Acto de equilibrio: ¿Por qué las bicicletas no se caen?

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Acto de equilibrio: ¿Por qué las bicicletas no se caen?
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Anonim

Hasta ahora, la ciencia no puede dar una respuesta definitiva. Pero se está acercando…

Andar en bicicleta. Es como andar en bicicleta, ¿verdad? Bueno, no si eres el profesor de la Universidad de Cornell, Andy Ruina.

Él, junto con los coautores Jim Papadopoulos, Arend Schwab, Jodi Kooijman y Jaap Meijaard, ha escrito un artículo titulado A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Castor Effects que sugiere que las condiciones de estabilidad citadas anteriormente no explican suficientemente, y ni siquiera son necesarios, el fenómeno de la bicicleta autoestable.

‘Es algo notable que la gente pueda mantenerse en una bicicleta. Pero una de las cosas más sorprendentes de las bicicletas es que pueden equilibrarse solas”, dice Ruina.

Dando el ejemplo de la famosa escena en la película Jour de Fête de Jacques Tati de 1949, donde el torpe cartero François persigue a su corcel desbocado mientras serpentea sin jinete por un camino rural, Ruina y sus colegas científicos se dedicaron a explorar la sabiduría convencional de que dos condiciones necesarias para que una bicicleta se mantuviera erguida eran el par giroscópico de las ruedas girando o la trayectoria de la rueda delantera.

‘Solo puedes mantener una bicicleta en posición vertical cuando se está moviendo’, dice Ruina. “Lo que es bien sabido es que la dirección te da equilibrio. Podemos mostrar esto si bloqueamos la dirección en una bicicleta sin conductor, la empujamos y luego la soltamos. La bicicleta se caerá rápidamente de la misma manera que se cae cuando está parada”.

Ruina compara el efecto con el equilibrio de una escoba en la mano. A medida que la escoba vertical comienza a inclinarse hacia la izquierda, el balanceador también mueve su mano hacia la izquierda, trayendo la parte inferior de la escoba debajo de la parte superior que cae, recuperando así el equilibrio. Pero sacando al ciclista de la ecuación, ¿por qué sucede esto con una bicicleta?

‘La gente piensa naturalmente que si algo gira rápido se vuelve rígido debido al efecto giroscópico, así que cuando lo giras, quiere girar hacia el otro lado. Esa es una explicación común. La otra es que una bicicleta se comporta como una rueda en un carrito de la compra.

Punto de contacto

La gente supone que el punto real de contacto con el suelo de la rueda delantera está delante del eje de dirección debido al ángulo de dirección y la inclinación de la horquilla. Pero en realidad la rueda hace contacto con el suelo justo detrás de este eje.’

El resultado es que, como una rueda que puede moverse 360° alrededor de un eje vertical (imagina que tu juego de dirección es el cojinete de la rueda y tu buje es su eje), tu rueda delantera "sigue" tu manillar. Entonces, como un carrito de compras, empuje su bicicleta hacia adelante y la rueda delantera necesariamente se mete y se arrastra detrás de la dirección del viaje.

Sin embargo, los cálculos de los investigadores demostraron que ni el efecto giroscópico ni el de ricino son realmente responsables de la propensión de una bicicleta a conducir y autoestabilizarse.

Para probar esto, Ruina y su equipo construyeron lo que ellos llaman el 'Two Mass Skate' (TMS). Pareciendo algo así como un scooter plegable, el TMS tiene las mismas propiedades que una bicicleta: dos ruedas y una sección delantera y trasera de masa conectadas por una bisagra (es decir, el juego de dirección), pero está hecho de tal manera que no es propenso a efectos giroscópicos o de ricino.

Para lograr esto, dos ruedas pequeñas entran en contacto con el suelo, cada una con una rueda en contacto y, por lo tanto, que gira en sentido contrario de igual masa en la parte superior, lo que cancela cualquier efecto giroscópico con movimiento opuesto (las ruedas del TMS funcionan más como patines). Y el punto de contacto de la rueda delantera se encuentra por delante del eje de dirección, no por detrás como con una rueda.

Cuando se empuja y se suelta, esta "bicicleta" sin ruedas y sin senderos se mantiene erguida, e incluso se corrige a sí misma cuando recibe un golpe lateral.

Por lo tanto, esto demuestra que algo más, además de los efectos giroscópicos o de ricino, debe ser responsable de la tendencia de una bicicleta a autoestabilizarse girando sobre sí misma. Para explicar esto, los investigadores postulan que la distribución de masa, particularmente en el conjunto de dirección, es clave.

Volviendo al ejemplo de la escoba, Ruina sugiere: 'El TMS tiene una masa que está por delante del eje de dirección, así como una masa en el marco. Cuando se cae la parte delantera de una bicicleta, cae más rápido, como si balancearas un lápiz en tu mano, caerá más rápido que una escoba.

Entonces, la masa delantera cae más rápido que la trasera, pero están conectadas entre sí por el eje de dirección. Por lo tanto, en un intento de caer más rápido, la parte delantera provoca la dirección y vuelve a poner la bicicleta debajo de sí misma.'

Ruina señala que esto todavía no resuelve la cuestión de la estabilidad de una bicicleta, sobre todo en lo que respecta a una bicicleta sin ciclista. Pero lo que sí hace es generar nuevas preguntas sobre cómo nos mantenemos erguidos en una bicicleta, lo que algún día podría dar lugar a cambios fundamentales en el diseño.

Como lo expresaron los investigadores: "Estos resultados sugieren que el proceso evolutivo que ha llevado a los diseños de bicicletas actuales comunes podría no haber explorado aún regiones potencialmente útiles en el espacio de diseño". Así que ahí.

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