tu bicicleta vaya en un círculo de radio variable. Este círculo te da fuerza centrífuga. (La fuerza experimentada por una piedra en la dirección externa atada a un hilo y rota rápidamente). Esta fuerza da un ligero empujón en la dirección opuesta a tu caída y te ayuda a mantener el equilibrio.

Ahora casi entendemos cómo nos equilibramos en una bicicleta. Respondamos tu pregunta ahora. Ahora se sabe que necesita fuerza centrífuga para equilibrar su inclinación. Permítanme presentarles una pequeña fórmula que encontramos en física al tratar con la fuerza centrífuga:
[matemáticas] F = \ frac {mV ^ 2} {r} [/ matemáticas]

V se refiere a la velocidad con la que viaja. Cuando estás en reposo, V es cero y no obtendrás este impulso de equilibrio. Entonces, es difícil de equilibrar, no estoy diciendo que sea imposible ya que hay otros factores complejos involucrados en este equilibrio.

¿Notaste una cosa más de la fórmula? Para obtener una cantidad particular de empuje, el radio de curvatura requerido (cantidad de dirección) se reduce con el aumento de la velocidad de desplazamiento V. Entonces, si viaja rápido, se hace difícil notar su dirección.

Espero eso ayude…

Esta es una pregunta sorprendentemente complicada de responder. ¿Por qué las bicicletas móviles son estables? ¿Qué los mantiene erguidos?

La respuesta más común (y un poco incorrecta) es que las ruedas son como pequeños giroscopios. A los objetos que giran les gusta permanecer apuntados en la misma dirección, y se requiere un gran torque para cambiar su eje de rotación, lo que estabiliza la bicicleta. Esto es a veces lo que les decimos a los estudiantes en las clases de introducción, y no es la historia completa.

Otra razón es el rastro de la bicicleta. El punto de contacto entre el neumático delantero y el suelo está un poco alejado del eje de dirección. Cuando una bicicleta en movimiento comienza a inclinarse, esto provoca una fuerza que hace que la columna de dirección la mantenga en posición vertical, por lo que la bicicleta se autocorrige.

En última instancia, las matemáticas se rigen por un montón de ecuaciones diferenciales no lineales acopladas, por la geometría de la bicicleta y por los parámetros del ciclista, por lo que es probable que no haya una explicación intuitiva más allá de lo que he dicho sobre un Algunos de los efectos anteriores: es una interacción complicada entre una variedad de estas cosas. Una vez más, esta es una pregunta enormemente complicada: ¡solo eche un vistazo a la duración del artículo Wiki!

Estoy compartiendo un artículo que escribí para VogelVrije Fietser, la revista del sindicato holandés de bicicletas. Tiene unos años, pero sigue siendo válido. Disculpe por la traducción. Acabo de usar una traducción automática, por lo que puede haber fallas.

Una bicicleta que nunca se cae

Finalmente sabemos por qué y cómo una bicicleta está en bicicleta. Gracias a la investigación pionera en Delft. Solo ahora se pueden desarrollar bicicletas realmente especiales.

El ciclismo es una actividad muy extraña. Arend Schwab puede saberlo. Es investigador en el Instituto de Ingeniería Mecánica, Tecnología Marítima y Ciencias de Materiales Técnicos de la Universidad Tecnológica de Delft. Junto con el investigador Jodi Kooijman, ha descubierto los secretos de los medios de transporte nacionales de los Países Bajos. Eso es más extraordinario de lo que piensas. Schwab da un ejemplo: “¿Realmente sabes cómo girar a la derecha? Muchas personas no se dan cuenta de que primero los envían a la izquierda. Luego la bicicleta cae un poco a la derecha y automáticamente te deslizas en la curva con el ángulo de inclinación correcto. Nadie te dice cuándo aprendes a andar en bicicleta, pero de ninguna otra manera no puedes girar.

Es aún más loco. Si bien la bicicleta ha existido desde 1816, nadie sabe exactamente por qué una bicicleta se mantiene en posición vertical automáticamente. Y ahora lo hacen. Schwab: “Desde un punto de vista mecánico, es un milagro. Cuando una bicicleta se detiene, se cae de un solo golpe, pero si le das un poco de velocidad por un momento, automáticamente se mantiene de pie. No puedes conseguirlo”. hacia abajo, incluso con un gran empujón. Se balancea, pero el bamboleo se corrige solo. Se levanta. A 25 kilómetros por hora ya no es posible ni siquiera empujarlo “.

