Mecánica (física): ¿Por qué es más fácil para el conductor equilibrar un vehículo de dos ruedas en movimiento que en posición estacionaria?

Tengo una respuesta diferente, que aprendí en la escuela y puedes verificar fácilmente su veracidad.

Esta respuesta es incorrecta. La respuesta correcta se debe al efecto giroscópico. Gracias a Quora User .

La ley vigente aquí es “Ley de conservación del momento angular”.

Aquí está la explicación.

Es más fácil equilibrar cualquier cosa que tenga menor masa. En analogía rotacional, se reduce al hecho de que es más fácil equilibrar cualquier cuerpo giratorio con un Momento de Inercia más bajo (I).

Ahora cuando te mueves a baja velocidad.

Su momento angular inicial: I * w

A medida que aumenta su velocidad

Momento angular final: I ‘* w’

Ahora, dado que no hay acción de fuerza externa (par externo), por lo tanto, el momento angular inicial y final debe ser el mismo.
Por lo tanto, I * w = I ‘* w’

Fácilmente I ‘es menor que yo.

Disminución del momento de inercia – Masa rotacional – conduce a un aumento en el equilibrio.

El efecto es tan destacado que con un aumento cada vez mayor de la velocidad, el equilibrio vertical se vuelve cada vez más fácil. Esto es bastante visible en bicicletas, donde después de pedalear muy rápido, incluso puedes dejar el mango y la bicicleta irá en línea recta. Pero tan pronto como la velocidad disminuye (debido a la fricción), la masa rotacional aumenta y, por lo tanto, debe sostener el mango para equilibrarlo.

Imagen: Ciclista Matt Adams, Fuente: Daily Mail

Otros ejemplos de esto en efecto:

Una parte superior de movimiento lento es más difícil de equilibrar que la parte superior de movimiento rápido. (La primera imagen en la respuesta)

Comenta tus dudas.

Durante mucho tiempo se pensó que hay dos fuerzas principales que ayudan a mantener un vehículo de dos ruedas equilibrado.

• La inclinación del eje de dirección: esto hace que la bicicleta se desplace hacia el lado que se inclina. Si inclina una bicicleta sin tocar la manija, notará que las manijas se mueven hacia el lado donde la inclinó. Cuando una bicicleta está en movimiento, si alguna fuerza hace que la bicicleta se incline, la bicicleta gira en esa dirección, haciendo que la bicicleta se desplace en una curva. La fuerza centrífuga generada por la trayectoria curva hace que la bicicleta se enderece.
• La estabilidad giroscópica de las ruedas: se opone a cualquier fuerza que intente cambiar la dirección de los ejes de las ruedas.

De estos, se pensó que el primero era más significativo. Las fuerzas estabilizadoras giroscópicas solo se vuelven poderosas a velocidades más altas. Puede ver que incluso los scooters con ruedas pequeñas se equilibran bien, por lo que está claro que los efectos giroscópicos no son tan importantes como el rastrillo de dirección. Esto parece explicar por qué puede equilibrar una bicicleta a velocidades extremadamente bajas.

Sin embargo, todo esto ha sido cuestionado.

Últimamente, algunos investigadores demostraron que hay más en esto que la teoría tradicional anterior. Construyeron una bicicleta sin rastrillo ni rueda, y colocaron volantes giratorios en los ejes de las ruedas para cancelar todos los efectos giroscópicos. La bicicleta aún mantendría el equilibrio cuando se pone en movimiento, sin un conductor.
Ver: https://www.youtube.com/watch?v=YdtE3aIUhbU

Una bicicleta estacionaria se caerá si el ciclista no cambia el peso lo suficientemente rápido como para mantener el centro de masa combinado sobre la línea que conecta los puntos de contacto del neumático. Esto requiere vigilancia y capacitación constantes.

Cuando se mueve un vehículo de vía única, el vehículo se encarga automáticamente de la tarea de mantener el centro de masa sobre la misma línea. Quiero decir, de lo contrario, ¿por qué compraste la cosa? Esos tipos que los hacen, sal de la tierra, cada uno de ellos es una bicicleta fácil de manejar. La única forma en que te equivocas es si te aferras demasiado. ¿Porqué es eso? Déjame decirte.

