هنوز، علم قادر به ارائه پاسخ قطعی نیست. اما داره نزدیک تر میشه…
دوچرخه سواری. درست مثل دوچرخه سواری است، درست است؟ خوب، اگر اندی روئینا، استاد دانشگاه کرنل هستید، نه.
او به همراه نویسندگان همکار جیم پاپادوپولوس، آرند شواب، جودی کویژمان و یاپ میجارد، مقاله‌ای با عنوان دوچرخه می‌تواند بدون اثرات ژیروسکوپی یا کرچک خودپایدار باشد، نوشته است که نشان می‌دهد شرایطی که قبلاً برای پایداری ذکر شد، وجود ندارد. پدیده دوچرخه خودپایدار را به اندازه کافی توضیح دهید – و حتی برای آن ضروری نیست.
«این یک چیز قابل توجه است که مردم می توانند اصلاً با دوچرخه بیدار بمانند. روئینا می‌گوید، اما یکی از شگفت‌انگیزترین چیزها در مورد دوچرخه‌ها این است که می‌توانند خود را متعادل کنند.
با مثالی از صحنه معروف فیلم Jour de Fête ساخته ژاک تاتی در سال 1949، جایی که فرانسوا پستچی هولناک اسب فراری خود را در حالی که بدون سوار در جاده ای روستایی می چرخد تعقیب می کند، روئینا و دانشمندان همکارش به کاوش در این حکمت متعارف می پردازند. دو شرط لازم برای ایستادن دوچرخه، یا گشتاور ژیروسکوپی چرخاندن چرخ‌ها یا چرخش چرخ جلو بود.
روینا می‌گوید: «تنها می‌توانید دوچرخه را در حالت ایستاده نگه دارید.» آنچه که به خوبی شناخته شده این است که فرمان به شما تعادل می دهد. اگر فرمان را روی یک دوچرخه بدون سوار قفل کنیم، آن را به سمت جلو فشار دهیم و سپس رها کنیم، می توانیم این را نشان دهیم. دوچرخه به سرعت به همان شکلی که در حالت ایستا به زمین می افتد، سقوط می کند.»
روینا این اثر را به تعادل یک جارو در دست تشبیه می کند. هنگامی که جارو عمودی شروع به خم شدن به چپ می کند، متعادل کننده دست خود را به سمت چپ نیز حرکت می دهد و قسمت پایین جارو را به زیر قسمت بالایی که در حال سقوط است برمی گرداند و در نتیجه تعادل را به دست می آورد.اما با خارج کردن سوارکار از معادله، چرا این اتفاق با دوچرخه می افتد؟
مردم به طور طبیعی فکر می کنند که اگر چیزی سریع بچرخد به دلیل اثر ژیروسکوپی سفت می شود، بنابراین وقتی آن را می چرخانید، می خواهد به سمت دیگری بچرخد. این یک توضیح رایج است. مورد دیگر این است که دوچرخه مانند چرخ دستی در چرخ دستی خرید رفتار می کند.
نقطه تماس
مردم به دلیل زاویه سر و چنگک چنگال فرض می کنند که نقطه تماس واقعی چرخ جلو با زمین در جلوی محور فرمان است. اما در واقع چرخ درست در پشت این محور با کف تماس می گیرد.'
نتیجه این است که مانند چرخ چرخی که می تواند 360 درجه حول یک محور عمودی حرکت کند (تصور کنید هدست شما یاتاقان کاستور و توپی شما محور آن است)، چرخ جلوی شما از فرمان شما پیروی می کند. بنابراین، مانند یک چرخ دستی خرید، دوچرخه خود را به جلو فشار دهید و چرخ جلو لزوماً در مسیر حرکت قرار می‌گیرد.
با این حال، محاسبات محققان نشان داد که نه اثر ژیروسکوپی یا کاستور در واقع مسئول تمایل دوچرخه به هدایت و خودپایداری نیست.
برای اثبات این موضوع، روینا و تیمش چیزی را ساختند که «اسکیت دو دسته جمعی» (TMS) می نامند. به نظر چیزی شبیه یک اسکوتر تاشو، TMS همان ویژگی های دوچرخه را دارد - دو چرخ و یک بخش جلو و عقب جرم که توسط یک لولا (یعنی هدست) به هم متصل شده اند - اما به گونه ای ساخته شده است که اینطور نیست. مستعد اثرات ژیروسکوپی یا کرچک است.
برای رسیدن به این هدف، دو چرخ کوچک با زمین تماس می گیرند، که هر کدام دارای یک چرخ لمسی و در نتیجه ضد چرخش با جرم مساوی در بالا هستند، که هر گونه اثر ژیروسکوپی را با حرکت مخالف خنثی می کند (چرخ های TMS بیشتر شبیه به اسکیت عمل می کنند). و نقطه تماس چرخ جلو جلوتر از محور فرمان قرار دارد، نه مانند چرخ دنده عقب.
هنگام هل دادن و رها شدن، این «دوچرخه» بدون کرچک و بدون دنباله، عمودی می‌ماند، حتی در صورت برخورد از پهلو، خود را اصلاح می‌کند.
بنابراین این ثابت می کند که چیز دیگری، به غیر از اثرات ژیروسکوپی یا کاستور، باید مسئول تمایل دوچرخه به خودپایداری با فرمان دادن به خود باشد.برای توضیح این موضوع، محققان معتقدند که توزیع جرم، به ویژه بر روی مجموعه فرمان، کلیدی است.
برگردیم به مثال جارو، Ruina پیشنهاد می کند، TMS دارای جرمی است که جلوتر از محور فرمان است و همچنین جرمی در قاب دارد. وقتی جلوی دوچرخه می افتد، سریعتر می افتد، همانطور که اگر یک مداد را روی دست خود متعادل کنید سریعتر از یک جارو می افتد.
بنابراین جرم جلو سریعتر از جرم عقب می افتد، اما آنها توسط محور فرمان به یکدیگر متصل می شوند. بنابراین در تلاش برای سقوط سریعتر، قسمت جلویی باعث فرمان‌دهی می‌شود و دوچرخه را به زیر خود بازمی‌گرداند.»
روینا خاطرنشان می کند که این هنوز هم مشکل پایداری دوچرخه را حل نمی کند، به ویژه در مورد دوچرخه بدون سوار. اما کاری که انجام می دهد این است که سؤالات جدیدی در مورد نحوه ایستادن ما روی دوچرخه مطرح می کند که ممکن است روزی منجر به تغییرات اساسی در طراحی شود.
همانطور که محققان بیان کردند: "این نتایج نشان می دهد که روند تکاملی که منجر به طراحی های رایج دوچرخه های فعلی شده است ممکن است هنوز مناطق مفید بالقوه در فضای طراحی را کاوش نکرده باشد." بنابراین وجود دارد.