La investigación científica nunca ha dado una respuesta satisfactoria a la pregunta de por qué esto es así: “De la literatura, unas 50 publicaciones científicas, resultó que en todos los estudios hubo un error en alguna parte, y nunca lo mismo. A veces las personas accidentalmente intercambiaron un más y un menos, o tomaron un coseno en lugar de un seno. Ese tipo de trivia. O habían olvidado en su modelo que el cuadro de la bicicleta también se mueve un poco hacia arriba y hacia abajo. Todavía está sorprendido por eso : “Tantos errores con una cosa tan simple. Dos ruedas y un manillar. No es más que eso.

El hecho de que la bicicleta se haya convertido en lo que Schwab describe como una herramienta casi perfecta es el resultado de la evolución. En 1816 hubo la primera bicicleta para caminar. Después de eso, nada: “Pasaron cincuenta años hasta que alguien pensó que los pedales podrían ser útiles. Alguien más tarde pensó que era una buena idea hacer que la rueda con los pedales fuera más grande, porque pedaleaste el leplazarus con esas ruedas pequeñas”. Esa rueda delantera se hizo tan grande en algún momento que necesitó una transmisión. Luego, a alguien le tomará mucho más tiempo pensar que sería mejor conducir la rueda trasera. Una vez hecho esto, verá bicicletas que tienen impulsión de la rueda, pero todavía tiene una rueda delantera enorme. ¿Por qué? No es necesario para nada, pero esa es la belleza de la evolución. Las cosas no se desarrollan sistemáticamente, sino a través de un proceso de prueba y rechazo.

Un primer intento de abandonar una buena investigación científica experimental se realizó en la década de 1970 en los Estados Unidos. Las computadoras apenas comenzaban. Schwab dice: “Así que instalaron una bicicleta con todo tipo de instrumentos de medición, que estaban conectados con un enorme arnés de cables a un Ford Mustang que conducía delante de él. Para ver qué sucedía cuando le movías una bicicleta así, También habían montado un pequeño motor de cohete en esa bicicleta. Puedes imaginar cómo se veía eso.

La investigación estadounidense ha sido detenida por falta de fondos. En Delft, ahora no usan Ford Mustang con mazo de cables y cohetes para investigación experimental. Basta una vieja computadora portátil con wifi en el portador trasero de una bicicleta especialmente preparada. La computadora portátil ha sido dañada por las muchas pruebas. Porque lo que hicieron principalmente en Delft siempre es empujar la bicicleta hacia adelante sin tripulación y luego darle un gran estafador. Eso a veces sale mal.

Según Schwab, la investigación experimental ha arrojado una gran cantidad de conocimiento: “La industria de la bicicleta ha desarrollado un gran medio de transporte a lo largo de un camino evolutivo, pero los desarrollos son muy lentos. Por ejemplo, los fabricantes de bicicletas suponen solo tres puntos en los que pueden influir en las características y la estabilidad de una bicicleta: la llamada “escorrentía”, que depende del ángulo de la horquilla delantera, la distancia entre ejes y la geometría general. Hemos encontrado otros 22 factores que son al menos tan importantes como esos tres. Importa, por ejemplo, qué tan adelante está el centro de gravedad y dónde está ubicado el eje de dirección.

La conclusión más importante, sin embargo, es un poco decepcionante para aquellos que esperaban resultados espectaculares, según Schwab: “La bicicleta como está, está bien. No cambie nada. Todavía creo que ese es el caso. Pero eso solo se aplica a la bicicleta estándar para personas estándar. Y ese es precisamente el valor agregado de esta investigación. Si yo fuera un fabricante de bicicletas, me rascaría las orejas muy atrás y pensaría cuál es el mercado del futuro. El taller de bicicletas en el rincón ha desaparecido, obtienes más y más competencia. Entonces la especialización es el camino a seguir apropiado. Las personas mayores son el grupo objetivo más importante. Dejan de andar en bicicleta en un momento dado porque les resulta demasiado aterrador. No quiero verlos. en un triciclo. Esto no tiene nada que ver con el ciclismo en todos los aspectos científicos. En un triciclo te quedas dormido, y en una bicicleta te mantienes alerta. El desafío es hacer una bicicleta estable. Puedes ensanchar el neumático trasero, pero puedes También instale una pequeña e Imagine en el eje de dirección que hace una tracción de dirección cuando hace algo mal. Eso no tiene que ser difícil.

