Физика велосипедной езды: какие силы преодолевает велосипедист?

Содержание

Велосипед не падает из-за центробежной силы

Физика велосипедной езды: какие силы преодолевает велосипедист?
Подробности 16844

  Если задавать вопрос «почему велосипед не падает?» всем подряд, то большинство, скорее всего, не смогут ответить на него. Просто пожмут плечами.

Меньшая часть, считающая себя технически грамотными людьми, ответит, что это, вероятно, из-за эффекта гироскопа.

И, наверно, будут удивлены, узнав, что гироскоп не имеет к этому никакого отношения, это показал эксперимент в котором нивелировали этот эффект, а велосипед продолжал ехать. И лишь незначительное меньшинство ответит правильно. Итак, почему не падают велосипедисты?

  Для сохранения равновесия любого тела необходимо, чтобы перпендикуляр, опущенный из центра его тяжести, не выходил за площадь опоры. Чем меньше последняя, тем менее устойчиво положение.

  Площадь опоры велосипеда предельно мала – по сути, она представляет собой прямую линию, проведенную между точками касания колесами земли. Поэтому велосипед (с велосипедистом или без него) не может стоять, находясь в неподвижном положении. Но при движении устойчивость чудесным образом возвращается к нему. Почему это происходит?

  Все дело в центробежной силе, которая возникает при подруливании. Если движущийся велосипед начинает наклоняться в какую-нибудь сторону, велосипедист слегка поворачивает руль в сторону наклона, заставляя машину поворачиваться.

При этом возникает центробежная сила, направленная в сторону, противоположную наклону. Она-то и возвращает велосипед в вертикальное положение. Двухколесный велосипед не способен ехать строго по прямой.

Если его руль зафиксировать в неподвижном положении, он обязательно упадет, потому что исключается возможность подруливания.

  Этот процесс – отклонение от вертикали и возвращение к ней – происходит непрерывно. Велосипедист даже не задумывается о том, что происходит. Его руки автоматически совершают подруливание, которое необходимо для сохранения вертикального положение. К слову сказать, именно в приобретении автоматизма подруливания и состоит обучение езды на велосипеде.

Конструкция велосипеда и поддержание равновесия

  Конструкция рулевой колонки и передней вилки велосипеда облегчает автоматическое поддержание равновесия. Ось рулевой колонки (передней вилки) проходит не вертикально, а наклонно к земле.

Точка ее пересечения с грунтом располагается впереди того места, где переднее колесо соприкасается с дорогой.

Такая схема способствует тому, что если переднее колесо случайно отклоняется от среднего положения, сразу возникает момент реактивных сил, который возвращает его на место.

  При наклоне велосипеда реакция опоры переднего колеса, которая приложена в точке его касания с землей и направлена вверх, автоматически поворачивает колесо в сторону наклона. Возникает центробежная сила и велосипед возвращается в вертикальное положение.

  Для лучшего понимания этого процесса, нужно просто принять во внимание, что схема сил, действующих на переднее колесо велосипеда, является примерно такой же, как и у тележек с вращающимися колесами.

В какую сторону тележку не толкать, колеса автоматически поворачиваются в нужном направлении. Кстати, именно эта особенность  конструкции велосипеда обеспечивает возможность езды, не держась руками за руль. Велосипед самостоятельно поддерживает равновесие.

А чтобы выполнить поворот, достаточно сместить центр тяжести своего тела в сторону.

  Степень способности конкретного велосипеда поддерживать динамическое равновесие определяется конструкцией его рулевой колонки и вилки.

Главный параметр здесь – расстояние от точки соприкосновения переднего колеса с землей, до точки пересечения оси рулевой колонки (передней вилки) с грунтом. Как уже говорилось, последняя находится впереди первой.

Реактивный момент, действующий на колесо при его повороте, будет тем выше, чем больше это расстояние. Для оптимальных динамических характеристик велосипеда требуется не самый большой, а строго определенный реактивный момент.

Слишком малый уменьшит автоматическое поддержание равновесия, чрезмерно большой – приведет к возникновению «шимми». Поэтому наклон оси рулевой колонки и параметры передней вилки при проектировании велосипеда выбираются очень тщательно.

Что такое «шимми»

  При высокой скорости (выше 30 км/час) переднее колесо велосипеда может начать самопроизвольно вилять вправо-влево. Это явление, которое, кстати, имеет место и в авиации, называется «speed wobbles» или «шимми».

Причина  его заключается не в неисправности велосипеда (плохой сборке или ослаблении креплений), а в том, что возникает резонанс переднего колеса. «Шимми» очень опасно в том случае, когда велосипедист едет «без рук», то есть не держится за руль.

Чтобы погасить возникший резонанс, нужно снизить скорость или изменить позу.

