Физика движения для велосипеда и мотоцикла не отличается. Казалось бы - умеешь ездить на велосипеде, не будет проблем и на мотоцикле, так почему же это не так? Ответ - разница в массе. Всё нижеизложенное я пытался постичь и пробовал на практике и раньше, когда учился ездить на велосипеде, однако на той же практике пришёл к тому, что на велосипедных скоростях (имею в виду обычный велосипед и обычную езду, а не спорт) и при 20-килограммовом велосипеде половина этой теории становится необязательной для применения - местами можно просто "продавить" силой всю эту физику и навязать ей и велосипеду свою волю, поймать и сохранить баланс только за счёт своих органов чувств, равновесия и мускулов. Со 140-килограммовым мотоциклом такое не "прокатит" - этот конь так лягнёт копытом, что слетишь с него и костей не соберёшь, а то ещё и станешь паштетом на асфальте дороги, приготовленным параллельно движущимся четырёхколёсным транспортом.
N.B. Блог-канал практически личный, переношу сюда и систематизирую свои записи в бумажных тетрадях и блокнотах для себя. Если каким-то образом будут читатели - учитывайте, что я не физик - записываю и рисую так, как понял из своей практики и теории из разных источников. В любом случае точные формулировки, схемы и формулы на асфальте тоже не написаны, равно как измерять углы и моменты сил вычислять во время езды не приходится. Считаю, важнее понимать принципы, а всё остальное по-любому на ощущениях.
Стоя на месте мотоцикл неустойчив и тяжёл. Легко удержать его за одну ручку руля в любом положении, как велосипед, и тем более поднять из горизонтального положения в вертикальное - не получится. Нужно удерживать его вертикальном положении не силой, а путём сохранения баланса как стоя рядом с ним, так и сидя на нём, на месте и в движении. В неподвижном состоянии мот находится в относительном равновесии – требует минимальных усилий для сохранения вертикального положения – только в выпрямленном в продольной плоскости вертикальном положении, около точки равновесия (когда центр массы мотоцикла над линией опоры колёс о землю).
Даже при небольшом наклоне или повороте руля (в последнем случае повышается и подвижность в поперечном направлении из-за ориентации колеса) центр массы смещается от опоры и равновесие теряется - тяжело удержать мот в вертикальном положении.
Вывод: в большинстве случаев стоять, начинать движение и останавливаться нужно при выровненном мотоцикле.
В движении по прямой устойчивость повышается, в основном за счёт подруливания: как только центр массы смещается от линии опоры колёс в ту или иную сторону от неё, руль должен повернуться в эту же сторону для того, чтобы повернуть и направить переднее колесо и всю линию опоры под уходящий центр массы и восстановить баланс. Подобно тому, как если удерживать на открытой ладони стоящий вертикально стержень, при начале его заваливания в любую сторону нужно сделать движение в эту сторону и восстановить равновесие.
Но направление движения мотоцикла в целом не меняется потому, что при этом микроповороте сразу возникает центробежная сила, которая отклоняет весь мотоцикл в противоположную повороту сторону и центр массы смещается уже в противоположную сторону от линии опоры – всё повторяется на другой стороне. Так мотоцикл балансирует при движении прямо, микропокачиваясь из стороны в стороны и микровиляя передним колесом.
Подруливание и в целом стабилизация мотоцикла в движении по прямой обеспечивается несколькими синергично действующими факторами (в порядке возрастания их значимости):
- Непроизвольное подруливание-корректировка руками райдера за счёт органов равновесия вегетативной нервной системы.
- Гироскопический эффект вращающихся колёс – вращающееся колесо сопротивляется изменению ориентации в пространстве своей оси – через неподвижно закреплённую в раме ось заднего колеса (подвеска почти без степеней свободы в поперечной плоскости) стабилизирует за раму весь мотоцикл, а на переднем, рулевом колесе, способствуя подруливанию им за счёт возникающих моментов сил при изменении ориентации оси.
- Специальное конструктивное несовпадение точки опоры переднего колеса (пятна контакта) и проекции оси рулевой колонки – т.н. «trail», вследствие чего сила реакции опоры при наклоне мотоцикла вбок получает плечо и момент силы повернуть вилку с колесом в сторону наклона, опять же обеспечивая самоподруливание по вышеописанной схеме.
