Mokslo ir technologijų pasaulis

Važiuoti triračiu gali pirmąkart sėdęs. Įsitverti vairo ir išsyk nuvažiuoti dviračiu retam pavyksta. Paprasta ir aišku - triratis stabilesnis.

Jei per masės centrą C nubrėžta vertikalė kerta atramos ribojamą plotą, kūnas nekrypsta (1 pav., a). Tai statinis stabilumas.

Mažai tikėtina, kad pasvirus triračiui minėta vertikalė išeis už atramos ribų (1 pav., b). Stabilumo atsarga tokia didelė, kad išmokti važiuoti triračiu – vieni niekai.

Dviračio atramos plotas toks mažas (1 pav., c), kad stabiliu jo nepavadinsi.

Pabandykime atsakyti: ką darome, kad važiuodami nevirstume? Vargu ar dažnas įgudęs dviratininkas sugebės paaiškinti, ko jis išmoko ir ką reiškia mokėti važiuoti dviračiu. 

Pastačius dviratį ir paleidus, po sekundės kitos jis nugrius. Jeigu dviratį stumtelsime į priekį, jis nugrius po kelių ar net keliolikos sekundžių. Net žmogaus nevaldomas dviratis judėdamas tampa stabilesnis negu stovėdamas. Šis stabilumą lemiantis veiksnys gali būti pavadintas giroskopiniu arba dinaminiu stabilumu. Jo įtaka nedidelė, todėl aptarsime du pagrindinius veiksnius, kurie lemia sistemos dviratis/dviratininkas stabilumą, kai dviratis yra žmogaus valdomas. Tai valdymas sukiojant vairą ir važiavimas „be rankų“.

Dviračio valdymas sukiojant vairą

Tarkime, dviratininkas važiuoja apskritimu, o plokštuma, einanti per ratų sąlyčio su keliu taškus ir per sistemos dviratis/dviratininkas (toliau – dviratis) masės centrą C, sudaro su vertikale kampą α (2 pav., a).

Dviratį veikia šios jėgos: K – kelio reakcijos jėga, kuri yra trinties jėgos F_tr ir atramos reakcijos jėgos N atstojamoji, ir dviračio sunkis F_s = mg. Visas jas nubrėžus iš vieno taško (2 pav., b) matyti, kad jėgų N ir F_s didumai vienodi ir jos viena kitą kompensuoja, o: 

F_tr = N tg α = mg tg α.

Trinties jėga atlieka įcentrinės jėgos vaidmenį ir greičiu v judantį dviratį verčia judėti apskritimu, kurio spindulys R₁. Žinodami, kad F_įc = ma_įc ir a_įc = v²/R₁, gauname:

R₁ = mv²/F_tr = v²/(g tg α).     

Matome, kad apskritimo, kuriuo juda dviračio masės centras C, spindulys R₁ atvirkščiai priklauso nuo posvyrio į horizontą kampo α. Iš patirties žinome, kad apskritimo, kurį brėžia ratų lietimosi su keliu taškai, spindulys R₂ priklauso nuo vairo pasukimo. Kai R₁ ir R₂ skirtingi, dviračio ratai ir dviratininko galva juda skirtingų spindulių apskritimais ir griūtis neišvengiama. Jeigu R₁ ir R₂ vienodi, dviratininko posvyrio kampas lygus 0 ir nekinta. Jis didėtų, kai R₁ < R₂, ir mažėtų, kai R₁ > R₂. Įrašę į šias nelygybes R₁ = v²/(g tg α) matysime, kada posvyris mažės, kada didės. Kai dviračio greitis v, tai, esant tokiam kampui α, kad

tg α < v²/(gR₂), (1)       

dviračio posvyris mažės, o esant  tg α > v²/(gR₂), – didės. Kai važiuodami truputį pasvyrame, taisydami padėtį privalome elgtis taip, kad R₂ taptų mažesnis už R₁. Tai realizuojame pasukdami vairą į posvyrio pusę! Štai ir atsakymas į antraštėje pateiktą klausimą: mokėti važiuoti dviračiu – tai reiškia gebėti, kiek reikia pasukti vairą į posvyrio pusę! Tada sumažėja ratų pėdsako apskritimo spindulys R₂, dviratis „palenda“ po dviratininku ir grįžta į vertikalę padėtį. Panašiai elgiamės bandydami vertikalioje padėtyje išlaikyti ant delno atremtą lazdelę (3 pav.). Kai ji pasvyra, delną judiname į posvyrio pusę, kad lazdelės atramos taškas atsidurtų po jos masės centru. Pasvirus lazdelei į kitą pusę, elgiamės atitinkamai.  

