Какие части велосипеда при прямолинейном движении

Как устроен велосипед

Двухколесный велосипед – удобное, практичное и полезное транспортное средство, которое прочно обосновалось и в городе, и в сельской местности. Помимо прямого назначения, велик широко используется в различных видах спорта. Общая конструкция идентична, если сравнивать простой городской байк, шоссейник или кросс-кантри. Простое устройство велосипеда, однако, не ограничено лишь описанием «колеса, руль, седло, педали» и включает в себя ряд тонкостей. В этой статье подробно остановимся на составных частях байка и поясним назначение каждой из них.

На чем держится велосипед

Строение велосипеда схоже с автомобильным: здесь есть несущая конструкция, на которую крепятся все рабочие узлы. Для легковой машины это кузов, а у велосипеда – рама. Тип рамы во многом определяет назначение, а ее качество отвечает за срок эксплуатации байка.

Рама велосипеда представлена ромбовидным остовом, сваренным из элементов:

• главные передние трубы – верхняя и нижняя (закрытые), изогнутая передняя труба (открытые);
• подседельная труба;
• верхние перья;
• нижние перья.

Передние трубы «сшиваются» между собой в рулевой стакан, нижние труба и перья с подседельной – в кареточный стакан, а перья между собой – в дропауты заднего колеса. По обеим сторонам передние трубы и перья приварены сверху к подседельной трубе.

Относительно подседельной трубы передняя и задняя части представлены двумя неодинаковыми треугольниками, размеры и геометрия которых зависят от типа и назначения велосипеда. Для современного ассортимента существует большое количество вариантов рам, но все они разделяются на классы:

• городские – жесткие, прочные и тяжелые;
• горные – стойкие к нагрузкам, мобильные, прочные;
• шоссейные – легкие;
• спортивные – устойчивые к высоким нагрузкам, прочные, ударостойкие;
• трюковые – используют для BMX-велосипедов.

Устройство горного велосипеда в картинке

Велосипеды делятся на полноразмерные и складные. Первые не имеют складного механизма, и для перевозки в метро, общественном транспорте и багажнике автомобиля их необходимо разбирать. Складные имеют, по крайней мере, один стык, по которому складывается рама. Они более удобны в перевозке и хранении, но уступают полноразмерным по ходовым показателям.

Большое влияние на эксплуатацию велосипеда оказывает материал несущего остова. Современные велосипеды выпускаются на стальных, алюминиевых и карбоновых рамах.

Сталь используют на сити-байках. Материал обладает высокой прочностью и ударостойкостью, а его недостатки – тяжесть и невысокая гибкость, из-за чего рама плохо сглаживает толчки. Все это не лучшим образом сказывается на динамике велосипеда.

Алюминий – легкий, прочный и гибкий материал. По сравнению со стальными аналогами, рамы из него обладают лучшей маневренностью и пассивной амортизацией. Легкость и прочность улучшают динамику и не создают существенного сопротивления движению. Разумеется, стоимость их будет выше.

Самыми дорогими являются рамы на основе углеродного волокна – карбона. Этот материал используется на дорогих моделях шоссейных, горных и спортивных велосипедов. В числе достоинств по сравнению с металлическими конкурентами – долговечность, прочность, ударостойкость и легкость. Плюс к этому велосипеды на карбоне обладают лучшей маневренностью по сравнению с алюминием.

Из чего состоят колеса

Велосипедные колеса – прочные и легкие конструкции, которые дают движение и за счет вращения удерживают раму в вертикальном положении. Традиционно велосипед имеет задний привод, то есть заднее колесо – толкающее, а переднее – ведомое и отвечает за управление.

На рисунке показано, из чего состоит классическое велоколесо. Устройство простое и почти не изменилось со времен своего основания.

Схема велосипедного колеса

Втулка – центральная часть, состоит из оси, подшипников и шайб. Основное назначение – задание и удержание крутящего момента. На задние втулки закрепляются трансмиссионные звездочки. Внутреннее устройство сложнее, чем у передних, так как втулка участвует непосредственно в раскручивании колеса. На дорожных моделях, помимо этого, в задние втулки интегрирован тормозной механизм. Планетарные задние втулки имеют скрытый механизм переключения скоростей.