Чем больше трейл, тем больше способность мотоцикла к самостабилизации при движении по прямой, но тем меньше чувствительность к произвольному управлению рулём и больше радиус поворота. У большинства мотоциклов трейл является компромиссной величиной.
Вывод: в движении нужно не мешать мотоциклу ехать по прямой, руки на руле должны быть расслаблены, а держаться за мотоцикл нужно ногами.
Чем выше скорость, тем устойчивее мотоцикл при движении прямо, а для поворотов скорость нужно снижать.
Повернуть на движущемся мотоцикле можно только наклонив его в сторону поворота – смещением центра массы от опоры, чтобы возникшим моментом силы тяжести, от которого стоящий или едущий без подруливания по прямой мотоцикл завалился бы набок в сторону наклона, компенсировать опрокидывающий и стремящийся выбросить в противоположную сторону момент возникающих при повороте центробежных сил.
Если вообще не наклонять мотоцикл, а только поворачивать рулём на приличной скорости (да и на любой), центробежные силы автоматически наклонят его в противоположную повороту руля сторону со всем последствиями этого - либо падение в сторону наклона, либо позволить мотоциклу самостабилизироваться, повернув и поехав в сторону наклона, т.е. противоположную первоначальному повороту руля сторону (на этом и основано контрруление, о котором в конце).
Вывод: без наклона в сторону поворота нет поворота. Куда наклоняется мотоцикл, туда он и едет (не только в поворотах, но и просто для смещения, например, от одного края проезжей части к другому). Поворот руля в сторону поворота должен следовать только за наклоном в эту сторону всего мотоцикла.
Гироскопический эффект на переднем колесе и трейл помогают входить в поворот, т.к. благодаря им наклон мотоцикла в сторону поворота автоматически вызывает и поворот переднего колеса / руля в эту же сторону, задача райдера при этом – сохранить нужный наклон и поворот руля до завершения поворота. Больших усилий это не требует, опять же – нужно не мешать мотоциклу ехать, а задавать, придерживать и корректировать нужную траекторию, которую определяет наклон мотоцикла и поворот руля.
Для поворотов при обычной езде будет справедливо следующее:
чем выше скорость при повороте, тем сильнее должен быть наклон мотоцикла и меньше поворот руля (чем выше скорость, тем больше центробежные силы, которые нужно компенсировать наклоном и не увеличивать поворотом руля), и наоборот – чем ниже скорость, тем меньше можно наклонять мотоцикл и больше поворачивать руль;
чем больше наклон мотоцикла и поворот руля – тем меньше радиус поворота;
если тормозить и тем более останавливаться в повороте, есть риск завалиться на бок (т.к. центробежные силы, поддерживающие наклоненный мотоцикл в движении по окружности, ослабевают при снижении скорости, а наклон остаётся); а если ускоряться - увеличится радиус поворота или вообще выкинет с него (т.к. усилившиеся центробежные силы будут поднимать мотоцикл из наклона, а без наклона нет и поворота). Поэтому повороты лучше проходить на постоянной, сниженной скорости или увеличивать её на выходе из поворота.
Свешивание и контрсвешивание. Как уже говорилось, без наклона в сторону поворота нет и самого поворота - создание момента силы тяжести смещением центра тяжести от опоры в сторону поворота необходимо для уравновешивания возникающего момента центробежных сил. Однако согласно всё тем же физическим законам при этом снижается давление на опору (или, точнее - уменьшается угол приложения равнодействующей центробежных сил и сил тяжести к опоре, от которого оно и зависит), т.е. снижается сцепления колёс с дорогой. А центробежные силы действуют не только на центр массы, а на все точки тела, и при снижении давления на опоре могут просто "выбить" колёса из-под мотоцикла.
В случае бегущего человека или едущего без райдера мотоцикла, т.е. когда они по отдельности, с этим ничего не поделаешь и нужен просто компромисс всех действующих сил при заданной скорости и массе, из которого получится допустимый наклон и возможный радиус поворота при этом наклоне.
