یک دوره فنی به مهارت های خوبی در پیچ ها نیاز دارد. اما، طبق علم فیزیک، چقدر می‌توانید دوچرخه‌تان را قبل از اینکه به عرشه بروید، نوک بزنید؟
دانشمندان از همان روزهایی که یک پنی فرتینگ قدیمی بود، در مورد اینکه چه چیزی تعادل دوچرخه را ایجاد می کند، متعجب بودند. بسیاری از کارشناسان پیشنهاد کردند که حلقه‌های چرخان باعث می‌شود دوچرخه مانند ژیروسکوپ رفتار کند، اما این به این سادگی نیست. گروهی از مهندسان دانشگاه ناتینگهام 25 متغیر مجزا را شناسایی کردند که بر حرکت دوچرخه تأثیر می‌گذارند، به این دلیل که توضیح ساده ممکن به نظر نمی‌رسد، زیرا خم شدن و فرمان توسط ترکیبی از اثرات، از جمله حرکت ژیروسکوپی، نیروهای واکنش جانبی زمین همراه هستند. در چرخ جلو، نقطه تماس با زمین در پشت محور فرمان، گرانش و واکنش های اینرسی…'
آنچه شناخته شده است این است که تا زمانی که دوچرخه با سرعتی در حدود 14 کیلومتر بر ساعت (9 مایل در ساعت) حرکت می کند، می تواند بدون حضور سوارکار در حالت ایستاده باقی بماند. اما باز هم، دانشمندان نمی توانند دلیل آن را توضیح دهند.
در آن پس‌زمینه، ابعاد اضافه‌شده یک خم را وارد کنید و محاسبه زاویه‌ای که می‌توانید هنگام پیچیدن قبل از برخورد به آسفالت خم کنید، به وضوح یک امر پیچیده است. در شرایط مناسب امکان دیدن زوایای 45 درجه وجود دارد، اما چگونه به آن نقطه برسیم؟
«ما می دانیم که سه نیروی واقعی بر روی دوچرخه و سوارکار عمل می کنند.
«نیروی گرانشی وجود دارد که دوچرخه و سوار را به سمت پایین هل می دهد. جاده ای وجود دارد که به سمت بالا هل می دهد، که ما آن را نیروی "عادی" می نامیم، و نیروی اصطکاکی وجود دارد که دوچرخه را به سمت مرکز مسیر دایره ای که در آن در حال حرکت است هل می دهد.'
نیروی جعلی
نیروی گریز از مرکز نیز وجود دارد.آلن می‌گوید: «این تأثیر دارد، اما یک نیروی ساختگی است. بسیاری از فیزیکدانان استدلال می کنند که نیروی گریز از مرکز وجود ندارد و صرفاً فقدان نیروی گریز از مرکز است - نیروی کششی به سمت داخل که تضمین می کند دوچرخه در دایره ای شبیه به نیروی گرانش حرکت می کند که ماهواره را به سمت داخل می کشد تا آن را در مدار نگه دارد.
از طریق معادله F=mv2/r محاسبه می شود، که در آن F نیروی مرکزگرا (نیوتن)، m جرم دوچرخه و سوارکار (کیلوگرم)، v است. سرعت (m/s) و r شعاع گوشه بر حسب متر است.
دیوید ویلسون، استاد بازنشسته مهندسی در مؤسسه فناوری ماساچوست، می‌گوید: «فیزیک چرخش در پیچ این است که شما آن را با شتاب شعاعی به سمت داخل انجام می‌دهید، که به نیروی مرکزگرا بستگی دارد.»
نیرو باید از لاستیک ها وارد شود. دوچرخه باید به گونه ای خم شود که ترکیب واکنش لاستیک و نیروی شعاعی با نیروی حاصل از دوچرخه به علاوه سوارکار مطابقت داشته باشد.'
همچنین کلیدی برای اینکه تا چه حد می توانید تکیه دهید ضریب اصطکاک است، که نسبت نیروی اصطکاک بین دو جسم و نیروی وارد شده بر آنها است - در این مورد تایر و آسفالت..
اکثر مواد خشک دارای مقادیر اصطکاک بین 0.3 تا 0.6 هستند، در حالی که لاستیک در تماس با آسفالت می تواند رقمی بین یک تا دو ایجاد کند. هنگامی که سطوح نسبت به یکدیگر حرکت می کنند - طبق دوچرخه سواری - این رقم اندکی کاهش می یابد.