Велосипед – энергоэффективней

  По затратам энергии на единицу преодоленного расстояния велосипед эффективней не только ходьбы, но и езды на автомобиле. При движении велосипеда со скоростью 30 км/час тратится 15 ккал на 1 км. Ходьба со скоростью 5 км/час приводит к сжиганию 60 ккал на 1 км. То есть по энергозатратам на единицу расстояния движение на велосипеде в 4 раза эффективнее ходьбы.

… и функциональней

  Если рассматривать езду на велосипеде с точки зрения спортивной нагрузки, то она тоже оказывается предпочтительней ходьбы. Катание на велосипеде отнимает 450 ккал в час, в то время как при ходьбе тратится только 300 ккал.

Конечно, физическую нагрузку можно увеличить, перейдя с шага на бег. Но в этом случае возрастает нагрузка на колени и голеностопные суставы, что нежелательно, поскольку со временем может привести к травме этих проблемных мест.

Когда женщины быстрее

  Тренированный мужчина, даже не будучи профессиональным спортсменом, может длительное время развивать мощность 250 Вт или 0,33 л. с. При езде на велосипеде по ровной дороге это примерно соответствует скорости 30 км/час.

Женщины не могут развивать такой мощности, как мужчины, но в расчете на единицу веса их энергетические показатели превосходят мужские. При езде по ровной дороге, когда вся мощность тратится в основном на преодоление сопротивления воздуха, женщины едут медленнее, чем мужчины.

Зато при езде в гору, когда энергия тратится на преодоление силы тяжести, они способны ехать быстрее сильной половины.

Источник: http://velosreda.ru/fizika-velosipeda-pochemu-velosiped-ne-padaet

На что тратятся силы при движении велосипеда

Физика велосипедной езды: какие силы преодолевает велосипедист?

Скорость велосипеда зависит от мощности кручения педалей, типа и класса велосипеда, состояния дорожного полотна, рельефа и ветра. Интересно оценить в каких пропорциях. 

По моим наблюдениям, если на гладком шоссе крейсерская скорость составляет 30 км/ч, то на второстепенной дороге она падает до 25, при езде в группе может вырасти до 35, встречный ветер может  погасить скорость до 20 км/ч и это воспринимается тяжело. При заезде в горку скорость легко гасится, например до 15 км/ч и это воспринимается нормально.

В сети считается, что уже при скоростях 25-30 км/ч основные силы уходят на борьбу с сопротивлением воздуха, да и вообще скорости больше 30 км/ч определяются не столько силой ног, сколько аэродинамикой. Меня это настораживает. По моим наблюдениям аэродинамика гораздо сильнее ощущается при встречном ветре, когда против ветра приходится бороться.

В то же время попутный ветер не ощущается совсем, поскольку скорость движения обычно больше скорости ветра. А скорость не становится уж очень большой. Может значение аэродинамики несколько преувеличено? К счастью не очень сложно прикинуть распределение затрат при движении велосипеда.

Затем можно сравнить эти данные с опубликованными в сети  наблюдениями пользователей велосипедов с измерителями мощности.

Мощность и сила тяги

Для начала интересно понять, какие ресурсы есть у велосипедиста. При долгом педалировании основная характеристика это выдаваемая мощность. Судя по отзывам обладателей измерителей мощности можно считать, что долго можно выдавать 200 ватт. Это соответствует при скорости 25 км/ч постоянной силе «тяги» 28.8 ньютонов (25 км/ч это 6.94 м/с, 200 / 6.94 = 28.8).

Для большей наглядности далее силу буду приводить  в единицах килограмм-силы. Одна килограмм-сила (обозначение «кГ» в отличие от массы — «кг») это вес тела с массой 1 кг, то есть сила с которой гиря, на которой написано «1 кг» давит на весы. Это то, с чем мы имеем дело в обиходе вместо собственно «массы тела». 1 кГ = 9.81 ньютонов.

Соответственно, 200 ватт вырабатываемой мощности при 25 км/ч это всего-навсего 2.9 кГ прикладываемой к велосипеду силы. Это кажется странным, ведь можно легко поднять груз намного больший. Но в этом и есть отличие силы от работы.

Груз нужно не просто поднять, а поднимать и поднимать, причем быстро. Конечно на короткий срок можно развить и бОльшую силу и бОльшую мощность, но на длительный период получается примерно такие цифры. Кстати, мощность лошади, 1 л.с. = 736 ватт, всего в 3.

5 раза больше чем мощность среднего велосипедиста.

При установившемся движении транспортного средства сила сопротивления (F) определяется тремя факторами: трением качения (R), горками (T) (выражается в увеличении веса, который нужно затолкнуть в гору) и сопротивлением воздуха (Q).

Сила трения зависит от коэфф. трения (k) и составляющей веса (P) перпендикулярно поверхности. То есть, чем больше вес, чем хуже дорога, чем хуже шины, тем сопротивление из-за трения больше.

