Qu'est-ce qui permet à un vélo de rester debout lorsqu'il se déplace?

Qu'est-ce qui fait qu'un vélo reste debout lorsqu'il est en mouvement? Quelle est la relation entre vitesse et stabilité? S'agit-il d'une relation linéaire?

Je pourrais poser cette question sur le site de physique mais j'espère une réponse relativement simple. J'ai pris un cours d'introduction à la physique à l'université, donc la physique de base est appréciée mais rien de trop narquois.

Je pense que ce n'est pas la masse en rotation de la roue qui maintient le vélo en position verticale. J'ai lu récemment une étude déclarant que si vous avez une roue de masse identique tournant à l'arrière à côté du vélo, le vélo ne perdra pas sa stabilité. (Je ne sais pas où j'ai lu l'étude).

Pourquoi les vélos restent-ils debout lorsqu'ils roulent?

Cette question a récemment fait l'objet d'un long article dans le magazine New Scientist. Résumer:

"Pourquoi ce vélo dirige-t-il les quantités appropriées au bon moment pour assurer sa stabilité?" demande le journal. "Nous n'avons trouvé aucune explication physique simple."

http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html

Cet article cite également l'étude que vous ne pouviez pas tout à fait placer - les forces gyroscopiques, pendant si longtemps considérées comme étant la fin et la fin de la stabilité du vélo - ont été scientifiquement prouvées comme n'étant pas la conséquence généralement imaginée.

Quant à rester debout sur un rouleau, ce n'est pas couvert par l'article, cependant, il discute de ce qui se passe lorsque vous envoyez un vélo dans la rue sans personne dessus - apparemment le poids et les réglages de direction effectués par le cycliste n'ont rien à faire avec.

Je ne pense pas que l'article du New Scientist soit le dernier mot sur le sujet. Cependant, il est récent (vieux de quelques semaines) et constitue une bonne introduction au mystère. Prendre plaisir!

La géométrie du vélo offre un certain degré d'auto-stabilité. L'angle et l'inclinaison de la fourche produisent une situation où le pneu avant aura tendance à se transformer en maigre, et corrigera ainsi une tendance à tomber d'un côté.

L'effet gyroscopique des roues en soi n'est probablement pas si fort, mais l'effet gyroscopique sur la direction fonctionne avec l'angle / l'inclinaison de la fourche pour faire tourner le pneu dans le sens de la "chute" et fournir encore plus d'auto-stabilisation.

En théorie, les rouleaux ne sont pas différents de la rue - le pneu avant tournera dans le sens de l'inclinaison, soit jusqu'à ce que le bord des rouleaux produise un crash ou que le vélo se stabilise.

Les vélos sont intrinsèquement stables en raison de leur géométrie. La géométrie fait que le vélo tourne toujours dans la direction où il commence à se pencher, ce qui le maintient droit. La raison est mieux illustrée par un concept appelé contre-direction.

La contre-direction est la façon dont tous les véhicules à deux roues tournent. Lorsque vous voulez tourner vers la gauche, vous tournez un peu le guidon vers la droite. Le frottement des roues tire le bas de la moto vers la droite, ce qui déclenche une inclinaison vers la gauche. Les poignées commencent alors à osciller vers la gauche pour suivre le virage.

Quand il est temps d'arrêter le virage, vous tournez un peu plus le guidon vers la gauche. Cela tire le bas du vélo plus loin vers la gauche, ce qui amène le bas du vélo directement sous le centre de gravité et arrête ainsi le virage.

Sur de nombreux vélos et à basse vitesse, l'effet de contre-direction peut être ignoré par de nombreux cyclistes. Cependant, à des vitesses élevées ou avec des véhicules plus lourds tels que des motos, il est plus important.

Alors, comment ça marche quand il n'y a pas de cavalier? C'est à cause de l'inclinaison de la fourche et du rail qu'elle provoque. Si vous tracez une ligne imaginaire à travers l'axe de votre fourche jusqu'au sol, elle heurtera le sol devant l'endroit où la roue entre en contact avec le sol.

Parce que la roue entre en contact avec le sol derrière l'axe de direction, la roue ressentira toujours une force de la route essayant de la ramener au centre, pointant droit devant. Lorsque le vélo est incliné d'un côté, les forces commencent à pousser la roue du côté où le vélo est incliné.

Donc, toutes ces forces s'additionnent. Le râteau dans la fourche donne envie au vélo d'aller tout droit. Et quand il sent une bosse dans un sens ou dans l'autre, la contre-direction aura tendance à amener le vélo dans l'autre sens. Ensuite, le râteau de fourche commencera à repousser la roue avant plus loin, ce qui redirigera ensuite le vélo à cause de la contre-direction.

C'est comme équilibrer un balai sur votre main, vous vous dirigez pour déplacer les roues sous vous. Les fabricants de vélos aident en concevant la géométrie de la direction afin que le vélo reste debout tout seul, si vous ne vous en faites pas.

Les forces gyroscopiques aident mais ne sont pas essentielles.

Il y a eu des recherches plus récentes à ce sujet: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

On pensait auparavant que les roues rotatives du vélo assurent la stabilité grâce à des effets gyroscopiques; et que la «traînée» (la distance sur laquelle le point de contact de la roue avant traîne derrière l'axe de direction, joue un rôle important).