Но когда человек на мотоцикле / велосипеде - это уже две взаимоподвижные системы и можно смещением корпуса влиять как на наклон мотоцикла при смещении общего центра тяжести от опоры, так и на положение самого общего центра тяжести и давление в точке опоры по сравнению с тем, как если бы райдер был неподвижным продолжением подседельного штыря в продольной плоскости (образное и очень понятное определение из велосипедной жизни, но физика для мотоцикла и велосипеда не отличается, так что пойдёт). Конечно, при относительно небольших скоростях и большом радиусе поворота можно и побыть продолжением подседельного штыря, но для серьёзного маневрирования это не подходит.
Теперь непосредственно об этих противоположных казалось бы приёмах - контрсвешивании и свешивании. Тем не менее физический смысл у них один - смещение центра тяжести от опоры в сторону поворота для уравновешивания центробежных сил, при сохранении достаточного сцепления колёс с дорогой.
Контрсвешивание. Чтобы при значительном наклоне мотоцикла не терять сцепление с дорогой и равновесие, нужно не наклоняться вместе с мотоциклом, а наклонять мотоцикл в сторону поворота, самому в седле оставаясь как можно вертикальнее (т.е. название не совсем отражает суть).
При этом меньше общий наклон и ниже центр тяжести – лучше устойчивость, равновесие и сцепление с дорогой в повороте, по сравнению со стилем "подседельный штырь" при том же наклоне мотоцикла. На низких скоростях это хороший способ поворачивать при ограниченном радиусе и не падать.
Свешивание. На высоких (и иногда средних) скоростях, где мотоцикл нужно наклонять в поворот ещё сильнее, а его возможная величина наклона ограничена из-за упомянутого ухудшения сцепления с дорогой в т.ч. из-за частичного выключения из работы подвески, одна из функций которой как раз сохранять постоянный контакт колёс с дорогой, существует и обратный контрсвешиванию приём – свешивание. В этом случае для смещения центра тяжести и компенсации центробежных сил нужно именно свешиваться корпусом в сторону поворота, тем самым уменьшая наклон самого мотоцикла (который при этом всё равно наклонен, естественно, т.к. без наклона нет поворота) и давая подвеске возможность отрабатывать лучше.
Этот приём сложнее, требует тренировки, оправдан при больших скоростях, а его применение в обычной езде ограничено. По сравнению с контрсвешиванием, если бы я нарисовал нормальные схемы, было бы видно, что моменты сил и их равнодействующая (следствие которой я называю давлением на опоре) практически не отличаются - разница только в меньшем наклоне мотоцикла и, соответственно, более полноценной работе подвески при свешивании.
Контрруление – это значит упреждающе чуть поворачивать руль налево, чтобы повернуть направо, и наоборот. Не является обязательным для поворота на скоростях до 20 км/ч, так как оно призвано только для обеспечения наклона мотоцикла в сторону поворота, а на низких скоростях его можно наклонять и без этого. В то время как на высоких скоростях - когда мотоцикл не хочет просто так наклоняться и поворачивать, это полностью оправдано.
Из Википедии (с правками, которые я сделал чтобы более-менее подогнать описание под картинку из другого источника):
Контрруление — высокоэффективный приём управления двухколёсным (одноколейным) транспортом, заключающийся в том, что для инициирования поворота в каком-либо направлении необходим кратковременный поворот руля в противоположном направлении («рулить налево, чтобы повернуть направо»). Кратковременный поворот руля инициирует наклон транспортного средства в сторону, противоположную повороту руля, что позволяет скомпенсировать действие центробежных сил и осуществить поворот. Контрруление состоит из нескольких фаз: В первой и второй фазе, при движении по прямой, в точке вхождения в поворот выполняется кратковременное, плавное движение рулём мотоцикла в сторону, противоположную предстоящему повороту, что даёт увод следа мотоцикла в сторону от стабильной точки опоры системы «гонщик-мотоцикл». В третьей и четвёртой фазе это создаёт опрокидывающий момент в сторону поворота, мотоцикл начинает «падать» в поворот. Колесо и руль отчасти самостоятельно, отчасти произвольно приводятся в постоянное для намеченной траектории положение (поворачиваются в сторону движения) так и настолько, чтобы обеспечить компенсацию только что образовавшегося момента силы тяжести центробежной силой, сформировавшейся из-за движения теперь уже по концентрической траектории. В точке выхода из поворота для восстановления вертикального положения (подъёма мотоцикла из наклона) тем же методом — контрруление осуществляется в обратную сторону.