Dinámica de bicicletas y motocicletas


La dinámica de bicicletas y motocicletas es la ciencia del movimiento de bicicletas y motocicletas y sus componentes, debido a las fuerzas que actúan sobre ellos. La dinámica cae dentro de una rama de la física conocida como mecánica clásica . Los movimientos de bicicleta de interés incluyen el equilibrio , la dirección , el frenado , la aceleración , la activación de la suspensión y la vibración . El estudio de estos movimientos comenzó a fines del siglo XIX y continúa en la actualidad. [1] [2] [3]

Tanto las bicicletas como las motocicletas son vehículos de una sola vía y, por lo tanto, sus movimientos tienen muchos atributos fundamentales en común y son fundamentalmente diferentes y más difíciles de estudiar que otros vehículos de ruedas como los diciclos , triciclos y cuatriciclos . [4] Al igual que con los monociclos , las bicicletas carecen de estabilidad lateral cuando están estacionarias y, en la mayoría de las circunstancias, solo pueden permanecer erguidas cuando avanzan. La experimentación y el análisis matemático han demostrado que una bicicleta se mantiene erguida cuando se la dirige para mantener su centro de masa .sobre sus ruedas. Esta dirección suele ser proporcionada por un ciclista o, en determinadas circunstancias, por la propia bicicleta. Varios factores, incluida la geometría, la distribución de masa y el efecto giroscópico, contribuyen en diversos grados a esta autoestabilidad, pero se han planteado hipótesis y afirmaciones de larga data de que cualquier efecto único, como giroscópico o estela , es el único responsable de la fuerza estabilizadora. desacreditado [1] [5] [6] [7]

Si bien permanecer erguido puede ser el objetivo principal de los ciclistas principiantes, una bicicleta debe inclinarse para mantener el equilibrio en un giro: cuanto mayor sea la velocidad o menor el radio de giro , más inclinación se requiere. Esto equilibra el par de balanceo sobre los parches de contacto de las ruedas generado por la fuerza centrífuga debido al giro con el de la fuerza gravitacional . Esta inclinación suele producirse por un viraje momentáneo en sentido contrario, denominado contraviraje . La habilidad de contraviraje generalmente se adquiere mediante el aprendizaje motor y se ejecuta a través de la memoria procedimental en lugar del pensamiento consciente. A diferencia de otros vehículos de ruedas, el control principalla entrada en las bicicletas es el par de dirección , no la posición. [8]

Aunque estables longitudinalmente cuando están estacionarias, las bicicletas a menudo tienen un centro de masa lo suficientemente alto y una distancia entre ejes lo suficientemente corta como para levantar una rueda del suelo con suficiente aceleración o desaceleración. Al frenar, dependiendo de la ubicación del centro de masa combinado de la bicicleta y el ciclista con respecto al punto donde la rueda delantera toca el suelo, y si el freno delantero se aplica con suficiente fuerza, las bicicletas pueden: patinar la rueda delantera que puede o no resultar en un choque; o voltea la bicicleta y el ciclista sobre la rueda delantera. Una situación similar es posible al acelerar, pero con respecto a la rueda trasera. [9] [ fuente autopublicada? ]

La historia del estudio de la dinámica de las bicicletas es casi tan antigua como la propia bicicleta. Incluye contribuciones de científicos famosos como Rankine , Appell y Whipple . [2] A principios del siglo XIX, Karl von Drais , al que se atribuye la invención del vehículo de dos ruedas llamado laufmaschine , velocipede , draisine y dandy horse , demostró que un ciclista podía equilibrar su dispositivo girando la rueda delantera. [2] En 1869, Rankine publicó un artículo en The Engineerrepitiendo la afirmación de von Drais de que el equilibrio se mantiene dirigiendo en la dirección de una inclinación. [10]

En 1897, la Academia de Ciencias de Francia hizo de la comprensión de la dinámica de la bicicleta el objetivo de su competencia Prix Fourneyron. Así, a finales del siglo XIX, Carlo Bourlet , Emmanuel Carvallo y Francis Whipple habían demostrado con la dinámica de cuerpo rígido que algunas bicicletas de seguridad podían equilibrarse si se movían a la velocidad correcta. [2] Bourlet ganó el Premio Fourneyron, y Whipple ganó el Premio Smith de la Universidad de Cambridge . [7] No está claro a quién debe atribuirse el mérito de inclinar el eje de dirección desde la vertical que ayuda a que esto sea posible. [11]


Un modelo simplificado generado por computadora de una bicicleta y un ciclista que demuestra un giro a la derecha descontrolado.
Animación de un modelo simplificado generado por computadora de una bicicleta y un ciclista pasivo que demuestra un tejido incontrolado pero estable .
Bicicletas inclinadas en un giro.
Draisina .
Fuerzas externas en una bicicleta y un ciclista inclinado en un giro: peso en verde, arrastre en azul, reacción vertical del suelo en rojo, resistencia neta de propulsión y rodadura en amarillo, fricción en respuesta al giro en naranja y pares netos en la rueda delantera en magenta .
Muelle entre horquilla delantera y bastidor trasero
Equilibrar una bicicleta manteniendo las ruedas bajo el centro de masa
Ángulo del eje de dirección de la bicicleta , desplazamiento de la horquilla y recorrido
Efecto giroscópico en la rueda delantera de una bicicleta. La aplicación de un par (en verde) sobre el eje de inclinación da como resultado un par de reacción (en azul) sobre el eje de dirección.
Un motociclista de Grand Prix inclinado en un giro
Las fuerzas, tanto físicas como de inercia , que actúan sobre una bicicleta inclinada en el marco de referencia giratorio de un giro donde N es la fuerza normal, F f es la fricción, m es la masa, r es el radio de giro, v es la velocidad de avance y g es la aceleración de la gravedad.
Gráfico del ángulo de inclinación de la bicicleta frente a la velocidad de avance, suponiendo una fricción ilimitada entre los neumáticos y el suelo.
Ciclista montando sin manos en el manillar.
Flevobike con dirección central
Parche de contacto del neumático de la bicicleta durante un giro a la derecha
Gráficos que muestran la respuesta del ángulo de inclinación y dirección de una bicicleta que de otro modo no estaría controlada y que se desplaza a una velocidad de avance en su rango estable (6 m/s), a un par de dirección que comienza como un impulso y luego permanece constante. Torque a la derecha provoca una dirección inicial a la derecha, inclinación a la izquierda y, finalmente, una dirección constante, inclinación y giro a la izquierda.
Gráficos del ángulo de dirección de la bicicleta y el ángulo de inclinación frente al radio de giro.
Valores propios trazados frente a la velocidad de avance para una bicicleta utilitaria típica simplificada para tener ruedas con filo de cuchillo que ruedan sin patinar.
Gráficos que muestran (de izquierda a derecha, de arriba a abajo) la inestabilidad del tejido, la autoestabilidad, la autoestabilidad marginal y la inestabilidad de vuelco en un modelo lineal idealizado de una bicicleta utilitaria no controlada .
Valores propios representados frente a la velocidad de avance de una motocicleta modelada con flexibilidad de cuadro y propiedades de neumático realistas. Se pueden ver modos adicionales, como wobble , que se vuelve inestable a 43,7 m/s.
Los mismos valores propios que en la figura anterior, pero representados en un diagrama del lugar geométrico de las raíces . Varios modos de oscilación adicionales son visibles.
Un ciclista realizando un caballito .
Sin frenado, en una bicicleta, m suele estar aproximadamente sobre el pedalier
En frenadas ligeras, Nr sigue siendo significativo, por lo que Fr puede contribuir a la frenada. Nr disminuye a medida que ma aumenta
En frenado máximo, Nr = 0
Un motociclista realizando un stoppie .
Suspensión trasera de bicicleta de montaña