Solo queda un gran ‘pero’, y esa es la investigación de seguimiento. Schwab: ,,, una bicicleta sola no es tanto. Hasta ahora se trataba de hierro y caucho, pero no del jinete. Realmente solo puedes decir algo sobre todo el sistema cuando involucras al piloto. No sabemos exactamente cómo un ciclista estabiliza una bicicleta. Para poder decir algo sobre las características de conducción, por lo tanto, también debemos introducir al hombre en el modelo matemático.

Esto requiere tiempo y dinero. Y ahora lo están buscando en Delft.

Traducido con DeepL Translator

Una bicicleta en movimiento puede mantenerse estable porque cuando se inclina, se dirige para mantener las ruedas debajo de su centro de masa. Hay 2 mecanismos principales que juegan un papel al hacerlo:

1. Geometría de la bicicleta: en palabras simples, es la inclinación hacia atrás del eje de dirección. Es una combinación de 4 cosas: ángulo de la cabeza, rastrillo, desplazamiento de la horquilla y rastro. Entonces, ¿cómo va a ayudar esto? Las ruedas tocarán el suelo detrás del eje de dirección permitiendo que la rueda gire por el peso de su inclinación. Observe también que el peso del manillar está delante del eje de dirección. Esto ayuda además a que la rueda gire en la dirección de su inclinación por el peso del manillar.
2. precesión giroscópica: esto no solo explica por qué las bicicletas se mantienen en posición vertical, sino también cómo las partes superiores se mantienen en posición vertical, por qué los helicópteros no se desplazan, por qué el sistema solar es plano (hasta cierto punto) y muchos más. Este concepto tiene mucho que ver con los vectores y me sería difícil explicarlo en esta respuesta. pero lo esencial es que el giro de las ruedas resiste su caída hacia un lado. Sus vectores de par mantienen la bicicleta estable. (Creo que puede obtener una mejor explicación al hacer clic en este enlace: Precesión giroscópica)

Te sugiero que veas este video ¿Cómo se mantienen las bicicletas? . Tiene una buena animación que explica el primer punto sobre la geometría de la bicicleta.

El concepto de física que se aplica aquí se llama “conservación del momento angular”. Es una ley fundamental que básicamente dice “si algo está girando, resiste cualquier cambio en la dirección que apunta el eje.

Cuando descansa en una bicicleta estacionaria, las ruedas no tienen momento angular. Sin embargo, cuando comienzas a pedalear, el momento angular aumenta a medida que pedaleas más rápido. Debido a que el momento angular de las ruedas no quiere cambiar, la bicicleta se siente más estable.

Una cosa a tener en cuenta es que las preguntas de “por qué” en física dan como resultado respuestas que apuntan a alguna ley física. ¿Por qué la ley? Bueno, la física no puede responder ese tipo de preguntas …

No hay misterio No es cierto que “la física no pueda explicarlo”. No es más difícil de explicar que las personas pueden pararse sin caerse. O, para mejorar la analogía, imagínese parado sobre pilotes. Si comienza a caer en una dirección, da un paso en esa dirección y vuelve a su peso. Haces esto inconscientemente para que parezca muy misterioso, pero en realidad es un sistema de retroalimentación simple.

En una bicicleta es aún más fácil, por 2 razones. (1) Debido a que ya se está moviendo, no se necesitan pasos. solo una ligera dirección en la dirección de la caída. (2) Incluso una bicicleta sin conductor permanece levantada si tiene suficiente velocidad. La razón es que la geometría está configurada de tal manera que la retroalimentación funciona automáticamente, principalmente a través de la acción giroscópica de la rueda delantera. Por lo tanto, prácticamente no es necesario ningún esfuerzo por parte del piloto, a menos que vaya muy lentamente.