Горка добавляет тянущую назад силу (Т), в зависимость от веса (P) и угла (альфа), но несколько уменьшая давление на поверхность, то есть силу трения.

Наконец, сила аэродинамического сопротивления (Q) пропорциональна площади поперечного (лобового) сечения (S), коэффициенту аэродинамического сопротивления (Cx) и квадрату скорости (v), множитель (ро) это плотность воздуха.

Горки

Из трех слагаемых полная ясность только с движением в горку или с горки. Вес (велосипедист + снаряженный велосипед) известен, тангенс угла наклона тоже.

Тангенс отмечен на дорожном знаке, поскольку это процент набора высоты на проекцию по горизонтали длины пути. То есть, это длина дороги по карте.

При «процентах» характерных для дорог это практически одно и то же, что и «синус» — набор высоты на длину пути, но нужно помнить, что уклон 100% соответствует углу 45 градусов, а не 90.

В общем, можно считать, что уклон 10% обозначает 1 метр подъема на 10 метров пути.

Сила, которая постоянно будет тянуть назад при подъеме, это проценты, указанные на дорожном знаке, от снаряженного веса (велосипедист + велосипед). Например, при весе 90 кГ при движении в подъем с уклоном 10% велосипед будет тянуть назад сила в 9 кГ.  Так как считаем, что в распоряжении у велосипедиста 200 ватт мощности или как рассматривал выше 2.9 кГ силы тяги при скорости 25 км/ч, то понятно, что на такой скорости ему никак не заехать, поскольку 2.9 кГ тянущие вперед меньше, чем 9 кГ тянущие назад. Но при снижении скорости, «сила тяги» возрастает. Если пренебречь потерями на трение и сопротивление воздуха, то можно заехать на скорости W/F (имеющаяся в распоряжении мощность, деленная на силу, тянущую назад), то есть 8 км/ч. (200 / 9 / 9.81 * 3.6). Похоже на правду

Источник: http://diginfo.ru/ru/cycling_rus/na-chto-tratyatsya-silyi-pri-dvizhenii-velosipeda/

Как ездить быстрее и дальше

Физика велосипедной езды: какие силы преодолевает велосипедист?

Давайте попытаемся ответить на один непраздный вопрос: как увеличить скорость долговременного перемещения на велосипеде?
Вопрос с одной стороны простой, а с другой чрезвычайно сложный.

Чтобы ответить на него надо сначала понять, какие силы действуют на систему «велосипед-человек». В общем случае, это сила, с которой человек крутит педали, и силы сопротивления.

Силы сопротивления

При передвижении на велосипеде механическая энергия затрачивается на преодоление силы трения качения и силы сопротивления воздуха (внешняя работа) и на перемещение ног (внутренняя работа).

Внешняя работа зависит от скорости передвижения, посадки, экипировки велосипедиста и коэффициента трения качения.

Трение качения зависит от типа дорожного покрытия и самих колёс. При езде по гладкой твёрдой поверхности на велосипеде со стандартными колёсами, с давлением в них 7-8 атмосфер, энергетическая стоимость метра пути вдвое меньше по сравнению с обычной ходьбой и втрое меньше, чем при беге.
Потери энергии на трение в системе передачи и осях велосипеда пренебрежительно малы.

Поэтому работа, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха, наиболее весомая фракция полной механической работы велосипедиста.

Сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости, а мощность, которую необходимо развить для ее преодоления, пропорциональна кубу скорости! Так, при скорости 18 км/ч на преодоление сопротивления воздуха затрачивается около 50% всей развиваемой мощности, а при скорости 36 км/ч уже 80%.

Именно поэтому так важно снижать аэродинамическое сопротивление.
В трековой гонке на 4 км использование велотуфлей без шнурков улучшает результат на 1,5 секунды! Как вам это?

Биомеханика педалирования

С силами разобрались. Теперь давайте посмотрим на биомеханику, на процесс преобразования энергии человека в пройденный путь.

Эффективность езды на велосипеде зависит от частоты вращения педалей и выбора передачи. Чем больше передача, тем больше сила действия на педали и укладка (расстояние, преодолеваемое за один полный оборот педалей).

Укладку в метрах легко посчитать по формуле У=πD(Nfront/Nrear), где D диаметр колеса, а Nfront/Nrear — соотношение зубьев на звездах.

Так для моего велосипеда максимальная укладка будет такой У = 3,14 × 26 × 2,54 × 10-2 × (44/11) = 8,29 м. Минимальная же составит 1,43 м. Думаю понятно, что 26 — это диаметр колеса в дюймах, а 2,54 × 10-2 — это длина дюйма в метрах.

Можете посчитать для колес 28″, для соотношения передач 48-11, и т.д.

Теперь перейдём к важному, а именно — к оптимальным режимам педалирования при разных уровнях частоты сердечных сокращений (ЧСС).
Так, при ЧСС, равной 150 уд/мин, оптимальный каденс 87 об/мин, а укладка 6,8 м. А при ЧСС, равной 180 уд/мин, оптимальный каденс составляет 100 об/мин, а укладка 7,1 м.

Эти рекомендации относятся ко взрослым велосипедистам высокой квалификации. А теперь скажите кто из нас способен на равнине крутить педали с частотой 90-100 об/мин на передаче 44-11 (3-9 звезды)? То-то же!

Теперь о том, как мы крутим.
Не вдаваясь в детали, примите как аксиому: круговое (контактное) педалирование самое эффективное. Но этой техникой надо овладеть, и уметь пользоваться, иначе контакты станут теми же топталками только за 4-5 тысяч рублей.

С теорией покончили (конечно это самые вершки, люди целые книги на эти темы написали), теперь практика и выводы.

Выводы

Хотите ехать быстрее, дольше и дальше — уменьшайте сопротивление и тренируйтесь!

Уменьшение сопротивления

Как уменьшить сопротивление? Самое очевидное, это правильная низкая посадка. Хотя, надо заметить, что такая посадка не вполне естественна для человека и к ней надо привыкнуть.

Один пример: при переходе из посадки с нижним хватом руля в посадку с верхним хватом руля на скорости около 50 км/ч сила сопротивления возрастает с 26 Н до 60 Н, т.е. больше чем в 2 раза! А это только малое перемещение тела по вертикали.

Немаловажную роль играет и специальная облегающая одежда.

Еще один способ борьбы с сопротивлением — это уменьшение трения качения, т.е. более тонкая и лысая резина (слики), накачанная как можно сильнее. И конечно вес, вес велосипеда, вес велосипедиста и т.д.

Физическая форма

Не менее (если не более) важное: только совершенствуя свое тело можно добиваться результатов. Никакие слики, контакты и супервелосипеды вам не помогут, если вы не в состоянии прикладывать долговременные усилия. Тренируйтесь! Тренируйтесь с умом и по специальным методикам. Всем очевидно, что хороший велосипедист-разрядник обгонит любого из нас на самом простом исправном велосипеде.

Техника езды

Тренируйте не только тело, но и технику (педалирования, преодоления подъемов, посадку). Что очень важно, стремитесь к каденсу на уровне 90-110 об/мин. Посчитайте ради интереса свой каденс на разных рельефах.

И когда на равнине достигнете каденса в 100 при передаче 44/11 и сможете держать его хотя бы 10-15 минут, тогда смело топайте на чейн за новыми передаточными числами, или даже за велосипедом с большими колесами.

Итоги

Итак, что же делать для увеличения скорости и пройденного расстояния? Рецепты просты. Привожу их в порядке убывания степени важности:

  • аэродинамическая посадка;
  • тренировка физической формы и техники езды;
  • контактные педали или туклипсы;
  • сликовые покрышки;
  • снижение веса.

Вот наверное и все. Удачи на поприще увеличения скорости и дистанции.

Литература:

  • В. Л. Уткин «Биомеханика физических упражнений».
  • Г. М. Мартынов, заслуженный тренер РСФСР «Эволюция конструкции велосипеда и техники педалирования».
  • В. П. Любовицкий «Анатомо-антропометрические аспекты посадки велогонщика».
  • Методические указания для студентов самостоятельно занимающихся велосипедным спортом. ЛГУ имени Жданова.

Источник: http://velotavr.org/node/1431

Физика велосипеда

Физика велосипедной езды: какие силы преодолевает велосипедист?

Двухколесный велосипед при движении не падает, потому что тот, кто на нём едет постоянно поддерживает равновесие. Площадь опоры велосипеда небольшая – это прямая, которая проведена через точки касания колёс велосипеда с землёй. Поэтому велосипед находится в состоянии динамического равновесия.

Достигается это при помощи подруливания: при наклоне велосипеда, человек поворачивает руль в ту же сторону. После этого велосипед поворачивает, при этом центробежная сила возвращает велосипед в начальное вертикальное положение. Процесс подруливания, чтобы удержать равновесие происходит непрерывно, поэтому движение велосипеда не прямолинейное. Если руль зафиксировать, то велосипед упадёт.

Существует зависимость скорости и центробежной силы. Чем выше скорость, тем большее значение у центробежной силы и соответственно меньше необходимо отклонять руль для поддержания равновесия.

Чтобы повернуть, необходимо наклонить велосипед в сторону так, чтобы сумма центробежной силы и силы тяжести проходила через линию опоры колёс. Если это не так, то центробежная сила опрокинет велосипед в другую сторону.

Для облегчения поддержания равновесия конструкция рулевого управления велосипеда имеет свои особенности. Ось рулевой колонки наклонена назад, а не расположена вертикально. Она проходит ниже оси вращения колеса и впереди точки, где колесо велосипеда касается земли.

Благодаря такому виду конструкции достигаются цели:

Прочитать дальше Моменты сил при движении велосипеда

Устойчивость велосипеда при торможении

Во время торможения при езде на велосипеде, главное сохранять равновесие. Торможение не менее важный момент, чем сама езда, а скорей всего самый важный, потому что от этого зависит здоровье велосипедиста. Если знать теорию поведения велосипеда в момент торможения можно намного уменьшить количество синяков и шишек (к сожалению без этого всё равно не обойтись).

С определением всё понятно. В энциклопедиях написано, что “тормозить – это замедлять движение с помощью тормоза”. Но ведь вся штука заключается в том, что обычно всех не очень интересует чем замедлять (хотя и об этом надо бы упомянуть), Обычно всех интересует, как замедлять движение (давишь на рычаг и всё), а не чем его замедлять в определённой конкретной ситуации на дороге.

Можно попытаться расписать много теоретических советов на все возможные ситуации на дороге, но всегда есть исключения из правил и рано или поздно велосипедист оказывается в той ситуации, когда рекомендаций не хватает. Самое главное, чтобы торможение при езде на велосипеде было доведено до автоматизма, ведь в экстренных случаях размышлять как сделать правильно и вспоминать теорию просто нет времени.

Принять правильное решение помогает интуиция, но также надо знать некоторые теоретические правила поведения велосипеда в момент торможения.

Прочитать дальше Устойчивость велосипеда при торможении

Накат велосипеда

Накат велосипеда зависит от различных факторов: характеристик рамы, амортизаторов, диаметра колеса, покрышек, давления в камерах, общего веса велосипеда и многих других. Накат нельзя измерить цифрами. Опытные велосипедисты могут его прочувствовать и оценить. Для любителей разница особенно видна, если они меняют например недорогой велосипед на более дорогой и высококачественный.

Рама. Есть выражение “накатистая рама”. Но, ощутить разницу между “ненакатистой” и “накатистой” рамой очень сложно, потому что явно заметные особенности характерны только очень дорогим моделям.

Рамы, изготовленные из дорогих материалов, имеют свойство поглощать толчки и вибрации. Более удлиненные конструкции рам помогают велосипедисту занять на велосипеде более аэродинамичную посадку, что позитивно влияет на накат.

Но, на обычном велосипеде накат от рамы зависит не так значительно, как от других компонентов.

Размер колёс. Один из главных определяющих факторов, влияющих на накат велосипеда. Колёса больших размеров на 28 или 29 дюймов проходят расстояние быстрее, чем 26 дюймовые, поэтому велосипед с ними более накатистый. Популярные сейчас найнеры, с 29 дюймовыми колёсами обладают этим качеством.

Протектор покрышки. Лучше всего катится гладкая узкая резина без протектора. Хуже всего широкая агрессивная покрышка с высоким рисунком протектора.

Прочитать дальше Накат велосипеда

Физические силы, действующие при езде на велосипеде

Так как классический велосипед имеет два колеса, то велосипедисту для того, чтобы он ехал, постоянно необходимо поддерживать равновесие и преодолевать различные силы, которые возникают в процессе движения.

То, что конструкция велосипеда несложная, это не значит, что всё так просто. Физические силы, действующие при езде на велосипеде основаны на фундаментальных законах науки.

Рассмотрим основные силы, которые действуют при езде на велосипеде.

1. Сила тяжести (гравитация). Гравитация – одно из четырёх фундаментальных явлений в природе. Объясняется законом Ньютона. Сила, с которой она действует, прямо пропорциональна массе тела велосипедиста.

Чем больше вес велосипедиста, тем сильней сила гравитации. Она действует на велосипедиста и компоненты велосипеда перпендикулярно к поверхности земли.

Сила её действия возрастает при подъёме на велосипеде в гору и соответственно уменьшается при спуске.

2. Сила сопротивления воздуха. Аэродинамические силы, действующие на велосипедиста в основном складываются из сопротивления воздуха и встречного или бокового ветра.

При средней скорости и движении по ровной поверхности аэродинамическое сопротивление является наибольшей силой, которая препятствует движению вперёд.

При дальнейшем увеличении скорости, аэродинамическое сопротивление становится подавляющим, и своей величиной намного превосходит все остальные силы, которые препятствуют движению вперёд.

Прочитать дальше Физические силы, действующие при езде на велосипеде

Аэродинамические тесты в велоспорте

Когда усовершенствование технических характеристик велосипеда достигло определённого предела и разницы в показателях отдельных компонентов различных производителей практически не стало, обратили внимание на сопротивление воздуха, которое велосипедист преодолевает при езде. Этот показатель имел внушительное цифровое значение, поэтому здесь было над чем поработать.

Как в самолётостроении и автомобильной промышленности для тестов, как встречный поток воздуха действует на велосипедиста используют аэродинамическую трубу.

Это дорогостоящее устройство помогает определить взаимодействие объекта (велосипедиста) с потоком вохдуха, а также определить действующую силу в численном значении.

Во время тестов определяется оптимальная посадка велосипедиста, а также коэффициент сопротивления встречному потоку воздуха отдельных частей велосипеда и экипировки спортсмена.

Конструкция аэродинамической трубы представляет собой комнату, с одной стороны которой установлены вентиляторы большой производительности, они и создают поток воздуха, имитирующий встречный ветер, скорость которого регулируется изменением мощьности электродвигателей, вращающих лопасти вентилятора

Прочитать дальше Аэродинамические тесты в велоспорте

Долговечность рамы велосипеда

В процессе эксплуатации велосипеда на раму действуют нагрузки, которые многократно повторяются. Эти циклические нагрузки возникают от неровностей дорожного полотна: ямы, кочки, выбоины в асфальте и др.

Когда в различных конструкциях начали использовать алюминиевые сплавы (особенно в авиации и космонавтике), то проведённые исследования показали, что однократная нагрузка не вызывает деформаций и разрушения материала, но определённое количество циклов нагрузок в материале конструкций вызывало деформацию, трещины и последующее за этим разрушение.

Это явление характеризуется термином “усталостное разрушение“. Количество циклов нагружения, которое приводит к разрушению назвали “усталостной долговечностью“.

Те же исследования показывали, что наличие трещин, вмятин, отверстий, сварных швов в наиболее нагруженных местах конструкции снижает долговечность самой конструкции на порядок. Такая тенденция называется “локальная концентрация напряжения“.

Даже небольшое отверстие в конструкции способствует увеличению напряжения рядом с собой как минимум в 2 раза, а царапина достаточной глубины в 5-6 раз.

Трещина повышает локальное напряжение до предела текучести и поэтому планомерно увеличивается с возрастающей скоростью.

Прочитать дальше Долговечность рамы велосипеда

Источник: https://velomasterclass.ru/fizika-velosipeda/

Физика движения электрических велосипедов

Физика велосипедной езды: какие силы преодолевает велосипедист?

Большинство покупателей волнует вопрос энергетической эффективности передвижения на электровелосипеде, поскольку каждому хочется научиться минимализировать энергозатраты на преодоление сопротивлению движения, сделав это с умом и минимальным расходом энергии аккумуляторных батарей, существенно увеличив таким образом пробег своего электробайка.

Как известно, велосипеды, скутеры и даже автомобили подчиняются одним и тем же законам физики. Не является исключением в этом списке и электровелосипед. Каждому из них необходима энергия для преодоления сопротивления качению колес, сопротивления ветра при движении, энергия для перемещения по дороге разного уровня уклонности, противодействуя при этом силе земного притяжения.

Для того, чтобы двигаться вперед, электровелосипеду приходиться преодолевать толщу воздушной массы, на что, соответственно тратится определенное количество энергии.

Сила сопротивления воздуха совершенно не зависит от веса транспортного средства, однако возрастает пропорционально квадрату увеличения его скорости.

Исходя из этого, при движении по дороге с незначительным перепадом высот со скоростью свыше 20 км/ч именно потоки воздуха являются главной противодействующей силой. При подъемах же вверх по склону скорость езды падает, и преобладающей силой сопротивления движению электровелосипеда становится гравитация.

Сила аэродинамического сопротивления напрямую зависит от скорости движения воздушного потока относительно системы электровелосипед-велосипедист, посадки ездока, условий в которых находится транспортное средство. Существует возможность снижения силы сопротивления воздуха за счет уменьшения площади фронтальной проекции и коэффициента лобового сопротивления.

Величина сопротивления качению зависит в основном от веса электровелосипеда и передвигаемого на нем велосипедиста, — с увеличением веса транспортного средства сопротивление дороги возрастает. Значительно влияет на эту величину также и состояние самой дороги.

Так, при движении по ровному асфальту будет потрачено значительно меньше энергии, чем скажем, при езде по неровному, мягкому грунту. В этом случае сопротивление качению будет довольно велико, поскольку наблюдается деформациz шин и грунта. При движении же по асфальтированной дороге сопротивление качению будет зависеть только от деформации шин.

При поездках электровелосипеда по прямой на низких скоростях, сопротивление качению является главной воздействующей на него силой.

Гравитация, или иными словами сила земного притяжения, безусловно также влияет на скорость передвижения электровелосипеда.

За законами физики уровень её действия прямо пропорционален массе тела велосипедиста и, соответственно, электровелосипеда, тоесть чем большим будет их суммарный вес, тем большей будет сила земного притяжения.

Воздействие силы гравитации на электрический велосипед возрастает при его подъемах вверх по склону, и уменьшается при спусках.

