Perché la bicicletta non cade durante la guida: i motivi principali

Alla fine del XIX secolo, quando le biciclette sono entrate in uso, bisognava ottenere una licenza per usarle. È stato costituito un comitato di tutto rispetto per insegnare la teoria e la pratica della guida e per rilasciare le targhe. A nessuno è stato permesso di consegnare il veicolo. Il motivo della prudenza è stato spiegato con l’aumento del rischio di guidare un veicolo a due ruote. Una persona comune non può capire perché una bicicletta non cada quando si muove. Sorprendentemente, anche i fisici che studiano il funzionamento dei sistemi su ruote non riescono a rispondere in modo univoco a questa semplice domanda.

L’analisi teorica e gli esperimenti di fisica hanno dimostrato che il momento giroscopico e la corsa positiva della forcella non sono sufficienti per la stabilità della bicicletta. Oltre allo sterzo controllato, esiste anche lo sterzo automatico. Inoltre, la distribuzione del carico svolge un ruolo fondamentale nel mantenimento dell’equilibrio. Come si può vedere, con la vita abbastanza lunga della moto, nuove qualità vengono ancora scoperte e perfezionate.

Perché la bicicletta non cade quando si pedala

Per spiegare la facilità del compito, si usa spesso una metafora: “è elementare come andare in bicicletta”. Infatti, bisogna evitare che i mezzi di trasporto cadano. All’inizio si pensava che la bicicletta viaggiasse a spese del ciclista. Una persona percepisce l’inclinazione della struttura, ruota leggermente il manubrio in direzione della caduta e livella la corsa. Ma ad alta velocità, la bicicletta acquista stabilità e non cade, anche quando il manubrio viene rilasciato. In seguito sono state formulate ipotesi sull’azione giroscopica della ruota anteriore e sullo sterzo. Ma si è scoperto che anche le biciclette non guidate e i ciclisti robot non cadono.

La domanda principale sulla causa della stabilità è: che cosa provoca il rapporto appropriato tra la curva e l’inclinazione? Esiste un’opinione generalmente accettata: l’effetto si verifica come conseguenza della coppia rotazionale (giroscopica) e dello sbalzo positivo della forcella. L’azione stabilizzatrice della ruota anteriore e la forza centrifuga causata dalla deviazione del movimento da un percorso rettilineo sono fattori necessari per l’equilibrio della bicicletta.

Dal punto di vista fisico

Gli scienziati hanno identificato il modello che mantiene stabili le due ruote. La forcella anteriore è al centro della scena. La disposizione prevede l’inclinazione dell’asse del manubrio rispetto al terreno. Il punto di intersezione si trova davanti alla linea di contatto della ruota della bicicletta con la strada. Se l’angolo della barra si discosta dal valore impostato, si genera una forza di reazione che riporta il trasportatore in posizione. In questo modo la bicicletta stessa aiuta a mantenere l’equilibrio.

Per effettuare una curva, il ciclista deve cambiare il baricentro. Ad esempio, quando la bicicletta è inclinata a destra, anche l’asse anteriore è inclinato a destra e la ruota, ruotando in senso orario (vista dal basso), trasferisce parzialmente la coppia reattiva all’unità di sterzo. La forza centrifuga tende a far ruotare il volante verso destra. Per effettuare la svolta, il ciclista si piega a sinistra, deviando la bicicletta e le ruote verso destra.

Il secondo fattore utilizzato per la stabilità del veicolo è l’aumento di velocità quando si rallenta e si sterza. L’azione stabilizzante riporta le ruote nella posizione corretta ed evita che la bicicletta cada. Un ciclista esperto usa le mani sui punti di fissaggio per sterzare di 2-3 mm sulla strada.

Effetto giroscopico

La teoria dell’equilibrio si basa su un fenomeno fisico ben noto, utilizzato nella navigazione spaziale, aerea e marittima. La proprietà di un oggetto rotante di mantenere la propria direzione di movimento è chiamata forza giroscopica. L’azione si manifesta quando si guida una bicicletta inclinata. Finché le ruote girano, il veicolo mantiene l’equilibrio e non cade mai. Ad esempio, l’elicottero di Yuletide o del bambino “funziona” solo quando gira. Per verificare l’ipotesi, i fisici hanno creato una bicicletta speciale. Nella parte anteriore fu installata una ruota supplementare che non toccava il suolo e ruotava in direzione opposta. Il risultato dell’esperimento ha sorpreso gli scienziati. La bicicletta si muoveva perfettamente e non cadeva senza giroscopio.

Così, dopo aver confermato i principali fattori che influenzano la stabilità di un veicolo a due ruote in movimento, gli scienziati stanno ancora discutendo nuove versioni.

Fatti interessanti

V.A. Yakubovich

1. La teoria matematica che spiega la stabilità di una bicicletta in movimento è stata proposta dal dottore in scienze V.A. Yakubovich. Lo scienziato ha spiegato perché non è mai stato creato un robot autonomo che controlla una bicicletta. Le informazioni sui ciclisti meccanici che circolano su Internet si sono rivelate un falso. Uno sguardo più attento al cibernetico ha rivelato una serie di trucchi. Gli inventori attaccarono dei pesi per aumentare la stabilità della struttura, abbassarono il centro di gravità e accelerarono la bicicletta a velocità elevate.

Gli oppositori dello scienziato dimostrano il contrario. Il robot impara molto rapidamente. Ciò è dovuto alla relativa semplicità dei suoi compiti: bisogna solo imparare a mantenere l’equilibrio. Ha una capacità che l’uomo non ha: reagisce all’istante e “muove” la ruota 5 volte al secondo.

2. Una bicicletta senza guidatore può sterzare automaticamente per evitare di cadere”, sostengono gli scienziati statunitensi. Grazie ai calcoli di stabilità linearizzati, i ricercatori hanno progettato una bicicletta con ruote supplementari che girano in direzione opposta e una posizione negativa del manubrio.
3. La visione degli psicologi è diversa da quella dei fisici. Le fonti di energia della bicicletta sono nella testa del pilota. Il cervello umano lavora duramente per evitare di cadere. È la mente subconscia che tiene in equilibrio il ciclista.

Conclusione

Le prove dimostrano l’importanza del giroscopio e della ruota dentata nel mantenere la bicicletta stabile durante la guida. Ma non c’è una spiegazione chiara del perché una bicicletta non cada quando si pedala. Potrebbe esserci una forza aggiuntiva, la cui comprensione è temporaneamente al di là delle conoscenze attuali.