Un curs tehnic necesită abilități bune de viraj. Dar, conform fizicii, cât de departe poți să-ți înclini bicicleta înainte de a lovi puntea?
Oamenii de știință s-au nedumerit cu privire la ceea ce face o balanță de bicicletă încă din vremurile bătrânilor penny farthing. Mulți experți au sugerat că acele cercuri care se rotesc fac bicicleta să se comporte ca un giroscop, dar nu este atât de simplu. Un grup de ingineri de la Universitatea Nottingham a identificat 25 de variabile separate care afectează mișcarea unei biciclete, citând că „O explicație simplă nu pare posibilă, deoarece înclinarea și virajul sunt cuplate de o combinație de efecte, inclusiv precesia giroscopică, forțele laterale de reacție la sol. la roata din față, punctul de contact cu solul care se află în spatele axei de direcție, reacții gravitaționale și inerțiale…'
Ceea ce se știe este că atâta timp cât o bicicletă se mișcă cu o viteză de aproximativ 14 km/h (9 mph), poate rămâne verticală fără prezența unui călăreț. Dar din nou, oamenii de știință nu pot explica de ce.
În acest fundal, introduceți dimensiunea suplimentară a unei curbe și calcularea unghiului pe care îl puteți înclina în viraj înainte de a lovi asf altul este în mod clar o chestiune complexă. În condițiile potrivite, este posibil să vedem unghiuri de 45°, dar cum ajungem în acel punct?
„Știm că există trei forțe reale care acționează asupra bicicletei și a călărețului”, spune Rhett Allain, ciclist pasionat și profesor asociat de fizică la Universitatea Southeastern Louisiana din SUA.
‘Există forța gravitațională care împinge bicicleta și călărețul în jos; există drumul care împinge în sus, pe care îl numim forță „normală”, și există o forță de frecare care împinge bicicleta spre centrul traseului circular în care se deplasează.’
Forța falsă
Există și forță centrifugă.„Acest lucru are un impact, dar este o forță falsă”, spune Allain. Mulți fizicieni susțin că forța centrifugă nu există și este pur și simplu o lipsă de forță centripetă – o forță de tragere spre interior care asigură că bicicleta se mișcă într-un cerc similar cu gravitația care trage spre interior pe un satelit pentru a-l menține pe orbită.
Se calculează prin ecuația F=mv2/r, unde F este forța centripetă (Newtoni), m este masa bicicletei și a ciclistului (kg), v este viteza (m/s) și r este raza colțului în metri.
„Fizica unei viraj este că o faci accelerând radial spre interior, ceea ce se reduce la forța centripetă”, spune David Wilson, profesor emerit de inginerie la Massachusetts Institute of Technology.
‘Forța trebuie să vină din anvelope. Bicicleta trebuie să se încline astfel încât combinația dintre reacția anvelopei și forța radială să fie în concordanță cu forța rezultată a bicicletei plus călărețului.’
De asemenea, cheia pentru cât de departe te poți înclina este coeficientul de frecare, care este raportul dintre forța de frecare dintre două corpuri și forța aplicată asupra acestora – în acest caz anvelopa și asf altul.
Majoritatea materialelor uscate au valori de frecare între 0,3 și 0,6, în timp ce cauciucul în contact cu asf altul poate produce o cifră între unu și doi. Când suprafețele se mișcă una față de ceal altă – conform ciclului – această cifră scade ușor.
Pentru ca bicicleta să rămână în poziție verticală, forța laterală (centripetă) trebuie să fie egală cu coeficientul de frecare, iar această cifră poate fi surprinzător de mare. De exemplu, un călăreț de 70 kg pe o bicicletă de 10 kg care depășește viteza cu 20 mph în jurul unei curbe cu o rază de 20 m experimentează o forță centripetă de 316 Newtoni.
Această forță trebuie să fie generată de anvelope, iar dacă forța nu ar exista, bicicleta și pilotul ar continua pur și simplu în linie dreaptă.
Folosind niște calcule trigonometrice impresionante care ar umple o carte întreagă, coeficientul de frecare este egal cu funcția tangentă a unghiului de înclinare maxim.
„Roata va aluneca atunci când coeficientul de frecare este depășit”, spune Marco Arkesteijn, lector în știința sportului la Universitatea Aberystwyth. „Acest lucru se poate datora creșterii forței de frecare [din cauza strângerii liniei printr-un colț, de exemplu] sau scăderii forței normale [din cauza, de exemplu, unei depresiuni a drumului].”
Coeficientul de frecare se poate modifica și din cauza unei modificări a suprafeței. De aceea virajul pe o linie albă poate fi periculos. „Acest lucru este valabil mai ales pe umed”, spune Arkesteijn. „Vopseaua este mai puțin poroasă, astfel încât apa să nu se împrăștie.”
Greutatea călărețului
Pentru a complica lucrurile și mai mult este problema greutății călărețului. „Din punct de vedere fizic, băieții mai mici ar trebui să fie capabili să se încline mai mult”, spune Arkesteijn. „De obicei sunt, de asemenea, mai agili, ceea ce ajută.”
Allain nu este chiar la fel de clar, ceea ce sugerează că, deși greutatea pilotului contează „puțin”, de o importanță mai mare este centrul de masă al ciclistului-plus-biciclete.
„În cele din urmă, acesta este cel mai important factor”, spune el. Călăreții mai grei tind să fie mai înalți, în special în pelotonul profesionist, ceea ce înseamnă că dimensiunile lor sunt mai mari și centrul lor de masă este mai mare. De asemenea, trebuie să luați în considerare condițiile drumului. Dacă vă aflați la limită, o denivelare pe drum poate duce la pierderea tracțiunii și la cădere.
Drumurile din Marea Britanie sunt uneori mai aderențe decât cele ale verilor noștri din Europa continentală, deoarece sunt mai poroase pentru a absorbi ploaia și pentru a preveni o suprafață alunecoasă. De aceea drumurile noastre sunt mai aspre. Dar sunt adesea mai accidentate și în stare mai proastă din cauza daunelor cauzate de îngheț, de aceea mersul cu bicicleta și conducerea în Franța este o bucurie absolută când este uscat.
După toate acestea, care este unghiul maxim de înclinare? Pentru profesorul de mecanică și inginerie Jim Papadopoulos, la asta nu se poate răspunde până când nu introduci un ultim factor – traseul.
Aceasta este o linie imaginară care este proiectată în jos pe tubul de direcție până la sol. Dacă acest punct se află în fața punctului de contact al roții cu solul, este considerat „pozitiv” și este mai stabil. În spate, iar bicicleta este mai probabil să se răstoarne. Pista se reduce cu cât te înclini mai mult.
‘Bicicliștii tind să rămână în regiunea de traseu pozitivă și să nu depășească 45° de înclinare’, spune el. „De obicei este mai puțin, deși atunci când virajul este mai mare de 5 m rază, puteți ajunge la 45°. Asta pentru că traseul devine mai puțin o problemă – apoi revenim la problema tracțiunii.’
Așadar, 45° este posibil pe o viraj rapidă, largă și bine suprafață, dar cu atâtea variabile în joc, nu există, din păcate, un răspuns definitiv. Cât de departe te poți înclina este un caz de încercare și de eroare (sper că nu prea dureroasă).
