Секреты Равновесия

22.03.2013 10:42:08

Секреты Равновесия

© Tony Foale 1986 – 1997

Перевод Олег Репницкий

Давайте вернемся к самым основам и ещё раз взглянем на механику стабилизации и управления, применимо к одноколейным транспортным средствам (другими словами - мотоциклам)

РАВНОВЕСИЕ.

Как любой одноколейный транспорт мотоцикл нестабилен в статическом положении, т.е. - падает, будучи оставленным без движения и дополнительной опоры.

Однако двигаясь уже с минимальной скоростью, даже неискушенный райдер обнаруживает, что машина становиться способна удерживать равновесие сама. Мы рассмотрим два случая, при малой и относительно большой скорости. Конечно, всегда найдется парень, который сможет удерживать в балансе и неподвижный байк, но большинству из нас для этого потребуется минимальное движение. Однако на таких малых скоростях нам придется размахивать рулем от упора до упора, чтоб удерживать систему. И любой триальщик знает, что это делать значительно легче стоя на подножках. Давайте разберем почему. Рис 1 показывает проекции сзади и снизу системы мотоцикл и мотоциклист. Если Центр Тяжести всей системы (Ц.Т.) находиться точно над линией соединяющей пятна контакта передней и задней шин, то система уравновешена. Но это очень шаткое положение, любое стороннее вмешательство вроде дуновения ветра легко провоцирует опрокидывание, т.е. центр тяжести уходит в сторону.

Этого можно избежать одним из двух способов или их комбинацией. Один это передвинуть ось между пятнами контакта под новый Ц.Т.. Если мотоцикл неподвижен, этого можно добиться просто поворачивая руль. Но в движении мы с легкостью поворачиваем весь мотоцикл, так, чтоб ось между пятнами контакта колес была там, где нам это нужно, поэтому и держать равновесие в движении намного легче.

Другой способ удержания равновесия на малом ходу это смещение

центра тяжести системы мотоцикл-мотоциклист так, чтоб она всё-время находилась над линией соединяющей точки опоры мотоцикла — пятна контакта шин. Так спортсмены мото-триала смещают свое тело из стороны в сторону стоя на подножках. Высокий Ц.Т. тела спортсмена позволяет с большим эффектом влиять на систему и свободней управлять Ц.Т.. Таким образом, удержание равновесия на низкой скорости зависит от ловкости и умения байкера. Вдобавок, некоторые характеристики байка также могут повлиять на его стабильность, вот главные:

  1. Низкий Ц.Т.
  2. Больший вынос вилки смещает опору сильнее, при тотм-же движении руля.
  3. Малый угол вилки уменьшает заваливание переднего колеса при повороте, что также положительно влияет на стабильность.

Механика стабилизации на большой скорости устроена сложнее, зато в значительно меньшей степени зависит от навыков пилота. Чтоб лучше её понять будет полезным взглянуть на некоторые свойства гироскопов, которыми собственно и являются вращающиеся колеса мотоцикла.


Вращающееся колесо имеет стабильную ось вращения, т.е. стремиться удерживать заданную плоскость вращения. Другими словами, в то время как колесо с легкостью перемещается вдоль плоскости вращения, оно противостоит наклону в любой другой плоскости. И что более важно, при повороте, оно создает мощный крутящий момент под углом в 90град к направлению изначального воздействия. Этот эффект прямо зависит от скорости вращения колеса, и известен как гироскопическая прецессия. Когда Вы это дочитаете, я думаю, Вы снимите переднее колесо с велосипеда вашего младшего брата, и затем, следуя инструкциям, получите опытную демонстрацию прецессионных сил, которые жизненно важны для стабилизации и управления любым мотоциклом. В первую очередь возьмите колесо прямо перед собой как на Рис 2, попросите вашего брата (ведь он не будет в это время кататься на велосипеде, правда?) раскрутить колесо так, чтоб оно крутилось «вперед» от Вас. Затем, если Вы попробуете наклонить ось за которую держите колесо ВЛЕВО (аналог наклона мотоцикла влево) колесо моментально сделает поворот ВЛЕВО, как если бы было повернуто невидимой рукой. Другими словами, ваша попытка наклонить колесо вокруг его продольной оси производит дополнительный момент вращения вокруг его вертикальной оси. Теперь попробуйте ещё раз, только на этот раз поверните колесо ВЛЕВО вокруг его вертикальной оси, при этом оно с пропорциональным усилием завалиться ВПРАВО. Попробуйте оба эти действия ещё раз, при разных скоростях вращения колеса, и разных скоростях наклона его по осям, и вы убедитесь в том, что силы прецессии зависят строго от этих факторов. Особенно отметьте направления в которые работают эти силы, т.к. это важно для понимания процесса стабилизации. Теперь давайте разберем, как эти силы удерживают машину в равновесии на прямом участке пути, без участия водителя. Предположим, мотоцикл, двигаясь бесконтрольно по прямой на средней скорости, начинает заваливаться влево под каким-то внешним воздействием. Как мы только что наблюдали, гироскопическая прецессия переднего колеса тут же повернет переднее колесо влево. Это изменит траекторию транспортного средства по кривой влево, что создаст центробежную силу (вправо), которая компенсирует наклон и направит машину к вертикальному положению, прецессионные силы тут же будут работать в обратном направлении — стремиться вернуть руль в положение «прямо». На практике, то что мы называем движением по прямой, есть ни что иное, как серия корректирующих волнообразных движений. Если мы посмотрим на след, который оставляют наши колеса, то увидим, что след переднего колеса постоянно пересекает след заднего. В объяснении выше, я описывал воздействие только на переднее колесо, но силы прецессии также действуют и на заднее. Но задним колесом значительно тяжелее управлять независимо, так как тут весь байк должен завалиться, а не просто колесо и вилка, как в случае с передним колесом. Следовательно, только небольшой вклад вносит заднее колесо в процесс удержания равновесия машины. Мы рассмотрели случай только равновесия на прямой, но в поворотах добавляется ещё ряд сил участвующих в процессе равновесия в новых условиях.

Управление (Повороты)

Чтоб разобрать это, мы можем разделить процесс на две фазы:

  1. Инициация поворота
  2. Собственно поворот.

Начнем со второй части, как с более понятной. Невозможность на мотоцикле проходить поворот в вертикальном его положении объясняется тем, что центробежные силы, возникающие в процессе, опрокинут его наружу поворота. Следовательно, мы заваливаем его внутрь на такой угол, который позволяет уравновесить центробежную силу и стремление мотоцикла упасть внутрь поворота. См. Рис. 3

Равновесие достигается, когда угол наклона уравнивает две разнонаправленные силы, одна это центробежная сила направленная наружу (относительно поворота), другая это сила тяжести направленная вниз. Угол, который зависит от радиуса поворота и скорости движения мотоцикла, таков, при котором сумма векторов двух сил проходит через точку опоры мотоцикла — линию соединяющую пятна контакта передней и задней шин. Это уравновешенное положение при неизменном радиусе поворота. Но как происходит инициация поворота? Что делать с начала — наклонять или поворачивать? Давайте разберем, что происходит в каждом из случаев. Если мы повернем руль в направлении, в котором мы собираемся поворачивать, то и центробежная сила и прецессия будут отклонять мотоцикл наружу, что неизбежно приведет к вылету. Но, если мы одномоментно попробуем повернуть руль в противоположном направлении, (называемое контр рулением) тогда эти две силы объединяться чтоб «завалить» мотоцикл в нужном нам направлении. Сила тяжести будет стремиться наклонить мотоцикл глубже, а это заставит гироскопические силы поворачивать переднее колесо в сторону поворота, что сбалансирует все силы описанные выше и будет удерживать байк на заданной траектории. Вы скажете, это всё замечательно, но если это единственный способ поворачивать, как же нам удается управлять мотоциклом без рук. Да, это возможно, но с рядом дополнительных трудностей. Точный контроль или же поворот с малым радиусом на практике очень сложно осуществить без воздействия на ручки руля. Попробуйте! Давайте представим ситуацию с поворотом «без рук». Как мы наблюдали ранее, только лишь наклон байка приводит к повороту переднего колеса в сторону поворота благодаря прецессии. Но как нам заставить байк наклониться, где найти точку опоры? У нас нет никакой неподвижной опоры, и поэтому единственный способ инициировать наклон (не прибегая к помощи руления), это оттолкнуть машину, используя инерцию своего тела. На практике это обозначает, что чтобы наклонить мотоцикл направо, мы должны отклонить наше тело налево. И теперь мы имеем два способа инициировать поворот, и интересно отметить, что в обоих случаях (наклон и поворот руля в противоположную сторону) наши фактические действия противоположны тому, что нам изначально кажется естественным, но в процессе обучения мы адаптируемся и необходимые действия быстро становятся для нас естественными и автоматическими. И пока эти отзеркаленные действия у нас четко не зафиксируются в голове, мы испытываем трудности с управлением, пока рефлекс контр-рулить и контр-наклоняться не станет для нас естественным и неотъемлемым. Как только удалось переключить рефлексы на эти обратные действия, они становятся для нас инстинктивными и остаются с нами на всю жизнь, и даже садясь на мотоцикл после длительного перерыва не испытываем никакого дискомфорта и нет необходимости обратно учиться держать равновесие и управлять им. Так какой же из этих двух способов инициировать поворот мы обычно используем на практике? Оба, подсознательно мы используем оба способа. И нажимая на внутреннюю грипсу (ручку руля) часть усилия толкает её вперед (контр-руление) а часть вниз (укладывание мотоцикла). Но не следует забывать, что на практике усилие прилагаемое при контр-рулении очень мало, поскольку силы гироскопической прецессии зависят в первую очередь от скорости поворота руля, нежели от расстояния на которое он повернут. Если Вы до сих пор сомневаетесь, что поворачивать руль надо в противоположную повороту сторону, попробуйте при следующем катании дернуть ручку руля быстро в сторону и посмотрите что будет. Только оставьте больше места, если вы сомневаетесь в том, что сможете быстро восстановить контроль. Сделайте это примерно на 50км/ч, и я не несу ответственности за последствия в случае вашего падения. Соотношение, с которым мы применяем эти два способа зависят как от личных предпочтений и стиля езды, так и от скорости и характеристик машины. Так, тяжелый байк с легкими колесами на малой скорости требует совершенно другой техники нежели облегченный с тяжелыми колесами двигающийся быстро и следовательно ощущения от езды будут совершенно разными. Но человек адаптируется быстро, и скоро правильная техника становиться для него природной, естественной. Вам может показаться странным, что мы совсем не упоминали такие важные параметры, как геометрия вилки, размер колес и шин, колесная база, жесткость рамы и т.п. Причина этому в том, что удерживать равновесие и поворачивать можно одинаково в широком диапазоне этих параметров. Не то, чтоб эти факторы были не важны. Сейчас мы рассмотрим ближе один из параметров геометрии вилки, это ВЫНОС. Рассмотрите рис.4, где показаны основы геометрии мотоцикла.

ВЫНОС.

Как считается, первостепенная его функция это создание определенной стабилизирующей силы при движении по прямой, которая дополняет гироскопический эффект описанный выше. Но есть у него и другие свойства, которые жизненно важны при управлении мотоциклом.

Рис.4 показывает что точка контакта и переднего и заднего колеса с дорогой, находятся сзади точки пересечения оси вращения вилки и земли. Это вызывает стабилизирующий эффект и на переднем и на заднем колесе, аналогично колесику тележки из супермаркета. Это расстояние и называется выносом. Механику возникновения этого стабилизирующего эффекта можно понять по рис.5.

Если положения колеса становиться отличным от прямолинейного, т.е. оно становиться под углом к направлению движения (это называется углом увода), возникает сила возвращающая его к прямолинейному положению. Поскольку пятно контакта находиться сзади оси поворота вилки (положительный вынос) сила воздействует на рычаг (примерной равный выносу) и создает корректирующий момент к повернутому колесу. То есть, если возникают какие то отклонения руля, скажем, из-за неровностей дороги, то положительный вынос автоматически противодействует этому и создает соответствующий стабилизирующий эффект. Но, как было показано ранее, мы не можем рассматривать никакие эффекты управления изолированно, гироскопические силы тоже должны быть учтены. В данном случае достаточно сказать, что вынос и гироскопическая прецессия работают за одно в непростом деле стабилизации мотоцикла. Хотя с первого взгляда кое-что ещё остается без должного внимания, поскольку у заднего колеса вынос значительно больше нежели у переднего, в данном случае оно даже становиться более важным.

Представьте, что пятно контакта каждого колеса при повороте смещается на одинаковую величину (скажем на сантиметр). Переднее колесо при этом будет повернуто примерно на 7-10 град (в зависимости от длинны выноса) при этом угол увода переднего колеса будет аналогичный, это создает силу, которой достаточно преодолеть незначительную инерции переднего колеса и вилки чтоб вернуть их в прямолинейное положение. Но угол увода смещенного заднего колеса будет значительно меньше (около 0.5 град) и соответственно будет меньше выравнивающая сила, но ей так же придется противодействовать инерции мотоцикла и райдера,

следовательно реакция будет значительно медленней нежели в случае с передним колесом. Отсюда следует, что чрезмерное увеличение выноса с целью повышения стабильности имеет отношение к закону убывающей отдачи. Ещё следует подчеркнуть, что возмущения, возникающие на заднем колесе из-за смещения пятна контакта, имеют значительно меньшее влияние на поведение машины в целом, чем от переднего, вследствие того, что воздействуют под намного меньшим углом. И ко всему, кроме того, что большой вынос заднего колеса не дает ему возможности интенсивно восстанавливать свое положение, а следовательно и стабилизирующий эффект от него так же незначительный, а следовательно им можно пренебречь. Как было замечено выше, есть другие параметры зависящие от выноса кроме курсовой устойчивости, давайте рассмотрим некоторые ещё более важные.

ПОДРУЛИВАЮЩИЙ ЭФФЕКТ

Если наклонить неподвижную машину в одну сторону и покрутить рулем из стороны в сторону, передняя часть будет заметно подниматься и опускаться в зависимости от положения руля. В движении, вес мотоцикла и водителя приходящийся на вилку передается на опору через пятно контакта шины. Эта сила стремиться развернуть переднее колесо так, чтоб вилка была в нижнем её положении (т.е. с минимальной потенциальной энергией). Для заданного выноса, угол поворота рулевого колеса зависит от угла вилки и диаметра переднего колеса. Именно поэтому изменение только диаметра переднего колеса, так сказывается на управляемости. И пока вынос у нашего мотоцикла положительный, а другим он и не может быть, мы ощущаем этот эффект в повороте. Так величина выноса переднего колеса влияет на усилие которое приходиться прикладывать райдеру (обратная связь на руле) чтоб точно удерживать нужный угол для данного поворота и скорости байка. На одной технике кажется, что нужно докладывать его в поворот дополнительно, на другой — что нужно перекладывать свой вес в противоположную сторону. Эти реакции байка также сильно зависят от выбранного типа шин, но это уже тема отдельной статьи.

КУРСОВАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ.

Как мы все знаем, что даже при прямолинейном движении по мокрому и скользкому покрытию руль ощущается более легким, нежели на сухом. Это происходит, как мы описывали выше, из-за того, что наша прямая вовсе и не прямая, а серия корректирующих равновесие кривых, с постоянно двигающимися из стороны в сторону рулем.

Также мы наблюдали малые смещения руля вызванные корректирующим моментом возникающих углов увода. Кроме самого угла увода, на силу этого корректирующего момента также влияют характеристики выбранных шин, коэф. сцепления покрытия и величина выноса. На менее цепких покрытиях корректирующие силы меньше, таким образом через руль мы получаем информацию (в зависимости от выноса) о сцепных свойствах покрытия. Так байк с маленьким выносом может давать ощущения скользкого покрытия на мокром и вызывать излишнее опасения, и напротив, длинный вынос, в тех же условиях может даль ложное чувство безопасности, и результатом может стать излишняя неосмотрительность с предсказуемым итогом.

Олег Репницкий

статьи по теме