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

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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?

sixtyfootersdude
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Bref, le Bicycle GODS.
Moab
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Petits modules antigravité secrets sous le siège. C'est pourquoi les sièges sont si chers.
Daniel R Hicks du
@ Daniel, je pensais que c'était le gel "de l'ère spatiale" qui avait fait grimper le prix ... Je pense que je ferai mon prochain siège dans une noix de coco, qui fera tourner des têtes.
Moab
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Mes vélos sont maintenus debout par vanité et par un sentiment d'importance personnelle.
Neil Fein
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Je pense que cela pourrait être appelé pédaler.
zenbike

Réponses:

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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!

ʍǝɥʇɐɯ
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C'est drôle, plus les scientifiques étudient quelque chose, moins ils en savent, ils découvrent plus de questions que de réponses.
Moab
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@ ʍǝɥʇɐɯ: sauf que l'étude dont il est question dans l'article reproduit un travail similaire des années 80, et il existe des photos d'appareils équivalents des années 30. Il s'agit donc davantage de "encore une fois, les scientifiques ont redécouvert qu'une légende urbaine si elle était fausse". Je ne le classerais pas comme qualité IG-Nobel, mais ce n'est pas aussi excitant qu'ils le prétendent. On me dit que l'utilisation des équations de Bill Wassisname sur leurs vélos d'essai donne des réponses en accord avec leurs expériences, par exemple.
@ М ס ž - J'ai lu cet article il y a quelques semaines et ça sentait un peu la "science populaire", mais cela m'a fait réfléchir et parler avec un voisin du cyclisme. Personnellement, je pense que c'est le Jedi «la Force» (moins décrit comme la «peur du coureur qui souffre d'une éruption de gravier») qui maintient le vélo en position verticale.
2011
1
@ ʍǝɥʇɐɯ: ce qui m'ennuie, c'est qu'ils ne semblent pas avoir publié leur solution (les équations), donc je ne peux pas comparer leurs résultats à ceux de Bill "Lords of the Chainring", donc c'est tout simplement duveteux. Ce n'est pas de la science si vous ne pouvez pas reproduire les résultats.
1
New Scientist n'est certainement PAS une source crédible d'informations scientifiques.
MarkovCh1
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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.

Daniel R Hicks
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+1. La capacité naturelle d'un vélo à rester debout lorsque vous "roulez fantôme" sur un vélo, ou que vous l'envoyez rouler sans pilote, est en grande partie due au râteau (ou roulette) de la roue avant. S'il était monté verticalement (votre axe de roue était directement sous le tube de direction et le tube de direction était vertical), le vélo tomberait assez facilement. Ceci est similaire à la roulette des roues avant d'une voiture, qui aide à la stabilité et à centrer le volant de lui-même (lâchez un volant de voiture dans un virage et il revient vers le centre) et au dièdre d'une aile d'avion qui l'aide à se renverser.
rally25rs
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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.

comment s'appelle-t-il
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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.

Andy Morris
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Excellent exemple. Je pense que votre description de la "direction pour garder le vélo sous vous" est très intéressante.
sixtyfootersdude
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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.

Wilka
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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.

R. Chung
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Trouvé une meilleure vidéo youtube.com/watch?v=PfIschuo520 Elle est en japonais, mais vous pouvez activer les sous-titres.
Aron
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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.

Rider_X
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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.

lantius
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Mais alors pourquoi est-il tellement plus difficile d'équilibrer lorsque le vélo est à l'arrêt (c'est-à-dire, faire un support de piste) que lorsque vous voyagez sur la route.
Kibbee
+1 pour la mention d'un vélo à volant inversé. J'en ai essayé un qui ne pouvait pas rester debout.
Mac
2
@Kibbee Je pense que la principale différence est la rapidité avec laquelle les corrections que vous effectuez prennent effet. En vitesse, un petit changement de l'angle de la roue avant entraîne un changement d'angle du vélo en très peu de temps. Cependant, lorsque vous voyagez lentement, il faut plus de temps pour changer l'angle du vélo, et c'est le temps que le vélo doit exagérer son angle d'inclinaison actuel
Mac
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-1, parce que les physiciens ont montré (selon la réponse de matthew) qu'un cycliste faisant des corrections subtiles n'est pas une condition préalable pour qu'un vélo s'auto-équilibre.
Stephen Touset
Ce n'est pas une condition sine qua non quand la moto se déplace le long d' un chemin libre, mais vous avez besoin quand vous voulez que le vélo pour suivre un chemin arbitraire ou surmonter un obstacle ...
Jahaziel
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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.

Kibbee
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-1. Il a été démontré de manière concluante que les forces gyroscopiques (qui proviennent du moment angulaire) n'influencent pas de manière significative la stabilité du vélo.
whatsisname
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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.

imel96
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