Попробуем же рассчитать выходную мощность, требуемую электровелосипеду для преодоления этих сил.

Сопротивление качению

· Frl — сила сопротивления качению, измеряемая в Ньютонах (Н);

· Prr — мощность, количество энергии, требуемое для преодоления силы сопротивления качению (измеряется в Ваттах, Вт);

· Crr — коэффициент сопротивления качению (как правило, составляет 0,004, но может быть и выше 0,008);

· G — сила ускорения свободного падения, равная 9,81 м/с2;

· W — суммарный вес электровелосипеда вместе с грузом;

· V — скорость передвижения (м/с)

Формулы

Frl = W х GX Crr

Prr = Frl х V

Пример

Общий вес электровелосипеда вместе с наездником составляет 90 кг, скорость же его движения по дороге равна 32 км/ч. Используя значение коэффициента сопротивления качению — 0,004 и показатель ускорения свободного падения (9,81 м/с2 ) рассчитываем мощность, необходимую электровелосипеду для преодоления силы сопротивления качению:

1км/ч = 1000 м / 3600 с = 10 / 36 м/с

V = 32 км/ч = 8,89 м/с

Frl = 90 х 9,81 х 0,004 = 3,53 Н

Prr = 8,89 х 3,53 = 31 Вт

Сила сопротивления воздуха

· Fw — сила сопротивления воздуха;

· Cw — коэффициент лобового сопротивления (обычно он равен 0,5);

· Pw — мощность, количество энергии, требуемое для преодоления силы сопротивления воздуха (Вт);

· Ро — плотность воздуха (зависит от температуры и барометрического давления; кг/ м3);

· V — скорость движения электровелосипеда относительно воздуха (м/с);

· S — площадь фронтальной проекции системы электровелосипед – велосипедист (типичное значение 0,5 м2)

Формулы

Fw = 1/2 Cw х S х Ро х V2

Pw = Fw х V

Пример

Электрический велосипед движется по дороге против ветра со скоростью 32 км/ч. Учитывая значения коэффициента лобового сопротивления – 0,5, площадь фронтальной проекции системы электровелосипед – велосипедист (0,5 м2 ) и плотность воздуха – 1,226 кг/ м3, рассчитываем, какая мощность необходима для преодоления силы сопротивления воздуха:

Fw = 1/2 х 0,5 х 0,5 х 1,226 х 8,89 х 8,89 = 12,11 Н

Pw = 12,11 х 8,89 = 108 Вт

Сила земного притяжение

· Fsl — сила земного притяжения, воздействующая на электровелосипед и всадника;

· Psl — мощность в ваттах, необходимая для преодоления силы тяжести;

· W — общий вес электровелосипеда и всадника (кг);

· V — скорость передвижения (м/с)

· G — сила ускорения свободного падения, равная 9,81 м/с2;

· Grad – градиент высоты (уклона) местности.

Формулы

Fsl = W x G x Grad

Psl = Fsl х V

Пример

Со скоростью 13 км/ч электрический велосипед, вес которого вместе с нагрузкой составляет 90 кг, поднимается вверх по холму с уклоном в 12%.

Рассчитываем мощность электродвигателя, которая необходима для преодоления силы земного притяжения:

Fsl = 90 x 9,81 x 0,12 = 105,95 Н

1км/ч = 1000 м/ 3600 с = 10 / 36 м/с

V = 13 км/ч = 3,61 м/с

Psl = 105,95 х 3,61 = 382 Вт

Выходная мощность, требуемая электрическому велосипеду для преодоления вышеуказанных физических сил, равна сумме мощностей, необходимых для противодействия каждой из них:

Общая мощность = Prr + Pw + Psl = 31 + 108 + 382 = 521 Вт

Хочу обратить ваше внимание на то, что вышеизложенные расчеты были проведены мной для того, чтобы читатели могли реально оценивать возможности электровелосипедов разной мощности при движении по дороге.

Знание подобных теоретических вопросов может подтолкнуть вас на изучение следующего вопроса – вопроса расчета характеристик электровелосипеда, необходимых для обоснованного выбора велосипедного мотор-колеса, контроллера и аккумуляторных батарей.

Анализируя информацию на просторах интернета, часто сталкиваюсь с довольно таки нереалистичными данными продуктивности работы электрического транспорта, отмечая для себя, что некоторые показатели его работоспособности с целью рекламы были явно завышены. Слаживается впечатление, что продавцам и производителям электротранспорта просто не знакомы элементарные законы физики.

Проведенные мной расчеты в значительной степени упрощены и исключают влияние ветра и некоторых других динамических сил.

Хотелось бы также отметить, что мощность, необходимая для приведения в движение транспортного средств, не зависит от источника питания, иными словами, передвигаясь на электровелосипеде не обязательно полагаться лишь на велосипедный двигателя, возможности электробайка дополнительно можно расширить путем педалирования, например, при подъемах на горку.

