Противодействие - Countersteering

О технике с аналогичным названием, используемой в автомобилях, см. Контррулевание (автомобиль).

Противодействие используется одноколейный автомобиль операторы, такие как велосипедисты и мотоциклисты, чтобы начать поворот в заданном направлении, на мгновение повернувшись против желаемого направления («повернуть налево, чтобы повернуть направо»). Чтобы успешно пройти поворот, комбинированный центр массы райдера и одноколейного средство передвижения сначала должен быть наклонен в направлении поворота, а короткое рулевое управление в противоположном направлении вызывает этот наклон.^[1] Действия всадника по противодействию рулевому управлению иногда называют «подачей команды рулевого управления».^[2][3]:15

В научной литературе нет четкого и исчерпывающего определения противодействия. Фактически, «правильное различие между крутящим моментом и углом поворота ... не всегда проводится».^[4]

Гипотетическая кривая на сухом асфальте

Как это устроено

Фотомонтаж, показывающий различные этапы противодействия. Здесь скутер встречает поворот налево.

При противодействии повороту налево выполняется следующее:^[5][6]

• На руль справа прилагается крутящий момент.
• Затем переднее колесо будет вращаться вокруг оси поворота вправо, и шина будет создавать силы в пятне контакта справа.
• Машина в целом поворачивает вправо
• Поскольку силы в пятне контакта находятся на уровне земли, это выталкивает колеса «из-под» мотоцикла вправо и заставляет его наклоняться влево.
• Наездник или, в большинстве случаев, присущая байку устойчивость, обеспечивает крутящий момент рулевого управления, необходимый для поворота переднего колеса влево в направлении желаемого поворота.
• Велосипед начинает поворот налево.

Хотя это кажется сложной последовательностью движений, ее выполняет каждый ребенок, который едет на велосипеде. Вся последовательность действий остается практически незамеченной для большинства гонщиков, поэтому некоторые утверждают, что они этого не делают.^[6]

Также важно отличать крутящий момент рулевого управления, необходимый для инициирования наклона, необходимого для данного поворота, от постоянного крутящего момента рулевого управления и угла поворота, необходимых для поддержания постоянного радиуса и угла наклона до тех пор, пока не придет время выхода из поворота.

• Начальный крутящий момент и угол поворота противоположны желаемому направлению поворота.
• Постоянный угол поворота совпадает с направлением поворота.
• Постоянный крутящий момент рулевого управления, необходимый для поддержания этого угла поворота, совпадает с поворотом или противоположно ему.^[7] направление зависит от скорости движения, геометрии велосипеда и комбинированного распределения массы велосипеда и райдера.

Нужно наклониться, чтобы повернуться

Велосипед может преодолевать поворот только при комбинированном центр массы велосипеда и гонщик наклоняется внутрь поворота под углом, соответствующим скорости и радиусу поворота:

${\displaystyle \theta =\arctan \left({\frac {v^{2}}{gr}}\right)}$

куда ${\displaystyle v}$ скорость движения вперед, ${\displaystyle r}$ - радиус разворота и ${\displaystyle g}$ это ускорение сила тяжести.^[8]

Более высокие скорости и крутые повороты требуют больших углов крена. Если сначала груз не наклоняется в поворот, инерция всадника и велосипеда заставят их двигаться по прямой линии, поскольку шины будут выходить из-под них по кривой. Переход от езды по прямой к преодолению поворота - это процесс наклона мотоцикла в поворот, и наиболее практичный способ вызвать этот наклон (объединенного центра масс велосипеда и гонщика) - это переместить точки опоры. сначала в обратном направлении.^[9]

Стабильный постный

Графики, показывающие реакцию на крен и угол поворота для неконтролируемой упрощенной модели типичного велосипеда, движущегося со скоростью вперед на своем стабильный диапазон (в данном случае 6 м / с) до положительного крутящего момента рулевого управления (справа), который начинается как импульс, а затем остается постоянным. Это вызывает начальный угол поворота вправо, наклон влево и, в конечном итоге, устойчивый наклон влево, угол поворота влево и, следовательно, поворот влево.

По мере приближения к желаемому углу переднее колесо обычно должно быть повернуто в поворот, чтобы сохранить этот угол, иначе байк будет продолжать наклоняться под действием силы тяжести, увеличивая скорость, пока сторона не коснется земли. Этот процесс часто требует небольших физических усилий или вообще не требует их, потому что геометрия рулевой системы большинства мотоциклов спроектирован таким образом, что переднее колесо имеет сильную тенденцию поворачиваться в сторону наклона.