La bicicleta se dirige para mantenerse en pie. En realidad, la bicicleta se mantiene bastante erguida por algo parecido al esquí. Cuando rueda hacia un lado, la gravedad y la aceleración se combinan en un vector desde el centro de masa hasta la línea de contacto. Su masa y gravedad empujan la bicicleta en ángulo hacia el planeta y el planeta empuja la bicicleta en la dirección de la inclinación. En lugar de caerse, se mueve hacia los lados y, a medida que avanza esta maniobra difícil, la velocidad del centro de masa oscila ligeramente en esa dirección, o no tan ligeramente cuando comienza, y el cuadro de la bicicleta ya no está alineado con la dirección del movimiento. .

La bicicleta se mueve hacia adelante y se desvía hacia un lado. Los neumáticos de bicicleta comienzan a experimentar resistencia. Se está levantando una fuerza opuesta a la suministrada por el vector de gravedad. Hay un pequeño ángulo entre la dirección de la bicicleta y la dirección de las ruedas. Llamemos a eso un ángulo de deslizamiento. Cuando hay un ángulo, hacia arriba aumenta una fuerza y ​​esta fuerza está empujando hacia atrás.

El hecho es que, si la maldita cosa no pudiera dirigirse, estaríamos en una solución real. La cosa se caería en un latido cardíaco, pero qué diferencia hace un eje de dirección bien ubicado. Y trail, no dejes que nadie te diga que no necesitas trail. Creo que todos sabemos cuándo hemos sido contrarrestados. La fuerza en la parte delantera gira la rueda para alinearla con el vector de dirección. Gasta su energía solo en esta tarea, dejándola una braga anémica de una fuerza en comparación con la versión robusta que perdura en la rueda trasera. Esto es lo que se llama un momento de dirección, una expresión matemática con cantidades significativas que hace que la bicicleta gire: la fuerza de inclinación ya no está equilibrada en ambas ruedas. En lugar de la condición peligrosamente inestable de que la bicicleta se despegue hacia la izquierda, tenemos el alma satisfactoria para la bicicleta en la caída. Entonces no tienes que hacerlo.

Recuerda, ¿por eso lo compraste?

Un movimiento de giro en una bicicleta en movimiento, incluso muy leve, sigue un camino circular que, de acuerdo con la fuerza centrífuga, hace que la bicicleta y el ciclista se muevan y se alejen de la dirección del giro.

Las ruedas se aferran al suelo, manteniendo la parte inferior de la bicicleta en su lugar, mientras que la parte superior de la bicicleta, junto con el ciclista, se inclina hacia la curva pero la fuerza centrífuga impide que se caiga de nuevo. .

Pequeños movimientos de dirección están constantemente enderezando una bicicleta en movimiento cuando se inclina, pero apenas se nota cuando se va en bicicleta a lo largo de lo que parece ser una línea recta, pero en realidad es un patrón de zigzag muy apretado. Es mucho más fácil ver el efecto en un giro difícil a alta velocidad, durante el cual la bicicleta y el ciclista hacen una inclinación pronunciada y que desafía la gravedad.

Supongamos que el vehículo de dos ruedas está parado. Cualquier fuerza horizontal desequilibrada puede hacerla caer. Pero cuando el vehículo se mueve y

Se mueve y tiende a caer
Aquí se tienen en cuenta dos factores, en primer lugar, cuando el vehículo se inclina, el COG del vehículo desciende. Esto reduce la energía potencial. Pero, también cambia el eje de rotación a medida que la rueda pierde su simetría sobre la dirección vertical. Esto aumenta el IM y en orden aumenta la energía cinética ya que la velocidad es la misma.
Hasta esa velocidad crítica hasta que el aumento en KE sea más que una disminución en PE, el vehículo no caerá ya que cualquier sistema intenta estar en el estado de menor energía posible.
Por lo tanto, no se necesita mucho esfuerzo por parte del piloto para mantenerlo equilibrado.

Se debe a la pareja giroscópica creada debido a los movimientos de rotación de las ruedas y el motor de las bicicletas.

Entonces, cuando está en movimiento, sus ruedas giran, así que suponga que inclina su bicicleta un poco hacia el lado izquierdo, que la pareja giroscópica actuaría en la dirección opuesta equilibrando su peso.

