Велосипед — один из самых демократичных и экологичных видов транспорта. И потому в том или ином качестве присутствует в культуре и инфраструктуре большей части населения нашей планеты. Благодаря трубчатой раме, паре колес, управляемой вилке, сиденью, педалям и цепному приводу, велосипед сохраняет свой минималистичный, но эффективный дизайн уже более века. Но есть один нюанс, который до сих пор не дает уснуть ученым и инженерам. Вопрос, собственно, очень простой: почему, скажите пожалуйста, эта конструкция настолько устойчива в процессе движения, что теоретически при выверенном соотношении веса и относительно ровной поверхности, однажды достигнув равновесия, велосипед может довольно долго ехать на двух колесах без седока и любых других стабилизирующих и балансирующих приспособлений?
«Денди-лошадь» немецкого изобретателя Карла фон Дреза увидела свет в 1817 году. Это была конструкция под официальным названием Laufmaschine, сильно смахивающая на сегодняшний самокат с рулем и современные детские «велики». С 1820 по 1890 появилось огромное количество самых различных вариантов нового транспорта, чтобы затем прийти к единственно верному решению — производству велосипедов с одинаковыми колесами и цепной передачей, заложившему фундамент для возникновения целой индустрии и соответсвующему рынку, стоящим в настоящее время около $50 миллиардов.
Мистическое равновесие
Интрига заманчивой и необъяснимой стабильности двухколесной конструкции занимала ученые и не очень умы буквально столетия. Рабочей гипотезой, предложенной Фрэнсисом Уипплом (1899) и немецкими математиками Феликсом Клейном и Фрицем Нётером (1910), на долгие годы ставшей основной, стало «гироскопическое движение». В соответствии с ней два колеса велосипеда сохраняли и долгое время сохраняли стабильность движения, работая как два гироскопа, сопротивляющихся физическим силам, пытающимся опрокинуть конструкцию. Отлично иллюстрирует работу всей этой истории аналогия с волчком из фильма «Начало» и его бесконечным значимым вращением
Не все так просто
Английский учёный Дэвид Джонс усомнился в правильности теории «гироскопического движения» только в 1970 году. Он тщательно изучил построенные ранее математические модели и обнаружил в них большое количество критических ошибок. Одной из самых вопиющих было изначальное построение моделей на конструкциях, находящихся в состоянии стационарного покоя. Потому что, как известно, неподвижный велосипед не может самостоятельно сбалансировать себя.
Джонс решил опровергнуть выводы теории самым что ни на есть эмпирическим путем. А именно провести серию экспериментов и тестов с установленными на конструкцию дополнительными вращающимися в противоположных направлениях колесами, призванными нейтрализовать предполагаемый гироскопический эффект. И большинство тестов показали, что модифицированный велосипед при движении накатом продолжает оставаться на редкость стабильным транспортным средством. Следовательно, теория «гироскопического движения» неверна или недостаточна.
Как тележка из супермаркета
Инженер Уильям Ренкин еще в 1860-х годах заметил такую закономерность: когда велосипед начинает падать, его переднее колесо поворачивается в сторону наклона всей конструкции и таким образом поддерживает ее стабильность, не давая «велику» тот час грохнуться на землю. Если же жестко закрепить вилку переднего колеса, то конструкция очень быстро заваливается в разные стороны.
На основе рассуждений механика Ранкина Джонс высказал предположение, что наблюдается так называемый «эффект наклона оси», свойственный обычным тележкам для покупок, которые можно увидеть в супермаркете. И так как точка соприкосновения оси рулевого управления с землей («траектория») смещена относительно точки контакта колеса, то оно самовыравнивается в сторону направления движения всей конструкции. Дэвид Джонс также отметил, что стандартный угол наклона вилки, равный 72° и используемый в большинстве велосипедов, способен стабильно воспроизвести этот эффект в большом масштабе и при значительной повторяемости.
Отрицательный трейл — это наше все
Во всяком случае, так казалось инженеру Джиму Пападопулосу и его коллеге Энди Руину. В 70-ых годах прошлого века они так же заинтересовались загадкой стабильности велосипеда и нашли предложенные ответы «бессистемными и не убедительными». Они решили создать единую математическую модель и сконструировали устойчиво двигающуюся двухколесную конструкцию с отрицательным трейлом. Поясним, что отрицательный трейл — это термин, объясняющий геометрический параметр рулевого управления, специфика которого заключается в том, что точка контакта переднего колеса с дорогой находится впереди точки пересечения оси рулевой колонки велосипеда (мотоцикла) с поверхностью. При такой конфигурации руль ведет себя как колесо у магазинной тележки, что дает высокую маневренность на низких скоростях. Однако такого рода конструкция требует специального и очень тщательного распределения веса. В противном случае эффект будет обратный, а стабильность движения будет утеряна. И эта особенность фактически сводила к нулю любую попытку коммерческого применения на практике достигнутых в теории вершин.
Роботы и велосипеды
В начале 2000 -ых голландские исследователи Энди Руин и Аарон Шваб из Делфтского технологического университета решили подойти к проблеме с современным размахом и построили несколько новых экспериментальных девайсов, которые должны были проверить на прочность все предыдущие теории. И самым заметным их достижением стала роботизированная велосипедная установка. Эта практическая модель-концепт сохраняла равновесие исключительно за счет рулевого управления, то есть без всякого участия велосипедиста, различного специального смещения веса или гироскопической стабилизации. По результатам экспериментов вышла работа, которая так и называлась: «Велосипеды могут обладать самостабилизируюшим эффектом без участия гироскопического эффекта или эффекта поворота колеса»
И тем не менее ответа пока нет
Как метко заметил Монт Хаббард из Калифорнийского университета в Дэвисе: «Все умеют ездить на велосипеде, но никто не знает, как мы на велосипедах ездим». И это, пожалуй, одна из самых емких и верно описывающих ситуацию определений. И действительно, несмотря на весь достигнутый прогресс, огромное количество компьютерных моделей и практических концептов ученым и исследователям так и не удалось достигнуть полного математического и физического понимания причин и свойств устойчивости велосипеда. И это, конечно, удивительный парадокс. Ведь в данном случае в тупик самые выдающиеся умы в физике и инженерии ставит не далекий космический мир или поведение невидимых глазу микрочастиц, но знакомое вдоль и поперек устройство, известное человечеству уже более двухсот лет.