Фактический крутящий момент, который гонщик должен приложить к рулю для поддержания устойчивого поворота, является сложной функцией геометрии велосипеда, распределения массы, положения водителя, свойств шин, радиуса поворота и скорости движения. На низких скоростях крутящий момент рулевого управления, необходимый водителю, обычно отрицательный, то есть противоположный направлению поворота, даже если угол поворота рулевого колеса находится в направлении поворота. На более высоких скоростях направление необходимого входного крутящего момента часто становится положительным, то есть в том же направлении, что и поворот.^[7][10]

На малых скоростях

На низких скоростях также необходимо противодействие, но оно становится настолько тонким, что скрывается за счет постоянных корректировок, которые вносятся при балансировке мотоцикла, часто опускающихся ниже просто заметная разница или порог восприятия всадника. Противодействие рулевому управлению на низкой скорости может быть дополнительно скрыто за счет значительно большего угла поворота, возможного в направлении поворота.^{[нужна цитата ]}

Гироскопические эффекты

Один из эффектов поворота переднего колеса - это крен момент вызванный гироскопическим прецессия. Величина этого момента пропорциональна величине момент инерции переднего колеса, его скорость вращения (поступательное движение), скорость, с которой гонщик поворачивает переднее колесо, прикладывая крутящий момент к рулю, и косинус угла между осью поворота и вертикалью.^[10]

Для образца мотоцикла, движущегося со скоростью 22 м / с (50 миль в час), у которого есть переднее колесо с моментом инерции 0,6 кгм²при повороте переднего колеса на градус за полсекунды создается крутящий момент 3,5 Нм. Для сравнения, поперечная сила, действующая на переднюю шину, когда она выезжает из-под мотоцикла, достигает максимум 50 Н. Это, действуя на высоту центра масс 0,6 м (2 фута), создает момент крена 30 Нм. .^[10]

Хотя момент от гироскопических сил составляет всего 12% от этого, он может играть значительную роль, потому что он начинает действовать, как только гонщик применяет крутящий момент, вместо того, чтобы нарастать медленнее, когда колесо выходит из колеи. Это может быть особенно полезно в гонки на мотоциклах.^[10]

Мотоциклы

Преднамеренное противодействие необходимо для безопасная езда на мотоцикле, и, как следствие, обычно является частью курсов по безопасному катанию, проводимых такими организациями, как Фонд безопасности мотоциклов, то Совет Безопасности Канады, или австралийские провайдеры Q-Ride. Преднамеренное противодействие мотоциклу - гораздо более эффективный способ управления, чем просто наклон.^[3]:15 На более высоких скоростях свойство самобалансировки велосипеда становится жестче, и заданная входная сила, приложенная к рулю, вызывает меньшие изменения угла наклона.^[3]:16

Обучение персонала

Большая часть искусства мотоциклетного прохождения поворотов - это научиться эффективно толкать ручки в повороты и как поддерживать правильный угол наклона во время поворота. Когда в аварийной ситуации внезапно возникает потребность в быстром повороте в сторону, важно заранее знать, что противодействие рулевому управлению является наиболее эффективным способом изменить курс мотоцикла.^[3]:16 Многие несчастные случаи возникают, когда опытные гонщики, которые никогда не развивали этот навык, сталкиваются с неожиданным препятствием.

Чтобы способствовать пониманию явлений, связанных с противодействием, фраза положительное рулевое управление иногда используется.^[11][12] Другие фразы: «НАЖАТЬ - чтобы повернуть, мотоцикл должен наклониться», «Чтобы наклонить мотоцикл, нажмите на рукоятку в направлении поворота» или «Нажмите влево - наклонитесь влево - поверните налево».^[13]

Фонд безопасности мотоциклов обучает противодействию рулевому управлению всех учеников во всех своих школах, как и все школы мотогонок. Противорегулирование включено в руководства и тесты для операторов мотоциклов штата США, например Вашингтон, США.^[14] Нью-Джерси,^[15] Калифорния,^[16] и Миссури.^[17]

Безопасность

Согласно Отчет о травмах, большинство мотоциклистов в Соединенных Штатах, пытаясь избежать столкновения, будут чрезмерно тормозить и буксовать заднее колесо, а также не тормозить переднее. У многих водителей мотоциклов практически отсутствовала способность противодействовать поворачиваемости и поворачивать.^[18] Часто небольшая величина первоначального противодействия, необходимого для наклона мотоцикла, который может составлять всего 0,125 секунды, заставляет многих гонщиков не осознавать эту концепцию.^[19]

Многоколейная техника

Коляска на Vespa скутер

Лежачий трехколесный велосипед Tripendo, a опрокидывающийся трехколесный транспорт

Трехколесные мотоциклы без возможности наклона не нуждаются в противодействии, и начальный крутящий момент при рулевом управлении в одном направлении не приводит автоматически к повороту в другом направлении. Это включает в себя коляска буровые установки, где автомобиль жестко закреплен на байке. Трехколесный BRP Can-Am Spyder Родстер использует два передних колеса, которые не наклоняются, поэтому он управляется как автомобиль.^[20]

Немного коляски позволяют мотоциклу наклоняться независимо от коляски, а в некоторых случаях коляска даже наклоняется параллельно мотоциклу. Эти транспортные средства должны управляться так же, как и одиночный мотоцикл.^[21] Три колеса Piaggio MP3 использует механические рычаги, чтобы наклонять два передних колеса параллельно задней раме и таким образом противодействовать таким же образом, как у двухколесного мотоцикла.^[20]

Свободный наклон многогусеничная техника перед поворотом необходимо уравновесить его за счет противодействия. Многогусеничные наклоняемые автомобили с принудительным наклоном, такие как Карвер, наклоняются без противодействия управлению и не балансируются оператором. В более поздних версиях Carver была введена автоматическая противовесная поворачиваемость для увеличения скорости наклона и уменьшения силы, необходимой для наклона автомобиля. Другие автомобили с принудительным наклоном могут иметь автоматическое противодействие.^[22] В 1984 году был разработан прототип качающейся многогусеничной машины со свободным наклоном, в которой используется автоматическое противодействие рулевому управлению и не требуется никаких навыков балансировки.^[23]

Противодействие смещению веса

На достаточно легком велосипеде (особенно велосипед ), всадник может начать наклон и поворот, не используя руль, перенеся вес тела, что называется противостоящий некоторыми авторами.^{[8][24][25][26]}Документированные физические эксперименты показывают, что на тяжелых велосипедах (многие мотоциклы ) смещение веса тела менее эффективно для начала наклонов.^[27]

При противодействии с использованием смещения веса для поворота влево выполняется следующее:

• Гонщик прикладывает мгновенный крутящий момент либо к сиденью через ноги, либо к туловищу, что заставляет сам велосипед наклоняться вправо.
• Совместный центр масс велосипеда и гонщика только опускается, а не выдвигается, но если передняя часть велосипеда может свободно поворачиваться вокруг своей оси рулевого управления, наклон вправо заставит его поворачивать вправо посредством некоторой комбинации. гироскопической прецессии, сил реакции земли, гравитационной силы на внеосевом центре масс или просто инерции внеосевого центра масс в зависимости от точной геометрии и распределения массы конкретного велосипеда, а также количества крутящего момента и скорости при котором он применяется.^[8][28]
• Это противодействие вправо заставляет контакт с землей перемещаться вправо от центра масс, когда байк движется вперед, создавая тем самым наклон влево. Наконец, передняя часть поворачивается влево, и байк входит в левый поворот.

Величина поворота влево, необходимая для уравновешивания наклона влево, подходящего для скорости движения вперед и радиуса поворота, контролируется крутящим моментом, создаваемым всадником, опять же либо на сиденье, либо в туловище.

Чтобы выпрямиться из поворота, гонщик просто меняет процедуру входа в него: заставляет мотоцикл наклоняться дальше влево; это заставляет его поворачиваться дальше влево, что приводит к смещению пятен контакта колес дальше влево, в конечном итоге уменьшая наклон влево и выходя из поворота.

А Национальная администрация безопасности дорожного движения исследование показало, что наклон водителя в большей степени влияет на более легкий мотоцикл, чем на более тяжелый,^[29] что помогает объяснить, почему рулевое управление без использования рук менее эффективно на тяжелых мотоциклах. Наклон туловища по отношению к велосипеду не приводит к тому, что велосипед наклоняется достаточно сильно, чтобы произвести что-либо, кроме самых мелких поворотов. Гонщики без рук могут удерживать тяжелый байк по центру полосы и преодолевать неглубокие повороты шоссе, но не более того.

Сложные маневры невозможны с использованием одного лишь смещения веса, потому что даже для легкой машины не хватает управляющих полномочий.^[24]Хотя на достаточно легком байке (особенно велосипед ), всадник может наклониться и повернуться, перенеся вес тела,^[8] Нет никаких доказательств того, что сложные маневры можно выполнять только с собственным весом.^[27]

Другое использование

Гонки на мотоциклах по спидвею

Термин противодействие также используется некоторыми авторами для обозначения необходимости на велосипедах поворачивать в направлении, противоположном повороту (отрицательный угол поворота), чтобы сохранять управляемость в ответ на значительное проскальзывание задних колес.^[10] Гонки на мотоциклах по спидвею проходит на овальной дорожке с рыхлой поверхностью из грязи, золы или сланца. Гонщики смещают свои машины вбок, пауэрслайдинг или бродсайд в поворотах, используя крайнюю форму этого типа контррулевания, которая сохраняется на протяжении всего поворота. Это также работает без питания для велосипедов на рыхлых или скользких поверхностях, хотя это продвинутая техника.

Этот термин также используется при обсуждении техники вождения автомобиля, называемой дрейфующий.

Братья Райт

Уилбур Райт объяснил противодействие таким образом:

Я спросил у десятков велосипедистов, как они поворачивают налево. Я не нашел ни одного человека, который бы правильно изложил все факты, когда их спросили в первый раз. Почти всегда они говорили, что для поворота налево поворачивали руль налево и в результате делали поворот налево. Но при дальнейших расспросах некоторые согласятся, что сначала они повернули руль немного вправо, а затем, когда машина наклонилась влево, они повернули руль влево и в результате сделали круг с наклоном внутрь.^[30][31]

Смотрите также

• Велосипед и мотоцикл динамика
• Безопасность мотоциклов

Примечания

1. Шелдон Браун. «Контррулевание». Получено 9 ноября 2012. «Противопоказание» относится к мгновенному движению руля в направлении, противоположном желаемому повороту.
2. «Учебная программа для получения водительских прав A1, A2 и A» / «Læreplan Førerkortklasse A1, A2 и A» (PDF). Управление общественных дорог Норвегии. 2013. с. 55.
3. Лейф Кливе; Генри Эноксен; Гуннар Кубберод. Полный контроль (PDF). Норвежский союз мотоциклистов. п. 15. ISBN  82-92276-00-9. Архивировано из оригинал (PDF) 8 октября 2008 г.
4. Шарп, Р. С. (2008). «Об устойчивости и управляемости велосипеда». Обзоры прикладной механики. 61 (6): 1–24. Bibcode:2008ApMRv..61f0803S. Дои:10.1115/1.2983014. Положительный правосторонний крутящий момент приводит к отрицательным углам поворота и крена, соответствующим левому повороту. Такое поведение часто называют противодействием, и, похоже, оно было известно с самых первых дней езды на велосипеде, хотя не всегда проводится правильное различие между крутящим моментом и усилением угла поворота.
5. Джонс, Дэвид (1970). «Устойчивость велосипеда» (PDF). Получено 31 марта 2009.
6. "Подробнее о противодействии", Велосипедный мир: 71, октябрь 1985 г., Мотоцикл [A] должен наклоняться, чтобы повернуть, и противодействие влево приводит к выводу переднего колеса из-под мотоцикла, в результате чего мотоцикл наклоняется вправо. Итак, основная последовательность поворота направо такова: поверните штанги влево, чтобы начать поворот, а затем позвольте им повернуться вправо, пока вы принимаете устойчивое положение на повороте. Многие (если не большинство) мотоциклисты сознательно не осознают эту последовательность и находят ее немного невероятной ... [но] это единственный способ заставить мотоцикл быстро повернуть.
7. В. Коссалтер, стр. 1343–1356: «Корреляция с субъективным мнением опытных гонщиков-испытателей показала, что к рулю следует прикладывать небольшое усилие крутящего момента, чтобы иметь хорошее ощущение, и предпочтительно в смысле, противоположном направлению поворота. . "
8. Фаянс, Джоэл (июль 2000 г.). «Рулевое управление в велосипедах и мотоциклах» (PDF). Американский журнал физики. 68 (7): 654–659. Bibcode:2000AmJPh..68..654F. Дои:10.1119/1.19504. Получено 4 августа 2006.
9. Уилсон, Дэвид Гордон; Джим Пападопулос (2004). Велосипедная наука (Третье изд.). MIT Press. стр.270–272. ISBN  0-262-73154-1.
10. В. Коссалтер, стр. 241–342.
11. Джон Тейлор и Стефан Бартлетт (2009). Как стать лучше наездником. Институт перспективных автомобилистов. ISBN  978-0-9562239-1-3.
12. «Новички на мотоциклах, чтобы научиться положительному рулевому управлению». Байкер 24/7 Новости. 29 июня 2009 г. Архивировано с оригинал 10 сентября 2011 г.. Получено 31 декабря 2009.
13. «Руководство по эксплуатации мотоцикла» (PDF). Фонд безопасности мотоциклов (MSF-США). Архивировано из оригинал (PDF) 2 ноября 2012 г.. Получено 28 августа 2014.
14. «Отдел лицензирования руководства по эксплуатации мотоциклов» (PDF). Департамент лицензирования штата Вашингтон.
15. «Мотоцикл Руководство» (PDF). Комиссия по автотранспортным средствам Нью-Джерси.
16. "Калифорнийское руководство по эксплуатации мотоциклов" (PDF). Калифорния DMV. Архивировано из оригинал (PDF) 11 июня 2014 г.. Получено 28 августа 2014.
17. «Мотоциклист ДОР-2332 (3-2008)» (PDF). Департамент доходов Миссури.
18. Д-р Хью Х. Хёрт, доктор философии. (Январь 1981 г.). «Факторы причины аварии на мотоцикле и определение мер противодействия, Том 1: Технический отчет, Hurt, HH, Ouellet, JV и Том, Д.Р., Центр безопасности дорожного движения, Университет Южной Калифорнии, Лос-Анджелес, Калифорния 90007, контракт № DOT HS-5. -01160 " (PDF). Министерство транспорта США, NHTSA. Архивировано из оригинал (PDF) 23 августа 2014 г.
19. Национальный исследовательский институт общественных услуг, "Фотографический анализ реакции водителя мотоцикла", 1976 г. [1]
20. Редакция журнала Motorcyclist Magazine; Штейн, Джон Л. (2011). Полное руководство идиота по мотоциклам (5-е изд.). Пингвин. п. 339. ISBN  978-1-61564-070-6. Получено 15 января 2011.
21. Х. А. Кендалл (2003). Руководство оператора коляски (PDF). п. 98.
22. Poelgeest, A; Edge, K. A .; Дарлинг, Дж. Разработка регулятора наклона рулевого колеса для трехколесного качающегося автомобиля.
23. Майк Маккарти (январь 1987 г.). «Банковское будущее наклонной машины». Журнал Колеса. стр. 12–13. Получено 18 ноября 2014.
24. Evangelou, S, 2004 "Управление и анализ устойчивости двухколесных дорожных транспортных средств", докторская диссертация, Имперский колледж Лондона
25. Кокко, Гаэтано (2004). Дизайн и технологии мотоциклов. Мотоциклы. п. 25. ISBN  978-0-7603-1990-1.
26. Фоул, Тони (2006). Управление мотоциклами и конструкция шасси, искусство и наука (2-е изд.). Тони Фоул Дизайн. С. 4–7. ISBN  978-84-933286-3-4.
27. Громер, Клифф (1 февраля 2001 г.). «РУЛЕВАЯ ШЕСТЕРНЯ Так как же на самом деле повернуть мотоцикл?». Популярная механика. Архивировано из оригинал 26 января 2010 г.. Получено 7 августа 2006.
28. Брандт, Йобст (16 сентября 1997 г.). "Что держит велосипед в вертикальном положении?". sheldonbrown.com. Получено 17 октября 2007.
29. Анил В. Хадилкар, Р. Николс, Р. Шварц (1977), «Аналитические результаты: влияние угла наклона всадника», Повышение безопасности мотоциклов, Том 2, Министерство транспорта США, Национальная администрация безопасности дорожного движения, стр. 4–24.
30. Крауч, Том Д. (1989). Мальчики епископа. Нью-Йорк: У. В. Нортон. п. 170. ISBN  0-393-30695-X.
31. Келли, Фред С. (1989). Братья Райт. Courier Dover Publications. стр.297–299. ISBN  978-0-486-26056-3.

Рекомендации

• Витторе Коссалтер; Р. Лот; М. Перетто (2007). «Устойчивый поворот мотоциклов». Труды Института инженеров-механиков, часть D: журнал автомобильной инженерии. 221 (11): 1343–1356. Дои:10.1243 / 09544070jauto322. ISBN  978-1-4303-0861-4. S2CID  109274283.(требуется подписка)
• Лейф Кливе; Генри Эноксен; Гуннар Кубберёд (2006). «Полный контроль» / «Полный контроль» (PDF). Норвежский союз мотоциклистов. ISBN  82-92276-00-9. Архивировано из оригинал (PDF) 8 октября 2008 г.

внешняя ссылка

• Баланс и рулевое управление, к Тони Фоул
• Полный доступ (английская версия), к Норвежский союз мотоциклистов
• "Нет машины Б.С." физические эксперименты
• «Физика моноциклинга» 5 минут, объясняет противодействие из фундаментальных принципов физики, требует Adobe Flash