Efeitos giroscópicos têm quase nada a ver com a sua capacidade de andar de bicicleta

2023 Autor: Darleen Leonard | [email protected]. Última modificação: 2023-05-26 18:28

Hoje descobri que os efeitos giroscópicos não têm quase nada a ver com a sua capacidade de andar de bicicleta.

O problema com as forças geradas pelo efeito giroscópico em uma bicicleta típica é que elas simplesmente não são muito poderosas quando se considera a física envolvida em ter a maior parte do centro de massa da bicicleta no topo (com você sobre ela). Você está basicamente formando um pêndulo invertido, que é muito mais difícil de balancear do que o contrário.

Para ilustrar quanta força é necessária aqui, faça com que uma pessoa suba em uma bicicleta completamente imóvel. Agora, tente segurar a bicicleta e a pessoa centrada simplesmente segurando em torno do eixo de um dos pneus. Para comparar essa força com a quantidade gerada pelos efeitos giroscópicos, pegue um pneu de bicicleta com os pinos nas laterais e pendure-os. Agora faça alguém girar o pneu muito rápido; Uma vez que está girando, tente inclinar o pneu de um jeito ou de outro.

Neste último caso, você sentirá os efeitos giroscópicos, mas poderá fazê-lo com alguma facilidade, pois a força que você sentirá aqui provavelmente será de apenas alguns quilos ou 5-10 libras (embora possa parecer mais com seus braços estendidos e diretamente na frente de você). No caso anterior, com a pessoa sentada na bicicleta, a menos que ela fosse extremamente leve ou você fosse Hércules, imagino que você não poderia nem chegar perto de mantê-los equilibrados, especialmente se seus braços estiverem totalmente estendidos.

Se isso não o convenceu, vamos analisar a matemática (um exemplo feito pelo Dr. Hugh Hunt, da Universidade de Cambridge):

Ao rodar bastante rápido a 12 mph (cerca de 6 m / s), uma roda de bicicleta típica (diâmetro de 600 mm, circunferência de 2 m) gira 3 vezes por segundo, o que é uma taxa de W = 20 radianos por segundo.

Sua massa periférica, em torno m = 1 kg, concentra-se no aro, ou seja, num raio de r = 300 mm. O momento da inércia J é portanto J = Sr² = 0,1 kg m² (perto o suficiente).

Suponha que eu esteja caindo e tento usar o efeito giroscópico para me ajudar a me erguer novamente. Considere algumas oscilações bem frenéticas do guidão para frente e para trás sinusoidalmente a uma taxa de, digamos, f_{lidar com}= 1,6 oscilações por segundo (equivalente a uma frequência angular de oscilação W _{lidar com}= 2 p f_{lidar com} = 10 radianos por segundo) e em uma amplitude de, digamos, +/- 6 graus M_{lidar com}= 6/180 * p = 0,1 radiano).

O movimento oscilante é, portanto, T_{lidar com} = M_{lidar com}pecado(W_{lidar com} t), e diferenciar isso dá uma velocidade de oscilação Q = W_{lidar com.}M _{lidar com} = 10 * 0,1 = 1 rad / s. Esta é a taxa de precessão forçada da roda dianteira atuando como um giroscópio. No seu auge, o casal necessário para alcançar este movimento de precessão, devido a efeitos giroscópicos, é M = J W Q = 0,1 * 20 * 1 = 2 N m A bicicleta e eu pesamos, digamos, 100 kg = 1000 N, então o efeito giroscópico só vai me ajudar se eu não inclinar mais de 2 mm de estar perfeitamente na posição vertical (1000 N * 0,002 m = 2 N m).

Assim, o efeito giroscópico em uma bicicleta, mesmo a 12 mph, é praticamente nada em termos do que seria necessário para mantê-lo em pé. Então, como você não está caindo a cada dois segundos em sua bicicleta?

Parcialmente isso se deve simplesmente à sua capacidade de equilibrar. No entanto, você provavelmente percebeu que é difícil manter o equilíbrio em uma bicicleta quando está parado. Quando você começa a ir muito devagar, percebe que faz naturalmente grandes correções de direção para manter-se equilibrado. Isso, na verdade, é a principal coisa que está realmente mantendo você em pé em uma bicicleta a qualquer velocidade, ou seja, direção corretiva. Quando você sente um desequilíbrio em uma direção, isso faz com que você guie a bicicleta naquela direção para compensar, a força centrípeta resultante acaba equilibrando você de volta, assumindo que seu ajuste foi a quantidade adequada de curva dada a sua velocidade e outros fatores. Se você acabou de virar, então você terá que fazer outra correção para compensar o desequilíbrio criado a partir do seu excesso de correção. Quanto mais rápido você for, menor será a correção necessária para mantê-lo equilibrado.