Una bicicleta tiene dos características que ayudan inmensamente a esta estabilidad dinámica: sus ruedas. Las ruedas giratorias tienen un momento angular, y cuando estás sentado en una bicicleta, tú y él y sus ruedas forman un sistema que obedece el principio de conservación del momento angular. A menos que se aplique torque o fuerza de torsión desde el exterior del sistema para cambiar el momento angular de las ruedas, ese momento y la dirección del momento permanecen constantes. En pocas palabras, una vez que las ruedas se alinean de cierta manera, quieren permanecer alineadas de esa manera. Es fácil moverlos, pero es difícil que una fuerza externa haga lo mismo, por lo que la bicicleta es fácil de mantener equilibrada pero no se cae fácilmente. Una bicicleta sin movimiento tiene ruedas que no giran y momento angular cero, lo que hace que sea muy fácil que el par externo cambie la dirección de las ruedas, lo que dificulta el equilibrio de la bicicleta.
Sin embargo, incluso cuando se mantiene relativamente inmóvil, un ciclista puede equilibrar una bicicleta con cierto esfuerzo. Dirigiendo la rueda delantera hacia un lado u otro y moviéndose ligeramente hacia adelante y hacia atrás, un ciclista puede mantener la línea entre los dos puntos de contacto de la bicicleta con el suelo debajo de la bicicleta y el centro de gravedad combinado del ciclista.

Para entender la razón, necesitamos conocer el equilibrio estático y dinámico.

Para cualquier vehículo (objeto) en estado estático , requiere al menos tres puntos de contacto para estar en equilibrio. Esta es la razón por la cual un vehículo de dos ruedas necesita un soporte como tercer punto de contacto con el suelo. En estado dinámico , el vehículo puede equilibrarse en un solo punto de contacto. Por lo tanto, un vehículo de dos ruedas puede equilibrarse cuando está funcionando.

Sabemos, momento angular = momento de inercia x velocidad angular

Ahora, cuando la bicicleta está en movimiento, la velocidad angular de la rueda aumenta, el momento angular será alto, es decir, por encima de un valor crítico y su eje de rotación no se verá afectado por la gravedad. Es por eso que la bicicleta se mantiene erguida o proporciona un buen equilibrio cuando se mueve.

Pero cuando la velocidad de la bicicleta es baja, la velocidad angular de la rueda comienza a disminuir, y cuando el momento angular de las ruedas cae por debajo de un valor crítico, resulta fácil para la gravedad inclinar el eje de rotación, lo que resulta en la caída de la bicicleta.

La idea es imaginar lo que sucede cuando no estás equilibrado. En realidad, hay un par debido a la gravedad desequilibrada, la fuerza normal y la fuerza cetrífuga que impulsa la caída hacia abajo. Cuando conduce más rápido, puede contrarrestar el torque del movimiento de caída lateral MÁS fácilmente.

El MÁS se resalta porque es importante comprender que el equilibrio vertical en dos ruedas es un equilibrio mecánico inestable. Cualquier “inclinación” te hará caer. Es solo que cuando te mueves más rápido, debido a la condición del proceso del giroscopio (gravedad + revolución de las ruedas) tienes que hacer menos esfuerzo para equilibrar la bicicleta.

Dado que una bicicleta con un ciclista puede permanecer de pie, incluso cuando está parada, una de las razones por las que puede equilibrarse se debe al hecho de que la bisagra de la dirección puede romper la longitud de la bicicleta en dos partes y en conexión con el ángulo del sendero y dos puntos de contacto con el suelo de la rueda delantera y trasera, luego girando la dirección, pueden balancear el peso del conductor lateralmente para retener su peso en la línea vertical que cae sobre la línea que une dos puntos de contacto de las ruedas con el suelo.

Cuando hay movimiento hacia adelante, y el peso del conductor va en una dirección, luego girar la dirección en la dirección de la caída retendría lo que se describió anteriormente en el peso que se mantiene en la línea que une los puntos de contacto con el suelo de las ruedas.

Uno puede descuidar el efecto giroscópico a la velocidad que usa el ciclista promedio.

La propiedad del “rastro” mencionado en el n. ° 3 de la primera respuesta es la razón principal. La mayoría de las bicicletas se estabilizarán por sí mismas y continuarán equilibrándose incluso sin un ciclista que tenga una bajada suave y descendente hasta la costa.

¡La dinámica de la motocicleta es aún más complicada! Porque:

-el peso del enging que se mueve hacia arriba y hacia abajo con el cuadro a través del rango de movimiento de dirección entra en vigor a baja velocidad.