Обод – круглое кольцо, которое закрепляется к втулке через спицы. Геометрия обода в сочетании с натяжением спиц определяет устойчивость колеса к повреждениям и динамическим нагрузкам. Ободья для велосипедных колес изготавливают из алюминия, спицы – из легких сплавов с хромовым напылением. Традиционно головки-регуляторы натяжения спиц находятся у ободьев, но существуют и «перевертыши», которые настраиваются на втулке.

Шины состоят из камеры и покрышки. Камера – полое резиновое изделие, которое накачивается воздухом до нужного давления. С «внешним миром» она связана ниппелем, через него воздух закачивается внутрь шины. Неплохо также узнать, какими бывают велониппели и чем они различаются. Для защиты камеры от остриев головок спиц поверх внутренней части обода накладывается резиновый флиппер.

Покрышка – внешняя часть шины и состоит из бортов, боковин и контактной части – протектора. В зависимости от предназначения велосипеда, устанавливаются различные типы покрышек:

• слики, полуслики – на шоссейники, для ровных дорог;
• дорожные – шины со средним рисунком протектора;
• агрессивные – покрышки с выраженным рисунком, для горных велосипедов;
• гибридные: могут использоваться и на ровном покрытии, и в бездорожье (но уступают по проходимости агрессивным).

Видимость колеса в темноте в лучах света дает катафот – оранжевая вставка на спицы. В связи с требованиями по безопасности движения катафотами оснащаются колеса всех велосипедов.

Система управления и амортизация

К основному элементу устройства велосипеда относится рулевой узел. Он включает в себя несколько составляющих:

• вилка;
• рулевая колонна;
• вынос;
• рулевая деталь.

Велосипедная вилка служит соединительным узлом для руля и переднего колеса. Устанавливается в передний стакан рамы при помощи штока. Руль вставляется непосредственно внутрь вилки, а колесо закрепляется на ушках ног – дропаутах.

Строение вилки велосипеда: амортизационная (слева) и жесткая (справа)

Для того чтобы вилка могла свободно вращаться при поворотах, внутри стакана устанавливается рулевая колонка. Она состоит из верхней и нижней чашек, подшипников и фиксирующих колец. Чашки могут быть запрессованы или накручиваться на внутреннюю резьбу стакана (на дорогих профессиональных моделях). Подшипники делятся на закрытые промышленные и насыпные шариковые. Кольца надеваются на шток вилки, который фиксируется в рулевой колонке.

Руль велосипеда состоит из горизонтальной изогнутой трубы и вертикального штока. По форме рули разделяют на:

• прямые (для МТБ и гибридов);
• изогнутые вверх (дорожные);
• изогнутые вниз;
• бараны (на шоссейники).

Вертикальный шток руля имеет на конце разводник, который фиксирует трубу в вилке при закручивании гайки.

Вынос – деталь, которая определяет расстояние руля от рамы и крепится к регулировочной трубе. На разных моделях ставятся жесткие и регулируемые выносы. Простые велосипеды дорожного типа выносом не оснащаются. Удаленность руля влияет на посадку: чем он дальше, тем больше велосипедист принимает горизонтальное положение.

Седло зафиксировано в центральной трубе рамы подседельным штырем. Регулировка высоты позволит подобрать оптимальную посадку. Ширина седел различается в зависимости от типа велосипеда: на дорожных моделях они шире, чем у МТБ и шоссейных. Седла могут различаться по форме и длине. Снизу они подпружинены или оснащаются демпферами.

Амортизация – способность гасить колебания и смягчать ударные нагрузки. Традиционно амортизационная система находится в передней вилке, а такие велосипеды носят название хардтейлов.

Амортизация состоит из пружины и демпфера. В зависимости от используемых компонентов, вилки разделяются на несколько типов (пружина/демпфер):

• пружинные (без демпфера);
• пружинно-эластомерные;
• пружинно-масляные;
• воздушно-масляные.

Регулировка параметров вилки: длина хода (Preload), скорость отбоя (Rebound) и блокировка. Вилки без амортизации называются жесткими и ставятся на шоссейные и дорожные модели.

В дополнение к стандартной амортизации, на горные велосипеды устанавливают задний амортизатор, который сглаживает колебания рамы. Велосипеды с двумя амортизаторами называются двухподвесами.

Устройство трансмиссии и велосипедных тормозов

Трансмиссия – это то, без чего велосипед не поедет. Достаточно сложный узел, в его состав входит большая часть механизмов:

• каретка;
• ведущие звезды;
• шатуны и педали;
• цепь;
• задние звезды;
• переключатели скоростей и монетки.

Кареточный узел расположен в нижнем стакане рамы, служит соединительным узлом для шатунной пары и передних звезд. Каретка обеспечивает свободное вращение без проворачивания за счет фиксированных подшипников и сквозной оси на них. Разделяется на два типа: с открытыми подшипниками и картриджная, где весь механизм скрыт внутри корпуса.

Шатуны – детали для соединения каретки с педалями. Могут иметь два варианта крепления: шлицевое и квадратное. Двусоставные, или парные, шатуны идут комплектом с передней звездой (звездами на скоростные модели), закрепленными на правом шатуне.

Парные шатуны с креплением на квадрат

Педали – опоры для ног, через которые усилия передаются на шатуны, каретку и передние звезды. В зависимости от сферы применения различают несколько видов:

• классические, или платформы – ставятся на велосипеды начального уровня, можно использовать любую обувь, зацепление за педали за счет сил трения;
• контактные – со специальные вставками, предназначены только для велообуви, улучшенное сцепление поверхностей;
• экстремальные – для спортивного велосипеда, широкая поверхность, толщина, вставки-фиксаторы;
• педали с ремешками;
• педали-мини.

Задние трансмиссионные звезды скоростного велосипеда крепятся к втулке заднего колеса. На одну переднюю звезду приходится 2-3 задние. Маленькие звезды отвечают за высокие, а большие звезды – за низкие передачи.

Соединительным звеном между передними и задними звездами служит цепь: на велосипеде используется блочная модель Галля. Переброс цепи осуществляется с помощью переключателей, которые управляются манетками на руле. Манетки делятся на два типа – барабанные и рычажные. С переключателями их соединяют приводные тросы.

На синглспиде отсутствуют переключатели, передняя и задняя звезда в единственном экземпляре, цепь короче.

Тормоза – самая важная система, без которой велосипед выкатывать строго запрещено. Современные тормозные системы для велосипедов различных классов:

• ободные – клещи, V-brake;
• дисковые;
• барабанно-втулочные.

Ободные тормоза представляют собой зажимные устройства с колодками, воздействуют на ободья колес, замедляя их вращение. Клещевые модели имеют одно крепление, за счет движения рычага скобы сближаются, а при ослаблении раздвигаются обратно. Клещи ставятся на место закрепления крыльев. Используются как дополнительные тормоза на синглспидах и на шоссейных велосипедах.

V-brake работает по такому же принципу, но скобы находятся в закрепленном состоянии: к вилке для переднего, к перьям – для заднего тормоза. V-brake обладают большей точностью и силой торможения по сравнению с клещевыми.

Дисковый тормоз состоит из закрепленного на втулку диска (тормозная поверхность), калипера и привода – рычага и тросика. На калиперах закрепляются тормозные колодки, которые прижимаются к диску при нажатии ручки. Точность дисков выше, чем у V-brake благодаря большей поверхности торможения, меньшему ходу колодки и независимости от геометрии обода. По типу привода дисковые тормоза делят на механические и гидравлические.

Барабанно-втулочные тормоза порядком устарели, но продолжают активно устанавливаться на дорожные модели. Барабан спрятан в задней втулке и приводится в соприкосновение с колодками нажатием педалей назад. Чтобы втулка не прокручивалась, встроен специальный стопорный механизм. Эффективность торможения низкая в сравнении с ободными и дисковыми аналогами, но для односкоростных дорожников лучшего варианта не придумать.

Заключение

Велосипед – довольно обширный механизм, и состоит из большого количества узлов. При эксплуатации важным показателем является исправное состояние каждого из них. Теперь, когда знаем, как устроен велосипед, можно заниматься диагностикой, ремонтом и обслуживанием запчастей.

Подробно об устройстве велосипеда

Нет таких людей, которые не любили бы кататься на велосипеде. Но есть и такие, для которых путешествие на этом виде транспорта, является частью жизни. Сегодня велосипед – больше хобби, хотя еще не так давно ими были переполнены городские улицы. Те, кто заинтересовался этим мобильным устройством, должны знать: какие модели выпускают, для чего предназначена каждая из них, и из каких частей он состоит, т.е. устройство велосипеда.

Знание устройства велосипеда поможет самостоятельно справиться с несложной поломкой, даже модернизировать «железного коня», да и просто нужно для общего развития.

Устройство велосипеда, или из каких деталей он состоит

Деталей механизмов много:

• рама, состоит которая из головной, верхней и средней трубок;
• подседельная трубка и штырь подседельный;
• седло;
• руль;
• вынос руля;
• рулевая колонка и грипсы;
• тормозная рукоятка;
• переднее колесо и тормоз;
• вилка передняя, втулка и фиксатор тормоза;
• задние колесо и тормоз;
• комплект звездочек втулки задней и гайка крепления колеса;
• задние переключатель и перо вилки;
• торса переключателя передач;
• обод;
• шины и спицы;
• переключатель передний:
• звездочка ведущая;
• вентиль;
• шатуны;
• каретка;
• цепь и педали.

Подробно об устройстве велосипедной рамы

Говоря об устройстве велосипеда, правильно начать с рамы — главного элемента и основы транспортного средства. По конструкции она бывает закрытого типа или открытого. Закрытый — классика: в нем прямая верхняя труба. В открытом варианте она изогнута и расположена внизу. Раму такую придумали специально для женщин. Разные производители видоизменяют рамы, подгоняя их под конкретную модель.

О трубе подседельной

В далекие времена труба играла в устройстве мобильного средства передвижения основную роль: от ее размера отталкивались, выбирая транспортное средство. Позже критерием выбора стала верхняя рама, без которой транспортное устройство не может существовать.

Не относится к главному элементу и подседельный штырь – еще один элемент, устройства байка, предназначенный для настройки под рост конкретного человека велосипедного седла.

Седло – важный элемент в устройстве велосипеда

Седло подразумевает частичную нагрузку, т.е. человек не садится на него полностью, как на сидение. Во время езды масса велосипедиста равномерно распределяется на седло, педали и руль. У всех моделей эта деталь практически одинакова (разве что, в женских вариантах оно может быть шире). Чтобы не испытывать дискомфорт во время поездок, не рекомендуются большие перерывы. Если же такое случилось, по разным причинам, велопрогулки начать нужно с минимального времени, которое постепенно увеличивают до привычного. Чтобы не чувствовать боли после катания, седло «покрывают» специальными накладками, выпускать которые начали в последние годы.

Руль, как часть устройства велосипеда

Устройство руля следующее: элемент, соединяющий рулевой штырь с трубкой руля, называется выносом руля. Различают нерегулируемый вынос и регулируемый. От этого элемента зависит многое, поэтому низкого качества он не может быть. Помимо технических моментов, на которых отражается неправильно выбранный вынос руля, это негативно воспринимается райдером, который быстро устает во время поездок на велосипеде.

Устройство колонки рулевой

Она вращает в головной раме велосипедную вилку, а устройство ее такое: две чаши — нижняя и верхняя, пара подшипников и упорные кольца. По конструкции различают резьбовые и безрезьбовые рулевые колонки. Несмотря на то, что первый тип давно устарел, его продолжают использовать отдельные производители. Модели такие стоят недорого и не являются надежными. Резьба нарезана на вставляемой вилке и чашке верхней. Для крепления вилки сверху на нее накручивают прижимную чашку. Всю эту конструкцию фиксируют контргайками. Без разводного ключа разобрать ее не получится.

Современные безрезьбовые колонки установлены на многих моделях байков. Их устройство позволяет легко вставить вилку в трубу рулевой рамы и зафиксировать. Разобрать и собрать узел — важный элемент устройства велосипеда, можно, используя стандартный набор велосипедных ключей.

Что представляют собой грипсы

Это насадки на руль велосипеда, важные для комфортной езды райдера а, кроме этого, повышающиеся безопасность. Изготавливают их из пластика, кожи, пены, геля.

Зачем нужна рукоятка тормозного привода и ее устройство

Ей в устройстве байков отводится важнейшая роль — торможение. С тормозным рычагом она соединяется специальным стальным тросиком, который прижимается к корпусу велосипеда фиксатором.

Что полезно знать о колесах

Диаметр колес в современных велосипедах одинаков, для детских конструкций они имеют разные размеры, чтобы можно было легко управлять велосипедом детям разного возраста. Минимальный размер колес велосипедов детских – 14 дюймов. С 24 дюймов начинаются модели подростковые. Для велосипедов горных размер составляет 26 дюймов. Эти велосипеды отличаются жесткостью, необходимой при езде по неровным поверхностям. Самыми большими считаются 28-дюймовое, которыми оборудуют гибридные и шоссейные велосипеды, развивающие большие скорости. В последнее время выпускают 29-дюймовые колеса, спрос на которые возрастает.

Ведущим является заднее колесо, а рулевым — переднее.

К ним предъявляются определенные требования.

Колеса должны быть:

• легкими, прочными;
• сбалансированными;
• выдерживать удары и неровности покрытия.

Устройство втулки велосипедной

В устройстве велосипеда ей отведена центральная часть колеса. Втулка вращается вокруг неподвижной оси подшипников, которые бывают закрытыми и разборными. Для крепления спиц к ободу, на втулках делают фланцы. Если втулка для переднего колеса, у нее предусмотрены крепления для тормозного барабана и тормоза дискового. Задние планетарные втулки обычно ассиметричные. В середине у них установлена система переключения передач.

Материал, из которого изготавливаются оси втулок: сталь, алюминий и титан.

Различают их по следующим признакам:

• прочности;
• устойчивости к внешним воздействиям;
• типу подшипников;
• наличию специальных устройств.

Втулка соединяется с ободом с помощью спиц, основное назначение которых – обеспечение жесткости, прочности и амортизации. У спиц имеется резьба с одной стороны, другой конец заканчивается загнутым кольцом. К ободу крепятся они при помощи ниппеля.

Чтобы эта деталь устройства велосипеда не поддавались коррозии и отличались продолжительным сроком службы, ее изготавливают из стали нержавеющей. Более высокое качество у спиц из титана. Хуже себя зарекомендовали оцинкованные, хромированные и спицы из углепластика. Они хрупкие, следовательно, опасные.

Прочность спиц зависит от нанесенной резьбы, которая бывает накатанной и нарезной. Для первой характерно то, что диаметр вершины резьбы больше, чем у стержня. В этом случае тело спицы прочнее. Велосипеды с такими спицами стоят дорого, поскольку накатка – дорогостоящий процесс.

Назначение обода

Прочность колеса велосипеда зависит от обода, поэтому он должен соответствовать характеристикам, перечисленным ниже:

• быть легким;
• прочным;
• эстетичным;
• обеспечивать крепление достаточного количества спиц.

Если на этом транспортном средстве установлены тормоза ободные, то для них присутствует ободная дорожка. Если такой нет, то тормоза стоят дисковые. На обод приходятся мощные удары, поэтому при низком качестве обода, тормозные дорожки протираются, появляются трещины и «восьмерки». Чтобы этого избежать, обращайте внимание на качество и конструкцию этой составляющей устройства велосипеда при покупке. Среди всех видов, надежными, райдеры считают обода, изготовленные из алюминия. Хотя выпускаются и пластиковые, стальные, карбоновые.

Что важно знать о шинах

Покрышки накачивают воздухом. И сделать это можно по-разному, т.е. есть возможность регулировки жесткость шин. Различаются покрышки рисунком и размером, зависящим от диаметра колеса. Рисунок же выбирают, исходя из типа покрытия дорог, по которым предполагается ездить. Для твердого покрытия подойдут узкие покрышки без рисунка. Шины большей ширины, называемые «грязевыми» подойдут для мягкой почвы. Покрышки с выраженным рисунком предпочтительны для катания по неровным поверхностям.

Еще один тип покрышек представляет нечто среднее. В них грунтозацепы расположены по краям, поэтому не мешают передвигаться по асфальту и по почвам мягким.

Трансмиссия

Задача трансмиссии — передавать колесу усилие ног. При выборе транспортного средства внимание обращайте на качество шатунов, каретки и звездочек.

Как выбрать качественную цепь

О качестве цепи судить можно по внешнему виду, поэтому при покупке на него нужно обращать внимание. О низком качестве свидетельствует желтый отлив и черные боковые пластины. К цепям среднего качества относятся никелированные цепи. К высоконадежным относят цепи серого цвета матовые. Это устройство требует периодической смазки, подтяжки, замены, промывки

Педали

Выбирают их индивидуально, согласно предпочтениям. Если этот элемент, установленный на байке, не нравится, заменить его не составит проблем.

Физика велосипеда

Двухколесный велосипед при движении не падает, потому что тот, кто на нём едет постоянно поддерживает равновесие. Площадь опоры велосипеда небольшая – это прямая, которая проведена через точки касания колёс велосипеда с землёй. Поэтому велосипед находится в состоянии динамического равновесия.

Достигается это при помощи подруливания: при наклоне велосипеда, человек поворачивает руль в ту же сторону. После этого велосипед поворачивает, при этом центробежная сила возвращает велосипед в начальное вертикальное положение. Процесс подруливания, чтобы удержать равновесие происходит непрерывно, поэтому движение велосипеда не прямолинейное. Если руль зафиксировать, то велосипед упадёт.

Существует зависимость скорости и центробежной силы. Чем выше скорость, тем большее значение у центробежной силы и соответственно меньше необходимо отклонять руль для поддержания равновесия.

Чтобы повернуть, необходимо наклонить велосипед в сторону так, чтобы сумма центробежной силы и силы тяжести проходила через линию опоры колёс. Если это не так, то центробежная сила опрокинет велосипед в другую сторону. Для облегчения поддержания равновесия конструкция рулевого управления велосипеда имеет свои особенности. Ось рулевой колонки наклонена назад, а не расположена вертикально. Она проходит ниже оси вращения колеса и впереди точки, где колесо велосипеда касается земли. Благодаря такому виду конструкции достигаются цели:

Устойчивость велосипеда при торможении

Во время торможения при езде на велосипеде, главное сохранять равновесие. Торможение не менее важный момент, чем сама езда, а скорей всего самый важный, потому что от этого зависит здоровье велосипедиста. Если знать теорию поведения велосипеда в момент торможения можно намного уменьшить количество синяков и шишек (к сожалению без этого всё равно не обойтись).

С определением всё понятно. В энциклопедиях написано, что “тормозить – это замедлять движение с помощью тормоза”. Но ведь вся штука заключается в том, что обычно всех не очень интересует чем замедлять (хотя и об этом надо бы упомянуть), Обычно всех интересует, как замедлять движение (давишь на рычаг и всё), а не чем его замедлять в определённой конкретной ситуации на дороге.

Можно попытаться расписать много теоретических советов на все возможные ситуации на дороге, но всегда есть исключения из правил и рано или поздно велосипедист оказывается в той ситуации, когда рекомендаций не хватает. Самое главное, чтобы торможение при езде на велосипеде было доведено до автоматизма, ведь в экстренных случаях размышлять как сделать правильно и вспоминать теорию просто нет времени.

Принять правильное решение помогает интуиция, но также надо знать некоторые теоретические правила поведения велосипеда в момент торможения.

Накат велосипеда

Накат велосипеда зависит от различных факторов: характеристик рамы, амортизаторов, диаметра колеса, покрышек, давления в камерах, общего веса велосипеда и многих других. Накат нельзя измерить цифрами. Опытные велосипедисты могут его прочувствовать и оценить. Для любителей разница особенно видна, если они меняют например недорогой велосипед на более дорогой и высококачественный.

Рама. Есть выражение “накатистая рама”. Но, ощутить разницу между “ненакатистой” и “накатистой” рамой очень сложно, потому что явно заметные особенности характерны только очень дорогим моделям. Рамы, изготовленные из дорогих материалов, имеют свойство поглощать толчки и вибрации. Более удлиненные конструкции рам помогают велосипедисту занять на велосипеде более аэродинамичную посадку, что позитивно влияет на накат. Но, на обычном велосипеде накат от рамы зависит не так значительно, как от других компонентов.

Размер колёс. Один из главных определяющих факторов, влияющих на накат велосипеда. Колёса больших размеров на 28 или 29 дюймов проходят расстояние быстрее, чем 26 дюймовые, поэтому велосипед с ними более накатистый. Популярные сейчас найнеры, с 29 дюймовыми колёсами обладают этим качеством.

Протектор покрышки. Лучше всего катится гладкая узкая резина без протектора. Хуже всего широкая агрессивная покрышка с высоким рисунком протектора.

Физические силы, действующие при езде на велосипеде

Так как классический велосипед имеет два колеса, то велосипедисту для того, чтобы он ехал, постоянно необходимо поддерживать равновесие и преодолевать различные силы, которые возникают в процессе движения. То, что конструкция велосипеда несложная, это не значит, что всё так просто. Физические силы, действующие при езде на велосипеде основаны на фундаментальных законах науки. Рассмотрим основные силы, которые действуют при езде на велосипеде.

1. Сила тяжести (гравитация). Гравитация – одно из четырёх фундаментальных явлений в природе. Объясняется законом Ньютона. Сила, с которой она действует, прямо пропорциональна массе тела велосипедиста. Чем больше вес велосипедиста, тем сильней сила гравитации. Она действует на велосипедиста и компоненты велосипеда перпендикулярно к поверхности земли. Сила её действия возрастает при подъёме на велосипеде в гору и соответственно уменьшается при спуске.

2. Сила сопротивления воздуха. Аэродинамические силы, действующие на велосипедиста в основном складываются из сопротивления воздуха и встречного или бокового ветра. При средней скорости и движении по ровной поверхности аэродинамическое сопротивление является наибольшей силой, которая препятствует движению вперёд. При дальнейшем увеличении скорости, аэродинамическое сопротивление становится подавляющим, и своей величиной намного превосходит все остальные силы, которые препятствуют движению вперёд.

Аэродинамические тесты в велоспорте

Когда усовершенствование технических характеристик велосипеда достигло определённого предела и разницы в показателях отдельных компонентов различных производителей практически не стало, обратили внимание на сопротивление воздуха, которое велосипедист преодолевает при езде. Этот показатель имел внушительное цифровое значение, поэтому здесь было над чем поработать.

Как в самолётостроении и автомобильной промышленности для тестов, как встречный поток воздуха действует на велосипедиста используют аэродинамическую трубу. Это дорогостоящее устройство помогает определить взаимодействие объекта (велосипедиста) с потоком вохдуха, а также определить действующую силу в численном значении. Во время тестов определяется оптимальная посадка велосипедиста, а также коэффициент сопротивления встречному потоку воздуха отдельных частей велосипеда и экипировки спортсмена.

Конструкция аэродинамической трубы представляет собой комнату, с одной стороны которой установлены вентиляторы большой производительности, они и создают поток воздуха, имитирующий встречный ветер, скорость которого регулируется изменением мощьности электродвигателей, вращающих лопасти вентилятора

Долговечность рамы велосипеда

В процессе эксплуатации велосипеда на раму действуют нагрузки, которые многократно повторяются. Эти циклические нагрузки возникают от неровностей дорожного полотна: ямы, кочки, выбоины в асфальте и др. Когда в различных конструкциях начали использовать алюминиевые сплавы (особенно в авиации и космонавтике), то проведённые исследования показали, что однократная нагрузка не вызывает деформаций и разрушения материала, но определённое количество циклов нагрузок в материале конструкций вызывало деформацию, трещины и последующее за этим разрушение. Это явление характеризуется термином “усталостное разрушение“. Количество циклов нагружения, которое приводит к разрушению назвали “усталостной долговечностью“.

Те же исследования показывали, что наличие трещин, вмятин, отверстий, сварных швов в наиболее нагруженных местах конструкции снижает долговечность самой конструкции на порядок. Такая тенденция называется “локальная концентрация напряжения“. Даже небольшое отверстие в конструкции способствует увеличению напряжения рядом с собой как минимум в 2 раза, а царапина достаточной глубины в 5-6 раз. Трещина повышает локальное напряжение до предела текучести и поэтому планомерно увеличивается с возрастающей скоростью.

Равномерное прямолинейное движение

Равномерное прямолинейное движение — это такое движение, при котором тело совершает за любые равные промежутки времени равные перемещения.

Скорость при прямолинейном равномерном движении

Если тело движется равномерно и прямолинейно, его скорость остается постоянной как по модулю, так и по направлению. Ускорение при этом равно нулю.

Векторный способ записи скорости при равномерном прямолинейном движении: s — вектор перемещения, ΔR— изменение радиус-вектора, t — время, а ∆t — его изменение. Проекция скорости на ось ОХ: />s_x — проекция перемещения на ось ОХ, ∆x — изменение координаты точки (ее абсциссы). Знак модуля скорости зависит от направления вектора скорости и оси координат:

Основная единица измерения скорости — 1 метр в секунду. Сокращенно — 1 м/с.

• 1 км/ч (километр в час) = 1000 м/3600 с.
• 1 км/мин (километр в минуту) = 1000 м/60 с.
• 1 км/с (километр в секунду) = 1000 м/с.
• 1 м/мин (метр в минуту) = 1 м/60 с.
• 1 см/с (сантиметр в секунду) = 0,01 м/с.

Спидометр — прибор для измерения модули скорости тела.

График зависимости скорости от времени представляет собой прямую линию, перпендикулярную оси скорости и параллельную оси времени. Выглядит он так:

• Если график скорости лежит выше оси времени, тело движется в направлении оси ОХ.
• Если график скорости лежит ниже оси времени, тело движется против оси ОХ.
• Если график скорости совпадает с осью времени, тело покоится.