No início, esses movimentos corretivos tendem a ser relativamente grandes e, muitas vezes, com a supercompensação, porque o seu corpo ainda está aprendendo a andar de bicicleta. É por isso que você tende a ser um pouco vacilante e estraga muito quando está aprendendo pela primeira vez. Com o tempo, essas correções ficarão cada vez menores e mais precisas até você não notar que as está fazendo, enquanto você anda de bicicleta acima de velocidades super lentas (obviamente, você ainda as notará quando não estiver andando na sua bicicleta e semelhante, como indicado acima).

Fatos do bônus:

Muitas pessoas pensam que, se você pegasse dois pneus e os girasse em direções opostas, teria o mesmo efeito giroscópico como se estivesse girando na mesma direção. De fato, o que acontecerá é que, se as rodas girarem em direções opostas, as duas se cancelariam mutuamente, em termos de efeito giroscópico. Este fato tem sido usado para demonstrar às pessoas que elas podem andar de bicicleta sem problemas, sem o efeito giroscópico, montando rodas extras levantadas levemente do chão, que giram os pneus reais.
Quanto mais para a frente o centro de massa da bicicleta + pessoa que anda na bicicleta, menos movimento da roda dianteira será necessário para manter o equilíbrio. Isto é provavelmente mais perceptível em certos ciclos de motor personalizados, onde a roda da frente fica bem para fora da moto.
Outro fator menos conhecido na habilidade de andar de bicicleta é algo chamado "trilha". Simplificando, isso é uma medida de quanto a distância do ponto da roda dianteira toca as trilhas do solo no ponto de contato do eixo de direção, que é onde todo o mecanismo de direção (garfo, guidão, roda dianteira, etc.) gira. Uma trilha mais longa fará a bicicleta parecer muito mais estável que uma mais curta. No entanto, se a trilha for muito longa, a bicicleta parecerá difícil de dirigir. Bicicletas com muito pouca trilha, ou mesmo trilha negativa, parecerão intrinsecamente instáveis; no entanto, devido à direção corretiva, você ainda pode montá-los. Devido à questão da direção com o aumento da trilha, as mountain bikes e as bicicletas de passeio normalmente têm muito menos rastro do que as bicicletas de rua. No caso de mountain bikes, isso permite mais “agilidade” na bicicleta para ajudar a compensar o terreno acidentado. No caso das bicicletas de turismo, isso ajuda a compensar o fato de que você provavelmente vai levar consigo uma grande quantidade de bagagem e, portanto, peso extra baixo no chão. É por isso que as bicicletas de turismo muitas vezes se sentem instáveis se você não tem essa bagagem adicionada e baixa no chão.
Embora as forças giroscópicas e de trilha não sejam suficientes para mantê-lo equilibrado em uma bicicleta, elas normalmente são suficientes para manter uma bicicleta sem condutor em linha reta até que desacelere até certo ponto, que varia de bicicleta para bicicleta com base no tamanho da roda e na trilha.
Algo chamado "gyrobike" está atualmente em desenvolvimento para ajudar as pessoas a aprenderem a andar de bicicleta. Esta bicicleta tem um volante interno que proporciona um aumento significativo no efeito giroscópico. Os inventores desta moto esperam então que se possa desenvolver um efeito giroscópico suficiente para manter a moto equilibrada, mesmo com um ciclista, embora não seja uma bicicleta muito pesada em termos de peso e coisas do género.
Outro lugar onde você verá esse fenômeno subconsciente de "autocorreção" é quando você está tentando ficar em um lugar com um pé. Ao fazer isso, você precisa se equilibrar com cuidado para não cair. Assim que você começa a pular, a maioria das pessoas tem pouca dificuldade em se manter equilibrada. Isso porque, quando você pula, você não apenas gera naturalmente movimentos corretivos, mas também terá seu pé em torno de onde ele precisa estar para se manter equilibrado.