Patyrę žino, kad važiuojant greitai, valdyti dviratį lengviau negu važiuojant lėtai: kuo didesnis greitis, tuo mažesniu kampu reikia pasukti vairą, norint grįžti į vertikalią padėtį. Mokantis važiuoti, įgūdis sukioti vairą susidaro nesąmoningai. Todėl kai kurie dviratininkai nežino, kad, net važiuodami tiesiu keliu, jie visą laiką sukioja vairą tai kairėn, tai dešinėn. Įsižiūrėję į ratų įspaudus minkštame grunte pamatysite, kad palyginti tiesus užpakalinio rato pėdsakas nuolat kerta vingiuotą priekinio rato įspaustą liniją (4 pav.).

Važiavimas „be rankų“

Vairas gali pasisukti į reikiamą pusę, ne tik dėl žmogaus veiksmo, bet ir dėl kitos priežasties. Jeigu serijinės gamybos dviratį pastatysime vertikaliai ant abiejų ratų ir, laikydami už rėmo, truputį pakreipsime, tai paliktas laisvas vairas pasisuks į posvyrio pusę – į tą pačią, į kurią jį pasuktų dviratininkas pusiausvyrai atstatyti. Ši dviračio savybė susijusi su priekinės šakės konstrukcija: nuo jos priklauso taško A, kuriame priekinis ratas liečia žemę, ir taško B, kuriame kerta žemę vairo ašies tęsinys (5 pav.), tarpusavio padėtis.  Pagal ją dviračius suskirstykime į du tipus. AB tipui priskirkime dviračius, kurių priekyje yra taškas A (5 pav., a). Jeigu taškas B priekyje – BA tipui (5 pav., b).

Pasvirus AB tipo dviračiui, jo vairas pasisuks į priešingą pusę. Toks dviratis pasviręs tarsi sulinksta per pusę kaip knyga. Juo važiuoti „be rankų“ neįmanoma – bent mažiausias dviračio posvyris ne atsistatys, o didės, kol dviratis neišvengiamai nugrius. Net ir rankomis valdyti tokį dviratį sunku – sukant vairą tenka įveikti stiprų pasipriešinimą. Būtent todėl standartiniai dviračiai yra BA tipo. Pasvirus tokiam dviračiui, vairas pasisuks į tą pačią pusę. Tada dviratis išsities lygiai taip, kaip vairą pasukus rankomis. BA tipo dviratis net nevaldomas žmogaus stengiasi grįžti į vertikalią padėtį, kai nuo jos nukrypsta. Reikia atkreipti dėmesį į tai, kad vairo posūkio kampo, kurio užtenka dviračiui grąžinti  į vertikalią padėtį, kai greitis didelis, gali neužtekti greičiui sumažėjus. Lėtai važiuoti „be rankų“ kur kas sunkiau ir net pavojingiau negu greitai!

Kodėl dviračio šakė užlenkta į priekį?

BA tipo dviračio priekinė šakė gali būti įvairios formos, todėl atstumas BA – taip pat įvairus (6 pav.). Serijinės gamybos dviračio šakė užlenkta į priekį, dėl to atstumas BA yra mažiausias (6 pav., c).

Kuo didesnis atstumas BA, tuo didesnis vairą veikiančios jėgos momentas – jis pernelyg „noriai“ sukasi į posvyrio pusę. Važiuojant „be rankų“ tiesiai, dviratis, kurio šakės forma pavaizduota 6 pav., a, elgsis nepriekaištingai: vairas budriai saugos, kad dviratis nenukryptų nuo vertikalės. Privažiavus posūkį dviratis atkakliai priešinsis pasvirti į posūkio pusę net kai dviratininkas sąmoningai to norės. Laikant rankomis tokio dviračio vairą posūkyje reikia ne padėti vairui pasisukti į reikiamą pusę, o laikyti jį, kad nepasisuktų per daug. Tokį dviratį, besistengiantį visada stovėti vertikaliai, sunku valdyti posūkiuose. Todėl serijinių dviračių priekinė šakė šiek tiek užlenkiama į priekį.

Smagių kelionių dviračiais!

Parengta pagal: S.Chilkevičius, Fizika aplink mus, 1988, Mokslas.