Ποδήλατο και Φυσική

Ομάδα 4: Νεφέλη Καμαρινοπούλου

Άρης Καραμήτσιος Αγγελική Τσιλίδη Γιάννης Φοίφας

Πρόλογος

Το ποδήλατο αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο,

προκειμένου να αναδειχθούν ορισμένες αρχές της

φυσικής. Με αφορμή, για παράδειγμα, τις εικόνες

παλαιοτέρων ποδηλάτων με ιδιαίτερα μεγάλους

τροχούς θα μπορούσε να αναρωτηθεί κανείς με ποιον

τρόπο επηρεάζει τη λειτουργία του ποδηλάτου το

μέγεθος των τροχών του.

Η κίνηση του ποδηλάτου

Σύμφωνα με τη φυσική, η κίνηση που εκτελεί ένας τροχός που κυλά είναι σύνθετη: αποτελεί το συνδυασμό μεταφορικής κίνησης και στροφικής κίνησης.

Η κίνηση του τροχού αποδεικνύεται πως είναι κυκλική με ταχύτητα u=ωR → ω η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του τροχού και R η ακτίνα του.

Γωνιακή ταχύτητα: Η γωνία σε μοίρες που διαγράφει ένα σημείο της περιφέρειας του τροχού σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα προς το χρονικό αυτό διάστημα. ( ω = Δθ/Δt )

Με άλλα λόγια, υπάρχουν δύο τρόποι με τους οποίους μπορεί να αυξηθεί η ταχύτητα ενός ποδηλάτου: Αυξάνοντας τη γωνιακή ταχύτητα (ω) των τροχών (κάνοντας δηλαδή γρηγορότερα πεντάλ) Αυξάνοντας την ακτίνα τους (R).

Συνέπειες των γυροσκοπικών

δυνάμεων

Ο ρόλος των γυροσκοπικών δυνάμεων στα περισσότερα ποδήλατα είναι να συμβάλλουν στη στροφή της μπροστινής ρόδας προς την επιθυμητή κατεύθυνση. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται προπόρευση.

Όσο πιο αργά περιστρέφεται η ρόδα τόσο πιο εύκολα το ποδήλατο γέρνει προς το πλάι. Συνεπώς οι γυροσκοπικές δυνάμεις δεν παρουσιάζουν καμία αντίσταση στην κλίση.

Σε χαμηλές ταχύτητες η προπόρευση της μπροστινής ρόδας είναι πολύ αργή συμβάλλοντας σε μια ανεξέλεγκτη στροφή ( δεξιά ή αριστερά ) του ποδηλάτου το οποίο θα ξεκινήσει να γέρνει ταλαντευόμενο απ’ τη μία μεριά στην άλλη, με αποτέλεσμα να πέσει.

Σε μεγάλες ταχύτητες η προπόρευση είναι πολύ γρήγορη, κάνοντας τον ποδηλάτη να χάσει τον έλεγχο του τιμονιού εξαιτίας της υπερβολικής ορμής.

Ένα γρήγορο ποδήλατο μπορεί να μοιάζει σταθερό , χωρίς όμως τον απαραίτητο έλεγχο του ποδηλάτη, μπορεί να πέσει. Άλλη μία συνέπεια των γυροσκοπικών δυνάμεων είναι η στροφορμή: η ορμή που αποκτά η ρόδα όταν αυτή στρέφεται. Στρίβοντας αριστερά προκαλείται ορμή στα δεξιά.

Εξωτερικές δυνάμεις

Όπως σε όλα τα σώματα, η βαρύτητα έλκει τον ποδηλάτη και τα μέρη του ποδηλάτου προς τη γη. Σε κάθε σημείο επαφής της ρόδας με τη γη αναπτύσσονται δυνάμεις δράσης-αντίδρασης με οριζόντιες και κάθετες συνιστώσες.

Οι κάθετες συνήθως αντιδρούν στη βαρύτητα, αλλά, επίσης, ποικίλλουν ανάλογα με την επιτάχυνση ή επιβράδυνση.

Οι οριζόντιες συνιστώσες, εξαιτίας της τριβής μεταξύ των ροδών και του δαπέδου, αντιδρούν σε προωθητικές, επιβραδυντικές και στροφικές δυνάμεις.

Αεροδυναμικές δυνάμεις εξαιτίας της ατμόσφαιρας είναι κυρίως ελκτικές αλλά μπορεί να οφείλονται και σε πλευρικούς ανέμους. Σε φυσιολογικές ταχύτητες στο έδαφος, η αεροδυναμική έλξη είναι η μεγαλύτερη δύναμη αντίστασης στην οριζόντια κίνηση. Σε μεγαλύτερες ταχύτητες, η αεροδυναμική έλξη είναι μακράν η μεγαλύτερη δύναμη που αντιστέκεται στην οριζόντια κίνηση.

Οι στροφικές δυνάμεις αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια κινήσεων του ποδηλάτη για ισορροπία και αλλαγή κατεύθυνσης.

Αυτές μπορούν να μεταφραστούν ως κεντρομόλοι (κατά την επιτάχυνση) μεταξύ του ποδηλάτου και του οδηγού ή απλά ως δυνάμεις αδράνειας όταν το σύστημα προσπαθεί να μείνει ακίνητο.

Ροπή αδράνειας

Είναι η τάση που έχει ένα σώμα, να διατηρήσει σταθερή την κινητική του κατάσταση. Όσο πιο μακριά από τη θέση ισορροπίας βρίσκεται το κέντρο βάρους του σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ροπή αδράνειας του, ενώ η ίδια σχέση αναλογίας ισχύει κι ανάμεσα στη ροπή αδράνειας και την ταχύτητα ενός σώματος.

Το κέντρο βάρους είναι απομακρυσμένο από τη σέλα (θέση πιθανής ισορροπίας) με την τοποθέτηση βαριδίων στο τιμόνι → αύξηση της ροπής αδράνειας του σώματος και ευκολότερη διατήρηση της κινητικής του κατάστασης. Έχει αποκτήσει μια αρκετά μεγάλη ταχύτητα, ώστε να έχει μεγαλύτερη ροπή αδράνειας και να διατηρεί ευκολότερα την κινητική του κατάσταση, ακόμα κι όταν κάποιος προσπαθήσει να τη μεταβάλλει.

Έτσι διατυπώνεται και η θεωρία ότι ένα ποδήλατο μπορεί

να είναι σταθερό , δηλ. να μην πέσει , χωρίς την

καθοδήγηση ενός ποδηλάτη, υπό την προϋπόθεση ότι:

Λειτουργία της αλυσίδας του ποδηλάτου

Κίνηση του ποδηλάτου: σύνθετη → στροφική-κυκλική και μεταφορική.

Καθώς ο ποδηλάτης κάνει πεντάλ → η ρόδα κινείται κυκλικά.

Μεταφορά κινητικής ενέργειας μέσω της αλυσίδας στη ρόδα-τριβή εδάφους → προπόρευση.

Επομένως καταλαβαίνουμε ότι η μεταφορική και στροφική κίνηση του ποδηλάτου πρέπει να γίνεται με την ίδια ταχύτητα → ρόλος της αλυσίδας.

Με τον τρόπο που συνδέει τους δύο τροχούς ,όντας

τεντωμένη, φροντίζει να δίνει την ίδια ποσότητα ενέργειας

και στις δύο ρόδες. Για τον παραπάνω λόγο, οι ρόδες έχουν

την ίδια ακτίνα, ώστε να έχουν και την ίδια ταχύτητα.