Los efectos giroscópicos de las ruedas pesadas son más importantes.

Los neumáticos redondeados grandes desarrollan un perfil “cónico” en las curvas, lo que cambia el eje central de la transferencia de carga, la tendencia a permanecer en las curvas y la relación rueda-rpm / velocidad de avance.

Es fascinante: http://en.wikipedia.org/wiki/Mot …

¿Alguien ha visto alguna vez una motocicleta en el tráfico?

Sabemos, momento angular = momento de inercia x velocidad angular

Ahora, cuando la bicicleta está en movimiento, la velocidad angular de la rueda aumenta, el momento angular será alto, es decir, por encima de un valor crítico y su eje de rotación no se verá afectado por la gravedad. Es por eso que la bicicleta se mantiene erguida cuando se mueve.

Pero cuando la velocidad de la bicicleta es baja, la velocidad angular de la rueda comienza a disminuir, y cuando el momento angular de las ruedas cae por debajo de un valor crítico, resulta fácil para la gravedad inclinar el eje de rotación, lo que resulta en la caída de la bicicleta.

Un principio similar se observa en un trompo cuando gira.

Hay una muy buena charla de Ted sobre la estabilidad de la bicicleta. El principio fundamental clave es cuando un palo o un objeto está a punto de caer en una dirección, por ejemplo, hacia la izquierda y si se inclina en la misma dirección, el desequilibrio se corrige automáticamente y la bicicleta vuelve a la estabilidad. Aunque la teoría sugiere que la influencia del efecto giroscópico y la presencia de rastros y ruedas hace que se comporte de esa manera, los experimentos realizados demostraron que el efecto giroscópico y los rastros no son los principales contribuyentes. Una teoría prometedora es sobre la diferencia en la distribución de masa entre el frente y la espalda. El frente está muy cargado.

Aunque los principios físicos concretos no están establecidos para una invención centenaria. Hubiera evolucionado por prueba y error, pero la analogía fundamental de los objetos verticales tiende a estabilizarse cuando se inclinan hacia la misma dirección de caída ayuda a comprenderlo mejor.

Las ruedas tienen la mayor parte de su masa en el exterior de la rueda. Si bien este es un lugar conveniente para colocar un neumático, más masa en el exterior de una rueda giratoria lo convierte en un mejor giroscopio. Incluso cuando se mueve lentamente.

Cuando una rueda gira, el efecto giroscópico realmente no ayuda si te mueves directamente hacia arriba / abajo, izquierda / derecha. adelante / atrás Sosteniéndolo por su eje, no sentirá nada diferente de una rueda fija siempre que no gire la rueda.

Sin embargo, esa rueda giratoria no quiere inclinarse fuera de su plano de rotación. Trate de girar la rueda, tendrá que girar para girarla verticalmente o giroscópicamente “precesar”. Casi luchará contra ese giro, “luchará medio” un giro. Gire una rueda giratoria rápida y la rueda reaccionará con un contra torque de 90 ° en la dirección de rotación. (Hace que Sikorsky parezca un hombre muy inteligente)

No parece que esta precesión ayude en una bicicleta. Ahora imagine que una bicicleta tiene dos ruedas unidas por un cuadro de bicicleta. El marco sostiene las dos ruedas para que no puedan girar verticalmente. La precesión del vuelco de una rueda da vueltas a la bicicleta, lo que hace que el otro preceda en sentido contrario. Cancela el vuelco de la bicicleta. El resultado, la bicicleta quiere permanecer más o menos vertical.

Tenía un montón de pequeños juguetes para bicicletas que no necesitaban un control remoto o una computadora elegante, solo gire las ruedas y observe cómo se balancea mientras se desliza por el piso de la cocina.

Ahora, dejé de contarte por qué funciona un giroscopio. Mira este video.

Ahora, jugando con una rueda, uno tiene una idea de lo que sucede muy rápidamente. Mientras que el Sr. Muller articula muy bien el por qué, mi hijo de 7 años tuvo una idea de lo que sucede muy rápidamente cuando recibió algunos Beyblades para su cumpleaños y simplemente “los dejó rasgar”.

Quizás jugar con bicicletas y spin-tops que se pelean entre sí podría ser más que jugar, pero no necesitamos distraernos de su juego.