Tiede ei vielä pysty antamaan lopullista vastausta. Mutta se lähestyy…
Pyöräilyä. Se on kuin pyörällä ajamista, eikö? Ei, jos olet Cornellin yliopiston professori Andy Ruina.
Hän yhdessä kirjoittajien Jim Papadopoulosin, Arend Schwabin, Jodi Kooijmanin ja Jaap Meijaardin kanssa on kirjoittanut artikkelin Polkupyörä voi olla itsevakaa ilman gyroskooppia tai pyöränefektejä, jossa ehdotetaan, että aiemmin mainitut vakauden olosuhteet eivät Selitä riittävästi – eivätkä ole edes välttämättömiä – itsestään vakaan pyörän ilmiötä.
’On merkillistä, että ihmiset pystyvät ylipäätään pysymään polkupyörän selässä. Mutta yksi upeimmista asioista pyörissä on se, että ne pystyvät tasapainottamaan itsensä, Ruina sanoo.
Ana esimerkkinä Jacques Tatin vuoden 1949 Jour de Fête -elokuvan kuuluisa kohtaus, jossa pomppiva postimies François jahtaa karannutta ratsuaan sen kierteleessä ratsastajana maatiellä. Ruina ja hänen tiedetoverinsa ryhtyvät tutkimaan tavanomaista viisautta. kaksi välttämätöntä ehtoa pyörän pystyssä pysymiselle olivat joko pyörien pyörien gyroskooppinen vääntömomentti tai etupyörän kääntöjälki.
’Pyörän voi pitää pystyssä vain sen liikkuessa, Ruina sanoo. – Se, mikä on hyvin tunnettua, on, että ohjaus antaa sinulle tasapainon. Voimme näyttää tämän, jos lukitsemme ajamattoman pyörän ohjauksen, työnnämme sitä eteenpäin ja annamme sen sitten mennä. Pyörä kaatuu nopeasti samalla tavalla kuin se kaatuu paikallaan.’
Ruina vertaa vaikutusta luudan tasapainottamiseen kädellä. Kun pystyharja alkaa kallistua vasemmalle, tasapainottaja siirtää kättään myös vasemmalle tuoden harjan pohjan takaisin putoavan yläosan alle, jolloin tasapaino palautuu. Mutta kun ratsastaja poistetaan yhtälöstä, miksi näin tapahtuu pyörän kanssa?
’Ihmiset luonnollisesti ajattelevat, että jos jokin pyörii nopeasti, se jäykistyy gyroskooppisen vaikutuksen vuoksi, joten kun sitä käännät, se haluaa kääntyä toisin päin. Se on yksi yleinen selitys. Toinen on se, että pyörä käyttäytyy kuin pyörä ostoskärryssä.
Yhteyspiste
Ihmiset olettavat, että etupyörän todellinen maakosketuspiste on ohjausakselin edessä pään kulman ja haarukan kallistuksen vuoksi. Mutta itse asiassa pyörä koskettaa lattiaa juuri tämän akselin takana.’
Tuloksena on, että kuten pyörä, joka voi liikkua 360° pystyakselin ympäri (kuvittele, että kuulokemikrofonisi on pyörän laakeri ja napa on sen akseli), etupyöräsi "seuraa" ohjaustankoasi. Joten työnnä pyörääsi kuten ostoskärryä eteenpäin ja etupyörä väistämättä työntyy sisään ja kulkee kulkusuunnan takana.
Tutkijoiden laskelmat osoittivat kuitenkin, että gyroskooppinen tai pyöräilyvaikutus ei itse asiassa ole vastuussa pyörän taipumuksesta ohjata ja vakauttaa itseään.
Tämän todistamiseksi Ruina ja hänen tiiminsä rakensivat "Two Mass Skate" (TMS) -luistimen. Ylös taitettav alta skootterilta näyttävällä TMS:llä on samat ominaisuudet kuin pyörällä – kaksi pyörää sekä etu- ja takaosa, jotka on yhdistetty saranalla (eli kuulokemikrofonilla) – mutta se on valmistettu siten, että se ei ole altis gyroskooppisille tai pyörän vaikutuksille.
Tämän saavuttamiseksi kaksi pientä pyörää koskettaa maata, kummankin päällä on samanpainoinen koskettava ja siten vastakkain pyörivä pyörä, joka kumoaa kaiken gyroskooppisen vaikutuksen vastakkaisella liikkeellä (TMS:n pyörät toimivat enemmän kuin luistimet). Ja etupyörän kosketuspiste on ohjausakselin edessä, ei takana, kuten pyörässä.
Kun sitä työnnetään eteenpäin ja vapautetaan, tämä pyörätön, perävaunuton "pyörä" pysyy pystyssä ja jopa korjaa itsensä, kun se kolahtaa sivulta.
Tämä todistaa siis, että jonkin muun kuin gyroskooppisen tai pyörän vaikutuksen on oltava vastuussa pyörän taipumuksesta stabiloitua itsestään ohjaamalla itsensä alla. Tämän selittämiseksi tutkijat väittävät, että massan jakautuminen, erityisesti ohjauskokoonpanossa, on avainasemassa.
Palatakseen luudan esimerkkiin, Ruina ehdottaa: 'TMS:n massa on ohjausakselin etupuolella sekä massa rungossa. Kun pyörän etuosa putoaa, se putoaa nopeammin, aivan kuin jos tasapainottaisit kynän kädessäsi, se putoaa nopeammin kuin luuta.
Joten etumassa putoaa nopeammin kuin takamassa, mutta ne ovat yhteydessä toisiinsa ohjausakselilla. Siten yritettäessä pudota nopeammin etupää aiheuttaa ohjauksen ja tuo pyörän takaisin itsensä alle.’
Ruina huomauttaa, että tämä ei vieläkään ratkaise kysymystä pyörän vakaudesta, ei vähiten ajajattoman pyörän os alta. Mutta se herättää uusia kysymyksiä siitä, kuinka pysymme pystyssä pyörällä, mikä saattaa jonakin päivänä johtaa perustavanlaatuisiin suunnittelumuutoksiin.
Kuten tutkijat sanoivat: "Nämä tulokset viittaavat siihen, että evoluutioprosessi, joka on johtanut yleisiin nykyisiin polkupyörien suunnitteluun, ei ehkä ole vielä tutkinut mahdollisesti hyödyllisiä alueita suunnittelutilassa." Joten siinä.