Toutefois:

Une nouvelle étude en science prétend avoir réglé le problème - les effets gyroscopiques et l'aide aux sentiers, explique le chercheur Dr Arend Schwab de la faculté 3mE de la TU Delft, mais ne sont pas nécessaires au-delà d'une certaine vitesse. Dans un article de 2007 de la Royal Society (doi: 10.1098 / rspa.2007.1857), un modèle mathématique avec environ 25 paramètres physiques a été développé à l'époque qui semblait prédire si, et à quelles vitesses, une conception particulière de la bicyclette serait stable.

Les auteurs ont conçu et construit un vélo Two Mass Skate, avec de petites roues contrarotatives, ce qui signifie qu'il n'y a aucun effet gyroscopique à proprement parler, et une petite traînée négative (en d'autres termes, où le point de contact de la roue avant est marginalement devant l'axe de direction). Pourtant, le vélo est resté stable lors du déplacement.

Cette vidéo de 7 minutes donne une explication de la stabilité du vélo, discutant des effets gyroscopiques, des roulettes et de la direction. En particulier, il montre des exemples de vélos (sans conducteur) qui peuvent s'équilibrer même lorsqu'une ou plusieurs des sources de stabilité sont supprimées. Ainsi, il existe plusieurs caractéristiques de conception qui permettent la stabilité - y compris le pilote.

Actuellement , il existe trois principaux facteurs susceptibles d'affecter la stabilité du vélo:

1. Quantité de traînée de roue avant (c.-à-d. Conception de roue pivotante)
2. Répartition des masses devant l'axe de direction de la roue avant
3. Précession gyroscopique

Dans un vélo moderne, les trois fonctionnent ensemble pour permettre à un vélo de se diriger automatiquement vers une chute, présentant ainsi un comportement d'auto stabilisation. Ce comportement de direction automatique permettrait à un vélo d'être stable sur des rouleaux ou de se déplacer sur le sol.

Parce que la stabilité est obtenue grâce à l'équilibre de plusieurs facteurs, trop d'un seul facteur peut rendre une conception instable (par exemple, par une correction excessive). De plus, tous les facteurs n'ont pas le même impact. Certains facteurs isolés peuvent suffire à stabiliser un vélo en lui-même en l'absence d'autres facteurs (par exemple, la répartition de la masse devant l'axe de direction ).

L'existence de plusieurs facteurs signifie également que différentes conceptions stables peuvent utiliser différentes quantités de chaque facteur. Par exemple, dans les années 1940, les vélos randonneur utilisaient beaucoup moins de sentiers , mais ajoutaient de la masse devant l'axe de direction (c.-à-d., Des sacs avant transportant du matériel) pour créer un vélo stable.

MinutePhysics a une bonne courte vidéo décomposant l'impact de ces effets. Je crois que dans la plupart des modèles stables, la procession gyroscopique (3) aura l'effet le plus faible.

Aidé par les caractéristiques d'auto-stabilité, comme indiqué ci-dessus, la raison fondamentale pour laquelle un vélo reste debout pendant que vous roulez, c'est que vous équilibrez activement en gardant les points de contact du vélo sous votre centre de masse. Pendant que vous roulez, vous effectuez des mouvements de virage subtils pour garder le vélo sous vous - lorsque le vélo tombe vers la gauche, vous tournez à gauche, ce qui déplace la roue avant et remet le vélo sous vous. Sur les rouleaux, vous pouvez voir cela comme le vélo qui se déplace d'avant en arrière sur le rouleau - et quand il ne peut pas le faire, vous tombez.

Vous pouvez le faire si inconsciemment après avoir appris à rouler que c'est tout un défi de faire du vélo avec la direction inversée.

La réponse de base sans trop entrer dans la physique est l'élan angulaire . Fondamentalement, un objet en rotation (vos roues) exerce une force dans la direction opposée si vous essayez de les "faire basculer". Pour l'essayer à la maison, retirez votre roue avant. Tenez l'essieu des deux mains et faites tourner la roue. Essayez maintenant de faire pencher la roue. Remarquez comment la roue recule. Faites de même avec la roue qui ne tourne pas et remarquez comment elle ne recule pas. Plus la roue tourne vite, plus elle recule fort. Je ne sais pas si la relation est linéaire ou non. Jetez un œil ici pour un aperçu plus basique de l'élan angulaire . Il montre une vidéo faisant une démonstration à l'aide d'un pneu de vélo.

Cela devrait être aussi simple que cela:

• action = réaction. Si le vélo est droit, il le restera à moins qu'il n'y ait des forces latérales. Cela est vrai même lorsque le vélo ne bouge pas.
• s'il y a une force qui perturbe l'équilibre, il doit y avoir une quantité égale de force de contre-réaction pour maintenir l'équilibre.
• lorsque le vélo bouge, la direction traduit une partie de l'élan vers l'avant en force latérale, de sorte que la direction peut être utilisée pour équilibrer le vélo.
• sur un rouleau, le vélo peut se déplacer latéralement pour s'équilibrer.
• déplacer le poids du cycliste ne doit pas générer de force latérale car pour se déplacer d'un côté, le cycliste doit pousser le vélo dans l'autre sens avec la même force. Tout succès avec cela peut être attribué à l'inefficacité du système.

Ensuite, il y a l'effet gyroscopique des roues qui peut modifier la quantité et la direction des forces qui agissent sur le système.