برای اینکه دوچرخه عمودی بماند، نیروی جانبی (مرکزی) باید با ضریب اصطکاک برابر باشد، و این رقم می تواند به طرز شگفت آوری بزرگ باشد. به عنوان مثال، یک دوچرخه‌سوار 70 کیلوگرمی روی یک دوچرخه 10 کیلوگرمی که با سرعت 20 مایل در ساعت حول یک منحنی با شعاع 20 متر سرعت می‌گیرد، نیروی گریز از مرکز 316 نیوتن را تجربه می‌کند.
این نیرو باید توسط لاستیک ها ایجاد شود، و اگر نیرو وجود نداشت، دوچرخه و سوارکار به سادگی در یک خط مستقیم حرکت می کردند.
با استفاده از برخی محاسبات مثلثاتی چشمگیر که یک کتاب کامل را پر می کند، ضریب اصطکاک برابر با تابع مماس حداکثر زاویه ناب است.
مارکو آرکستاین، مدرس علوم ورزشی در دانشگاه Aberystwyth، می‌گوید: «وقتی از ضریب اصطکاک فراتر رود، چرخ می‌لغزد». "این می تواند به دلیل افزایش نیروی اصطکاک [به عنوان مثال به دلیل سفت کردن خط از یک گوشه] یا کاهش نیروی طبیعی [مثلاً به دلیل فرورفتگی در جاده] باشد."
ضریب اصطکاک نیز می تواند به دلیل تغییر سطح تغییر کند. به همین دلیل است که پیچیدن روی خط سفید می تواند خطرناک باشد. Arkesteijn می گوید: «این به ویژه در هوای مرطوب صادق است. "رنگ کمتر متخلخل است، بنابراین آب پراکنده نمی شود."
وزن سوارکار
برای پیچیده تر کردن مسائل، مسئله وزن سوارکار است. Arkesteijn می گوید: از نظر فیزیک، افراد کوچکتر باید بتوانند بیشتر متمایل شوند. "آنها معمولاً چابک تر هستند، که کمک می کند."
Allain کاملاً قطعی نیست، نشان می دهد که اگرچه وزن سوارکار "کمی" مهم است، اما مرکز جرم دوچرخه سوار و دوچرخه از اهمیت بیشتری برخوردار است.
"در نهایت، این مهمترین عامل است،" او می گوید. سواران سنگین‌تر معمولاً سواران قد بلندتری هستند، به‌ویژه در پلوتون‌های حرفه‌ای، به این معنی که سایز فریم آنها بزرگ‌تر و مرکز جرم آنها بالاتر است. همچنین باید شرایط جاده را در نظر بگیرید. اگر در حد مجاز هستید، یک دست انداز در جاده می تواند منجر به از دست دادن کشش و سقوط شود.
جاده های بریتانیا گاهی از جاده های عموزاده های اروپایی ما در سرزمین اصلی ما چسبناک تر است زیرا برای جذب باران و جلوگیری از لغزنده شدن سطح متخلخل تر هستند. به همین دلیل است که جاده های ما درشت تر است. اما آنها اغلب به دلیل آسیب یخبندان ناهموارتر و در وضعیت بدتری قرار دارند، به همین دلیل دوچرخه سواری و رانندگی در فرانسه زمانی که هوا خشک است بسیار لذت بخش است.
بعد از همه اینها، حداکثر زاویه انحراف چقدر است؟ برای استاد مکانیک و مهندسی جیم پاپادوپولوس، تا زمانی که یک فاکتور نهایی را وارد نکنید، نمی‌توان پاسخ داد.
این یک خط خیالی است که از لوله فرمان به سمت زمین پخش می شود. اگر این نقطه در جلوی نقطه تماس چرخ با زمین باشد، "مثبت" در نظر گرفته می شود و پایدارتر است. پشت و دوچرخه بیشتر احتمال دارد واژگون شود. ردیابی هرچه بیشتر متمایل شوید کاهش می‌یابد.
او می‌گوید: «دوچرخه‌سواران تمایل دارند در منطقه مسیر مثبت بمانند و از 45 درجه لاغر تجاوز نکنند. معمولاً کمتر است، اگرچه هنگامی که چرخش بیشتر از شعاع 5 متر است، می توانید به 45 درجه برسید. این به این دلیل است که مشکل ردیابی کمتر می شود - سپس به موضوع کشش باز می گردیم.'
بنابراین 45 درجه در یک پیچ سریع، عریض و با سطح مناسب امکان پذیر است، اما با وجود متغیرهای زیادی که در حال بازی هستند، متاسفانه هیچ پاسخ قطعی وجود ندارد. اینکه تا چه حد می‌توانید تکیه کنید یک مورد آزمایشی و (امیدواریم خیلی دردناک نباشد) خطا است.