Источник: http://www.electra.com.ua/tekh-kharakteristiki/244-fizika-dvizheniya-elektricheskikh-velosipedov-1.html

Физические силы, действующие при езде на велосипеде

Физика велосипедной езды: какие силы преодолевает велосипедист?

Так как классический велосипед имеет два колеса, то велосипедисту для того, чтобы он ехал, постоянно необходимо поддерживать равновесие и преодолевать различные силы, которые возникают в процессе движения.

То, что конструкция велосипеда несложная, это не значит, что всё так просто. Физические силы, действующие при езде на велосипеде основаны на фундаментальных законах науки. Рассмотрим основные силы, которые действуют при езде на велосипеде.

статьи

Внешние силы

1. Сила тяжести (гравитация). Гравитация одно из четырёх фундаментальных явлений в природе. Объясняется законом Ньютона. Сила, с которой она действует, прямо пропорциональна массе тела велосипедиста.

Чем больше вес велосипедиста, тем сильней сила гравитации. Она действует на велосипедиста и компоненты велосипеда перпендикулярно к поверхности земли.

Сила её действия возрастает при подъёме на велосипеде в гору и соответственно уменьшается при спуске.

2. Сила сопротивления воздуха. Аэродинамические силы, действующие на велосипедиста в основном складываются из сопротивления воздуха и встречного или бокового ветра.

При средней скорости и движении по ровной поверхности аэродинамическое сопротивление является наибольшей силой, которая препятствует движению вперёд.

При дальнейшем увеличении скорости, аэродинамическое сопротивление становится подавляющим, и своей величиной намного превосходит все остальные силы, которые препятствуют движению вперёд.

3. Сила сопротивления качению. Сопротивление качению сила, которая возникает при движении круглого предмета, в данном случае колеса велосипеда по плоской поверхности со скоростью прямолинейного движения.

Возникает в основном при деформации колеса, деформации поверхности, по которой двигается колесо или деформации обоих. При езде на велосипеде эта сила возрастает при плохо накачанных колёсах или передвижении например по песку.

Также сила сопротивлению качения дополнительно зависит от таких факторов как радиус колеса, скорости движения и типа соприкасающихся поверхностей.

4. Силы, возникающие во время манёвров для балансировки велосипеда. Возникают при изменении направления движения велосипеда или при манипуляциях рулём, чтобы сбалансировать велосипед и удержать равновесие.

Определяется центробежной силой. В механике термин центробежная сила используется для объяснения двух понятий сила инерции и центростремительная сила. Это сложные процессы и разбирать их довольно долго.

Все они описаны в учебниках.

Внутренние силы

1. Крутящий момент это способность с помощью приложенной силы повернуть предмет вокруг своей оси, то есть колесо велосипеда. Сила создаётся ногами велосипедиста, а крутящий момент передаётся от педалей на колесо велосипеда при помощи цепной, карданной, ременной или другой передачи. Регулируется путём подбора передних и задних звёзд в различных вариантах.

2. Другие внутренние силы в основном вызваны трением между подвижными частями велосипеда и вариантами его устройства. Их величина зависит от вида подвески, трансмиссии, механизма рулевого управления и других элементов конструкции.

Также читать на эту тему:

Виды передачи крутящего момента на колесо велосипеда. На велосипеде для того, чтобы передать крутящий момент с цепи на втулку заднего колеса применяют три основные разновидности передачи: Кассетная передача. Фривильная передача. Передача фрикостер.

Переключение передач на велосипеде. Строгих правил нет, каждый выбирает свой вариант, иногда сильно отличающийся от общепринятого. С приобретением опыта езды у каждого велосипедиста вырабатываются свои приоритеты в выборе передач под себя. Для того, чтобы сохранить элементы трансмиссии и продлить срок

Переключатели скоростей велосипеда. Передний переключатель. Его работа состоит в том, чтобы перебрасывать цепь с одной звезды на другую. Параллелограммный механизм перемещает рамку, через которую проходит цепь. При переключении на другую скорость рамка перемещается и располагается над необходимой звездой

Накат велосипеда. Существует прямая связь между давлением в камерах и тем, насколько легко едет велосипед. Недостаточно накачанные колёса тормозят велосипед, и наоборот камеры, заполненные воздухом, не превышающим максимальное давление придают легкость движению

Цепь велосипеда. Изобретение более ста лет назад цепного привода стало одним из революционных шагов в развитии велосипеда. С помощью цепи, появилась возможность передавать усилие от педалей на заднее колесо велосипеда, что позволило уменьшить размер колёс до современных размеров

Сохрани, чтобы не потерять

zetwin 2012-07-12 2012-07-12 zetwin

Источник: https://variable.pp.ua/fizicheskie-sily-dejstvuyushhie-pri-ezde-na-velosipede/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть