Кто изобрёл велосипед
Сведения о велосипедах и самокатах до 1817 года неясны и противоречивы.
Но появление первых моделей велосипедов для широкого практического применения могут быть отнесены к 1817 году. Именно тогда в Германии барон фон Дрез представил публике механизм, который он назвал в свою честь «дрезиной». Два колеса дрезины соединялись деревянным бруском. Седок переносил часть веса тела на деревянный упор перед собой и продвигал дрезину вперед, отталкиваясь от земли поочередно левой и правой ногами. Он управлял дрезиной, поворачивая укрепленную на оси переднего колеса ручку.
Этот механизм был прозван «лошадь денди» (первоклассная лошадь) за свою высокую цену. На нем, кстати, любил ездить английский король Георг IV!
Около 1840 года шотландец Макмиллан взял старую «лошадь денди» и поставил рычаги на ось заднего колеса. Они соединялись приводными стержнями с педалями. Он ездил на ней так быстро, что даже был арестован за «бешеную езду»!
Название «велосипед» («байсикл») впервые появилось в 1865 году, когда француз Лалемен прикрепил рычаги и педали к переднему колесу механизма, очень похожего на «лошадь денди». Эти велосипеды в шутку прозвали «драндулетами», потому что у них были тяжелые деревянные рамы и железные обода, которые тряслись при езде. В 1868 году вошли в употребление легкие металлические колеса с проволочными спицами и массивными резиновыми шинами. Во всех этих велосипедах колеса были одного размера.
Вскоре после этого появился новый тип велосипеда — с большим передним колесом. По мере его усовершенствования переднее колесо становилось все больше и больше. В результате один оборот педалей, прикрепленных к оси, продвигал велосипед на большее расстояние. В некоторых моделях переднее колесо достигало в диаметре 1,5 метра или даже больше, в то время как заднее — всего 30 сантиметров. Ездок располагался над огромным передним колесом, и, если ему не хватало ловкости, чтобы удержаться в седле, прогулка могла закончиться падением головой вперед!
И, наконец, примерно в 1885 году появился современный «безопасный велосипед». В этой модели колеса были одного размера, а сиденье располагалось чуть впереди заднего колеса. Цепное колесо на педалях делали намного больше, чем на заднем колесе, и поэтому при каждом повороте педалей заднее колесо преодолевало такое же расстояние, как и небезопасное большое переднее колесо в предыдущих моделях.
Последующие усовершенствования окончательно придали велосипеду современный вид.
Почему велосипедист не падает с велосипеда
Крутя педали велосипеда, человек никогда не думаем о том, какие силы удерживают его в ровном положении, почему он не падает. Две вещи заставляют человека удерживаться на велосипеде.
Первая — это вращающая сила, которая называется еще гироскопической. Гироскоп — это волчок, установленный таким образом, что его центр тяжести остается в одном и том же месте, вне зависимости от того, как гироскоп вращается. Когда колесо гироскопа начинает крутиться, оно сохраняет свое положение в пространстве, пока на него не воздействуют внешние силы. То же самое происходит с колесом велосипеда, когда оно начинает крутиться. Колеса сохраняют равновесие, пока не сталкиваются с силами, способными изменить их направление.
Вторая сила, помогающая человеку удержаться на велосипеде,— сила инерции. Пример этой силы можно наблюдать, когда его откидывает в машине в сторону, если она резко поворачивает.
Если человек начал падать с велосипеда, он поворачивает переднее колесо в направлении падения. Сила инерции выравнивает его положение.
Чтобы не упасть, человек слегка поворачиваете руль то вправо, то влево. Другими словами, он поворачиваете руль, не думая об этом, таким образом, что сила инерции постоянно удерживает его в равновесии.
Обыкновенное колесо катится само по себе достаточно устойчиво: при наклоне в какую-либо сторону оно не падает под действием силы тяжести, а поворачивает в сторону наклона и едет по дуге. Этот эффект называется гироскопическим.
Существует много гипотез, объясняющих устойчивость движения системы гонщик-велосипед. Остановимся на некоторых из них.
Гипотеза 1. Гипотеза предполагает обеспечение устойчивости движения только за счет принудительного перемещения центра масс системы путем изменения положения тела гонщика относительно точек опоры колес. Типичными примерами, подтверждающими эту гипотезу, служат езда на велосипеде, с заклиненной рулевой колонкой или цирковой трюк езды на велосипеде по жесткому прямолинейному профилю под куполом цирка с применением поперечно-расположенного шеста, гантелей и других массивных вспомогательных средств.
Наиболее достоверно подтверждают данную гипотезу приемы обеспечения устойчивости при движении велосипеда в узкой колее разбитой дороги или при попадании колес велосипеда во время гонки в желоб трамвайного рельса. При этом система выходит из равновесия и отклоняется от вертикальной плоскости. Для возвращения системы в равновесие и обеспечения устойчивости движения гонщик выполняет маневр, состоящий в том, что он преднамеренно отталкивается от велосипеда в сторону, противоположную первоначальному отклонению, перенося центр масс в плоскость, в которой расположена точка опоры.
Гипотеза 2. Эта гипотеза предлагает обратное действие, т. е. изменение положения точек опоры системы гонщик-велосипед на поверхности дороги. Аналогов подобного действия в практике повседневной жизни встречается немало. Например, для обеспечения устойчивости карандаша, вертикально стоящего на кончике пальца, достаточно сместить точку его опоры. Обеспечение устойчивости такого вертикально стоящего стержня является полной аналогией сюрпляса, когда за счет разворота переднего колеса гонщику удается находить для него такое положение на полотне трека, что центр масс системы остается в вертикальной плоскости, проходящей через точки контакта переднего и заднего колес с поверхностью трека.
Гипотеза 3. Эта гипотеза связана с особенностью конструктивного решения узла передней вилки велосипеда и диаметром переднего колеса. Практические испытания различных конструкций показали, что из всего их многообразия можно выделить такие решения, которые определяют устойчивость направленного движения системы гонщик-велосипед. Принципиально важным для конструкции рамы велосипеда является угол наклона оси рулевой колонки и изгиб передней вилки.
Устойчивость системы достигается почти во всех случаях, за исключением тех, когда совпадают точка пересечения оси рулевой колонки с поверхностью дороги (точка А) и точка пересечения плоскости дороги и вертикали, проходящей через ось переднего колеса (точка В), или точка В находится спереди точки А по направлению езды велосипеда.
Езда без рук на таком велосипеде невозможна, а нормальная управляемая рулем езда крайне затруднительна. Минимальное внешнее воздействие выводит систему из равновесия, и быстро нарастающий дестабилизирующий момент приводит к падению.
Гипотеза 4. Устойчивость системы обеспечивается гироскопическим эффектом. Первое правило при обучении езде на велосипеде гласит: поддерживай скорость движения и поворачивай руль в сторону падения. Этот эффект наблюдается при езде на велосипеде, когда руки убраны с руля, особенно это становится очевидным при спуске по извилистой дороге, когда для входа в очередной вираж достаточно наклонить корпус в сторону центра кривизны виража – и велосипед будет двигаться по криволинейной траектории, соответствующей скорости движения и наклону велосипеда.
Обобщая, можно сказать, что если под понятием «устойчивость движения» иметь в виду способность системы гонщик-велосипед сохранять заданную форму движения, то рассматриваемая система неустойчива в статике, а ее абсолютно прямолинейное движение невозможно. Траектории движения точек опоры (точек контакта колес с поверхностью дороги) колеблются относительно некоторой прямой линии, выбранной в качестве основного направления движения системы. Хорошо подтверждают это положение безуспешные попытки езды с заклиненной рулевой колонкой, хотя, казалось бы, именно при заклиненной колонке велосипед должен двигаться прямолинейно.
Источники информации: