移動中に自転車を直立させるのはなぜですか？

自転車が動いているときに直立するのはなぜですか？速度と安定性の関係は何ですか？それは線形関係ですか？

物理サイトでこれを尋ねることはできますが、比較的簡単な答えを期待しています。私は大学で物理学の入門クラスを受講したので、基本的な物理学は高く評価されていますが、それほど面倒ではありません。

自転車を直立させているのは、車輪の回転する質量ではないと思います。最近、自転車の横に同じ質量の車輪が回転している場合、自転車の安定性が失われないという研究を読みました。（研究をどこで読んだかわかりません）。

ローラーの上で自転車が直立するのはなぜですか？

この質問は最近、New Scientist誌の長い記事の主題でした。要約する：

「なぜこの自転車は適切な時間に適切な量を操縦して自己安定性を確保するのですか？」紙は尋ねます。「単純な物理的説明は見つかりませんでした。」

http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html

この記事は、あなたが置くことができなかった研究-ジャイロスコープの力は、自転車の安定性のすべてであり、すべてを終わらせると長い間考えられていた-が、一般的に想像される結果ではないことを科学的に証明した研究も引用しています。

記事では取り上げられていませんが、ローラー上で直立していることについては、自転車を誰も乗せずに路上に送り出すとどうなるかについて説明しています-ライダーによる重量とステアリングの調整は、それでやります。

New Scientistの記事がこのテーマに関する最後の言葉だとは思いません。しかし、それは最近（数週間前）であり、ミステリーへの良い入門書です。楽しい！

自転車のジオメトリは、ある程度の自己安定性を提供します。フォークの角度とすくいは、フロントタイヤがリーンになりがちであるため、片側に落ちる傾向を修正します。

車輪のジャイロ効果自体はそれほど強力ではない可能性がありますが、ステアリングのジャイロ効果はフォークの角度/レーキと連動して、タイヤを「落下」方向に回し、さらに自己安定化を実現します。

理論的には、ローラーはストリートと変わりません。ローラーのエッジがクラッシュするか、自転車が安定するまで、フロントタイヤはリーン方向に回転します。

自転車は、その形状により本質的に安定しています。このジオメトリにより、自転車は常に傾斜し始める方向に向きを変え、直立したままになります。その理由は、カウンターステアリングと呼ばれる概念によって最もよく説明されています。

カウンターステアリングは、2輪車がすべて回転する方法です。左に回したいときは、ハンドルを少し右に回します。車輪の摩擦により、自転車の底部が右方向に引っ張られ、左方向への傾斜が始まります。ハンドルバーは左に向かって旋回し始め、ターンを追跡します。

ターンを停止するときは、ハンドルをもう少し左に回します。これにより、自転車の底がさらに左方向に引っ張られ、自転車の底が重心の真下にくるため、旋回が停止します。

多くの自転車や低速では、多くのライダーがカウンターステアリング効果に気付かないことがあります。ただし、高速の場合、または自動二輪車などの重量のある車両では、より重要です。

それでは、ライダーがいない場合、これはどのように機能しますか？これは、フォークのすくいおよびそれが引き起こすレールのためです。フォークの軸から地面までの想像上の線をたどると、車輪が地面に接触する前に地面にぶつかります。

ホイールはステアリング軸の後ろの地面に接触するため、ホイールは常に道路からの力を感じて、真ん中を向いて中央に移動しようとします。自転車が片側に傾くと、力は自転車が傾く側に車輪を押し始めます。

したがって、これらすべての力が合計されます。フォークのすくいにより、自転車はまっすぐに進みたくなります。そして、ある方向または他の方向に隆起を感じた場合、カウンターステアリングは自転車を他の方向に移動させる傾向があります。次に、フォークレーキが前輪をさらに押し出し、カウンターステアリングにより自転車がまっすぐになります。

手のほうきのバランスをとるようなもので、操縦者はあなたの下で車輪を動かします。自転車メーカーは、ステアリングのジオメトリを設計することにより、自転車が混乱しない限り、自転車が直立したままになるように支援します。

ジャイロ力は役立ちますが、必須ではありません。

これに関する最近の研究がいくつかあります：http : //www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

以前は、自転車の回転ホイールがジャイロ効果によって安定性を提供すると考えられていました。そして、「トレイル」（前輪の接触点がステアリング軸の後ろをたどる距離が重要な役割を果たす）。

しかしながら：

科学の新しい研究は、問題を解決したと主張しています-ジャイロスコープ効果とトレイルヘルプ 2007年の英国王立協会の議事録（doi：10.1098 / rspa.2007.1857）で、約25の物理パラメーターを持つ数学モデルが開発されました。安定しています。

著者は、小さくて逆回転する車輪を備えたツーマススケート自転車を設計および構築しました。これは、言うべきジャイロ効果がなく、小さなネガティブトレイル（つまり、前輪の接触点がわずかにステアリング軸の前）。それでも、移動中の自転車は安定したままでした。

この7分間のビデオでは、自転車の安定性について説明し、ジャイロスコープ、キャスター、ステアリングの効果について説明しています。特に、1つ以上の安定性の原因が取り消された場合でもバランスを取ることができる（ライダーなしの）自転車の例を示しています。したがって、安定性を可能にするいくつかの設計機能があります（ライダーを含む）。

現在、自転車の安定性に影響すると考えられる3つの主な要因があります。

1. 前輪トレイルの量（キャスターホイールの設計など）
2. 前輪操舵軸の前の質量分布
3. ジャイロ歳差運動

現代の自転車では、3つすべてが連動して、自転車が自動的に転倒して、自己安定化動作を示します。この自動ステアリング動作により、自転車はローラーで安定したり、地面の上を移動したりできます。

安定性は複数の要因のバランスによって達成されるため、1つの要因が多すぎると設計が不安定になる可能性があります（たとえば、過剰補正による）。さらに、すべての要因が同じ影響を与えるわけではありません。孤立しているいくつかの要因は、他の要因がなくても自転車を安定させるのに十分な場合があります（たとえば、ステアリング軸の前の質量分布）。

複数の要因が存在するということは、異なる安定した設計が異なる量の各要因を使用できることも意味します。たとえば、1940年代のランドロンバイクでは、トレイルの使用量が大幅に減りましたが、ステアリング軸の前に質量が追加され（ギアを運ぶフロントバッグ）、安定した自転車が作成されました。

MinutePhysicsには、これらの効果の影響を詳細に説明した短いビデオがあります。私は、ほとんどの安定した設計では、ジャイロの行列（3）が最も弱い効果を持つと考えています。

上記のように、自己安定性の特性に助けられて、自転車に乗っている間自転車が直立したままになる基本的な理由は、自転車の接触点を重心の下に保つことによってアクティブにバランスを取ることです。自転車に乗っている間、あなたは自転車をあなたの下に保つために微妙な回転運動をしています-自転車が左に落ちたら、あなたは左に曲がり、前輪を動かして自転車をあなたの下に戻します。ローラー上では、自転車がローラーを前後に移動するので、これを見ることができます-それができないとき、あなたは倒れます。

乗ることを学習した後、あなたは無意識にこれを行うことができるので、ステアリングを逆にして自転車に乗ることは非常に難しいことです。

物理学にあまり入らない基本的な答えは角運動量です。基本的に、回転するオブジェクト（車輪）は、それらを「傾ける」ときに反対方向に力を及ぼします。自宅でこれを試すには、前輪を外してください。両手で車軸を握り、ホイールを回転させます。ホイールを傾けてみてください。ホイールがどのように引き戻されるかに注目してください。ホイールが回転していない状態で同じことを試してみて、それがどのように引き戻されないかに注意してください。ホイールの回転が速いほど、引っ張るのが難しくなります。関係が線形であるかどうかはわかりません。角運動量のより基本的な外観については、こちらをご覧ください。自転車のタイヤを使用してデモンストレーションを行うビデオを示しています。

次のようにシンプルにする必要があります。

• アクション=反応。自転車が直立している場合、横方向の力がなければ直立したままになります。これは、自転車が動いていない場合でも当てはまります。
• バランスを乱す何らかの力がある場合、バランスを維持するために同量の反作用力が必要です。
• 自転車が動いているとき、ステアリングは前方の運動量の一部を横方向の力に変換するため、ステアリングを使用して自転車のバランスを取ることができます。
• ローラー上で、自転車は横向きに移動してバランスを取ることができます。
• 片側に移動するには、ライダーは同じ力で反対方向に自転車を押す必要があるため、ライダーの体重を動かしても横方向の力は発生しません。これが成功するのは、システムの非効率性に起因する可能性があります。

次に、ホイールのジャイロ効果があり、システムに作用する力の量と方向を変更できます。