Колесо как датчик скольжения

Итак, переднее колесо во время движения постоянно поворачивает то в одну, то в другую сторону. Это сразу видно: прямой след от заднего колеса на дороге все время пересекается извилистым следом переднего. Это хорошо видно на схеме III рис. 5.4 «Принципы баланса велосипеда». Переднее колесо (III, вид сверху) постоянно поворачивается на мгновение из стороны в сторону на определенный угол, называемый углом сколь­жения, и на него начинает действовать боковая сила. Эта сила зависит от габаритов шины, сцепления с дорогой и вылета переднего колеса (Trail). Причем вылет можно рассматривать как рычаг, к которому приложена боковая сила. Сила, умноженная на длину рычага, дает нам момент, который иногда называют корректирующим или восстанавливающим. Байкер, держась за руль, чувствует сцепление переднего колеса с до­рогой. На скользких или мокрых дорогах восстанавливающий момент уменьшается (иногда до полного обнуления). В результате байк с малым вылетом будет сигнализировать, что дорога очень скользкая. А с большим вылетом — порождать чрезмерную уверенность, что сцепление хорошее. Кстати, опытные велосипедисты, даже если не видят поверхность дороги, как в темноте, могут почувствовать разницу в дорожном покрытии по поведению руля, за который держатся.

Vb

(лаба 5.Техника катания

Задний вылет ^ стабилизатор движения

Переднее колесо, постоянно поворачиваясь то в одну, то в другую сторону, выполняет полезные функции, например, устойчивости и ру­ления. Но и заднее колесо нужно совсем не для мебели. Его важнейшая задача, кроме поддержки всей конструкции на ходу, — стабилизировать движение велосипеда, усиливать его курсовую устойчивость (см. схему IV рис. 5.4 («Принципы баланса велосипеда»)).

Из схемы сразу становится видно, что задний вылет — плечо ус­тойчивости задней вилки — рычаг длиной более метра. На конце его установлено колесо с действующей на него боковой силой. Даже если эта сила мала, восстанавливающий момент получается огромным. Поэтому велосипедист в первую очередь отслеживает переднее колесо велосипеда. Даже переезжая разные препятствия (корни, бордюры, стальные рельсы, рытвины) под острым углом, достаточно зафиксировать за ними переднее колесо и разгрузить заднее, приблизив корпус к рулю, и все пойдет как по маслу. Роль заднего колеса аналогична роли заднего стабилизатора аэроплана: длинный рычаг, маленькие стабилизирующие поверхности и гигантский восстанавливающий момент.

На большой скорости гироскопический момент заднего колеса вносит свой вклад в устойчивость велосипеда.

Но интересно посмотреть, что произойдет во время маневрирования:

• при наклоне велосипеда вбок, например, на левую сторону, заднее колесо стремится повернуться налево из-за гироскопической прецессии, но, будучи закрепленным между задними перьями, передает свой момент на раму;

• если велосипед вошел в левый установившийся поворот, заднее колесо стремится наклониться вправо, гироскопическая прецессия пытается выровнять велосипед, тем самым направив его по большему радиусу или даже по прямой;

• прямолинейное качение и торможение: протектор пневматической шины всегда постоянно проскальзывает при качении колеса. Соответственно, реальное сцепление шины с дорогой отличается от сцепления (трения) покоя. При торможении степень проскальзывания меняется от сравнитель­но небольшой величины до 100% юза при блокировке колеса. Но, кроме сцепления с дорогой и силы торможения, имеются и другие воздействия, влияющие на поведение велосипеда. Это инерция и случайные боковые силы. Если сила инерции равна силе торможения, велосипед равномерно затормаживается по прямой, так как заднее колесо продолжает работать как стабилизатор, если не мешают случайные боковые силы. Если сцеп­ление с дорогой мало, и/или колесо заблокировано и пошло юзом, тогда сила инерции может стать больше, чем сила торможения. При этом рама начинается разворачиваться в сторону, как калитка после удара, и возможны два варианта развития событий. Первый: боковая сила уравновесит силу

инерции, и велосипед стабилизируется на новой траектории движения. Второй (если дорога скользкая и сцепление мало): разовьется уже мало управляемый занос с последующим быстрым падением. Случайная боковая сила (порыв ветра или скатывающая сила при боковом уклоне дороги) в этих случаях может сыграть свою решающую роль в каждом варианте. А стабилизирующий гироскопический момент значительно уменьшается или даже обнуляется при окончательной блокировке заднего колеса.

велосипед с задним рулевым колесом

Более 150 лет изобретатели пытались сконструировать велосипед с задним рулевым колесом (ВЗРК), но «воз еще на месте». Все опытные конструкции или решительно отказываются ездить и рулить, или ведут себя крайне неустойчиво, особенно на поворотах. Именно поэтому серий­ного производства ВЗРК не было, и быть не могло.

Если сравнить обычный велосипед и велосипед с задним рулевым колесом, то легко увидеть, что все факторы, которые отвечают за устой­чивость и руление обычного велосипеда, от гироскопического эффекта до устройства рулевой колонки, работают в плюс. То есть помогают сохранять равновесие или способствуют эффективному рулению. А у велосипеда с задним рулевым колесом все не так однозначно. Часть факторов помогает, а часть, наоборот, мешает сохранять равновесие и точно рулить.

Например, при повороте такого велосипеда направо:

• на повороте большая часть заднего колеса (часть колеса между линией оси рулевой колонки и точкой касания колесом земли) пытается опрокинуться вправо, увеличивая таким образом угол поворота;

• центробежная сила, действующая на велосипед, еще более увеличивает угол поворота заднего колеса;

• гироскопический эффект, созданный задним колесом, уменьшает угол поворота велосипеда вправо;

Рис. 5.9. Велосипед с задним рулевым колесом

95 cm

Размер колеса 26" Высота седла 55 см >1

• из-за того, что велосипед обладает значительным задним трейлом (TraiL), центр тяжести системы велоси­

пед-человек сильно смещается влево, в то время как совершается поворот направо. Это не только увеличивает тенденцию к увели­чению угла поворота колеса, но часто приводит к падению влево. Кроме того, с практической точки зрения есть несколько причин, по­чему ВЗРК, даже если он способен’ (теоретически) к передвижению, будет неудобен в повседневной
жизни: если ехать на ВЗРК по проезжей части, и впереди вдруг появляется препятствие, например, в виде открывшейся двери автомобиля, то неиз­бежно столкновение, поскольку заднее колесо поворачивается как раз в сторону, противоположную той, куда необходимо повернуть. Если ехать по тротуару и необходимо с него съехать, это будет очень трудно сделать именно в намеченном месте.

Выводы. Наблюдаются большие различия в поведении обычных велосипедов и ВЗРК. На практике это выражается в том, что поведение ВЗРК бывает очень трудно предсказать. ВЗРК, показанный на рисунке, крайне нестабилен на поворотах, и даже 25-сантиметровый трейл не в состоянии стабилизировать машину.

Вместе с тем, изобретатели пока не оставляют попыток создать со­вершенный велосипед с задним рулевым колесом.

Где катать ЗеВушку?

Благодаря передней и задней подвескам геометрия байка перестала быть раз и навсегда заданной величиной. При работе амортизационной вилки и заднего амортизатора геометрия байка меняется, а значит, ме­няется его устойчивость и управляемость. Более того, и вилки, и задние амортизаторы нередко можно настраивать, изменяя ход, жесткость и демпфирование, даже не слезая с байка. Широкое распространение дисковых и роллерных тормозов позволяет тасовать колеса, как карты в колоде. Хочешь поставить большие колеса или предпочтешь помень­ше — никаких проблем! Таким образом, можно «затачивать» один и тот же байк под разные стили катания. Естественно, это меняет реальную геометрию байка и сказывается как на приемистости и скоростных воз­можностях, так и на маневренности и управляемости.

Дабы не вдаваться в тонкости и мелкие детали, посмотрим, что будет, если девушку посадить на раму. Нагрузка на переднее колесо заметно возрастет, вилка просядет, и байк «опустит нос», это понятно. Но одно­временно слегка укоротится база, и (цифирь приводить не буду) заметно уменьшатся Trail и Ку. В результате байк станет более маневренным и управляемым, но и менее устойчивым, что спровоцирует совместное падение на узкой грунтовой дорожке. То же самое происходит в момент торможения, когда байк «клюет носом», при педалировании «танцовщи­цей», когда байкер приближает корпус к рулю, и при спуске со склона, особенно если переднее колесо притормаживается.

А что случится, если нагрузить симпатичной девушкой (тяжелым грузом) багажник или поставить более короткий амортизатор у двухпод­весного байка? Ситуация поменяется на прямо противоположную. Trail увеличится, Ку возрастет, байк станет более устойчивым, но им будет труднее управлять.

А теперь отделим «мух от котлет» — изменения в геометрии от симпа­тичных девушек! Девушка кое-что весит, хотя и борется с этим недостат­ком многочисленными и мучительными диетами. Но не будем о грустном. Итак, сажаем девушку на багажник, подстелив кусок пенки для мягкости, и катим, куда глаза глядят. Сразу же станет понятно, что хорошо не будет. Произойдет дополнительное перераспределение нагрузки между колеса­ми, заднее колесо будет нагружено очень сильно, а переднее — недогружено. Управляющее воздействие от переднего колеса уменьшится, и повернуть станет сложнее. Как будто под передней шиной не сухой, твердый грунт, а скользкий, «намыленный», мокрый суглинок. Пассивная (извините, девушки!), но высоко поднятая масса будет мешать байкеру сохранять равновесие, создавать большой опрокидывающий момент при случайном наклоне байка, который сложно компенсировать почти такой же активной массой самого байкера. Когда байкер управлялся только со своим весом и легким байком, все было гораздо проще. В этом-то и разница между ак­тивной и пассивной массой (сам байк и всякие грузы, багажи, пассажиры). Выгодно уменьшать пассивную массу, но это не всегда возможно, особенно в велотуризме. А ведь тут еще и переднее колесо рулит недостаточно эффективно, когда его надо энергично поворачивать на большой угол для быстрого «вкатывания» под убегающий центр тяжести по очень «кривой» траектории с малым радиусом. Это наверняка знакомо многим велосипе­дистам. С хорошо нагруженным багажником байк прет как танк, особенно если разогнаться. Но повернуть или проехать по извилистой тропинке — ой как нелегко. Теперь со всех сторон понятно, что ехать с большим грузом на багажнике некомфортно и опасно, особенно если грунт скользкий или присыпан песочком. Облегчить ситуацию может специальный велорюкзак на багажник типа «штаны». Он позволяет понизить центр тяжести груза и улучшить управление велосипедом. «Штаны» меньших габаритов можно повесить и на переднее колесо, нагрузив его дополнительным весом и уси­лив сцепление с дорогой. Разумеется, рассчитывать на хорошую работу амортизации в этом случае уже не приходится.

Ну, а девушка? Какие могут быть вопросы! Девушка должна ездить на своем велосипеде, это будет лучше и безопаснее!