Incluso cuando está parado, puede sentirlo al soltar su bicicleta y solo acelerar su motor, su bicicleta tenderá a equilibrarse.

Para obtener más información sobre el giroscopio, siga este enlace. Giroscopio – Wikipedia

El efecto giroscópico de las ruedas giratorias tiende a hacer que la bicicleta sea más estable. Recuerdo una demostración en la escuela secundaria, donde el profesor de física había pegado un palo a una rueda de bicicleta. Sostenías el palo y girabas la rueda, y era fácil sentir cómo se expresaba la fuerza de tratar de mover la rueda en un ángulo de 90 grados con respecto a la dirección del movimiento. Si le das un fuerte empujón a una bicicleta sin nadie, se mantendrá en posición vertical mientras se mueva, y debido a que el parche de contacto del neumático delantero está detrás del eje de rotación, la rueda delantera permanecerá recta. Con un conductor, el acto de pedalear introduce fuerzas desestabilizadoras, pero el conductor inconscientemente realiza microcorrecciones en el manillar y desplaza infinitamente el peso de su cuerpo para compensar, de modo que la bicicleta permanece indefinidamente.

Es posible equilibrar una bicicleta de engranaje fijo en lo que se conoce como un “soporte de pista”, donde el conductor gira la rueda delantera hacia un lado y mantiene el equilibrio sin moverse. Esto solo es posible en una marcha fija sin rueda libre, donde pedalear hacia atrás mueve la rueda trasera en reversa. Pero esto es mucho más difícil que equilibrarse mientras se avanza.

Porque, cuando la bicicleta se está moviendo, todo lo que el ciclista debe hacer para restablecer el equilibrio es cambiar ligeramente la dirección en la que está conduciendo. Esto inmediatamente le permite cambiar (“dirigir”) el centro de apoyo (el punto donde el “caucho se encuentra con la carretera”) a una posición debajo del centro de gravedad de la combinación bicicleta / ciclista, deteniendo así cualquier tendencia a caer. Hay un poco más en la dinámica involucrada, ya que se requiere cierta sobrecompensación para cancelar cualquier impulso de caída inicial, pero esa es la idea central. Si la bicicleta no está rodando, mover el manillar como para conducir obviamente no tiene ningún efecto real.

Piense en el genial juguete para niños, el giroscopio . Tiras de la cuerda para que gire. Cuanto más fuerte hales, más rápido gira, y cuanto más rápido gires esa rueda, más estable se vuelve. Míralo mientras, con el tiempo, se ralentiza y comienza a tambalearse y finalmente caerse.

Sostenga una rueda de bicicleta frente a usted en posición vertical con el brazo extendido y haga que un amigo comience a golpearla para que funcione realmente rápido. Ahora intente girarlo desde esa posición vertical a una orientación horizontal. Difícil de hacer, ¿eh?

Tienes dos de esos, adelante y atrás, en tu bicicleta. Es difícil caerse, cuando está a velocidad, incluso si se inclina hacia la curva al doblar una esquina. Pero es fácil caerse yendo despacio incluso yendo derecho.

Para divertirse aún más , busque un taburete con un asiento giratorio que pueda girar suavemente, sin taburetes de bar desgastados; aunque eso servirá en caso de apuro. Ahora siéntate en ese asiento con las piernas libres. Repita el párrafo dos y cuando comience a intentar girarlo de vertical a horizontal, tanto usted como el asiento del taburete comenzarán a girar. Despacio. Pero te moverás.

Hay más cosas involucradas, como qué tan pesada es la rueda; cómo se distribuye el peso (en el centro, de manera uniforme a través de un disco sólido o en el borde); qué tan rápido gira la rueda. Lo siento, pandilla, no puedo hacer los cálculos; Solo toma mi palabra.

Es difícil encontrar un físico cuando realmente lo necesitas.

En una bicicleta en movimiento, cualquier inclinación hacia un lado u otro puede corregirse fácilmente girando la rueda delantera ligeramente hacia un lado y obteniendo una fuerza mv2 / r que tenderá a contrarrestar la inclinación. (gracias por a2a Tarun Tiwari)

Debido al momento lineal hermano