Чтобы сравнить модули скоростей на графике, нужно оценить их удаленность от оси времени. Чем дальше график от оси, тем больше модуль.

Пример №1. Найти модуль скорости и направление движения тела относительно оси ОХ. Выразить скорость в км/ч.

График скорости пересекает ось в точке со значением 10. Единица измерения — м/с. Поэтому модуль скорости равен 10 м/с. График лежит выше оси времени. Это значит, что тело движется по направлению оси ОХ. Чтобы выразить скорость в км/ч, нужно перевести 10 м в километры и 1 с в часы:

Теперь нужно разделить километры на часы: />

Перемещение и координаты тела при равномерном прямолинейном движении

Геометрический смысл перемещения заключается в том, что его модуль равен площади фигуры, ограниченной графиком скорости, осями скорости и времени, а также линией, проведенной перпендикулярно оси времени.

При прямолинейном равномерном движении эта фигура представляет собой прямоугольник. Поэтому модуль перемещения вычисляется по следующей формуле:

Вектор перемещения равен произведению вектора скорости на время движения: Внимание!

При равномерном прямолинейном движении путь и перемещение совпадают. Поэтому путь, пройденный телом, можно найти по этим же формулам.

Формула проекции перемещения:

График проекции перемещения

График проекции перемещения показывает зависимость этой проекции от времени. При прямолинейном равномерном движении он представляет собой луч, исходящий из начала координат. Выглядит он так:

• Если луч лежит выше оси времени, тело движется в направлении оси ОХ.
• Если луч лежит ниже оси времени, тело движется против оси ОХ.
• Если луч совпадает с этой осью, тело покоится.

Чтобы по графику проекции перемещения сравнить модули скоростей, нужно сравнить углы их наклона к оси s_x.Чем меньше угол, тем больше модуль. Согласно рисунку выше, модули скорости тел, которым соответствуют графики 1 и 3, равны. Они превосходят модуль скорости тела 2, так как их угол наклона к оси s_x меньше.

График координаты

График координаты представляет собой график зависимости координаты от времени. Выглядит он так:

Так как график координаты представляет собой график линейной функции, уравнение координаты принимает вид: />

• Если с течением времени координата увеличивается (график идет снизу вверх), тело движется в направлении оси ОХ. На картинке выше этому соответствуют графики тел 1 и 2.
• Если с течением времени координата уменьшается (график идет сверху вниз), тело движется противоположно направлению оси ОХ. На картинке выше этому соответствует график тела 3.
• Если координата не изменяется, тело покоится.

Чтобы сравнить модули скоростей тел по графику координат, нужно сравнить углы наклона графика к оси координат. Чем меньше угол, тем больше модуль скорости. На картинке выше наибольший модуль скорости соответствует графику 1. У графиков 2 и 3 модули равны.

Чтобы по графику координат найти время встречи двух тел, нужно из точки пересечения их графиков провести перпендикуляр к оси времени.

Пример №2. График зависимости координаты тела от времени имеет вид:

Изучите график и на его основании выберите два верных утверждения:

1. На участке 1 скорость тела постоянна, а на участке 2 равна нулю.
2. Проекция ускорения тела на участке 1 положительна, а на участке 2 — отрицательна.
3. На участке 1 тело движется равномерно, а на участке 2 оно покоится.
4. На участке 1 тело движется равноускорено, а на участке 2 оно движется равномерно.
5. Проекция ускорения тела на участке 1 отрицательна, а на участке 2 — положительна.

На участке 1 координата растет, и ее график представляет собой прямую. Это значит, что на этом участке тело движется равномерно (с постоянной скоростью). На участке 2 координата с течением времени не меняется, что говорит о том, что тело покоится. Исходя из этого, верными утверждениями являются номера 1 и 3.

Пример №3. На рисунке изображен график движения автомобиля из пункта А (х=0 км) в пункт В (х=30 км). Чему равна минимальная скорость автомобиля на всем пути движения туда и обратно?

Согласно графику, с начала движения до прибытия автомобиля в пункт 2 прошло 0,5 часа. А с начала движения до возвращения в пункт А прошло 1,5 часа. Поэтому время, в течение которого тело возвращалось из пункта В в пункт А, равно:

Туда и обратно автомобиль проходил равные пути, каждый из которых равен 30 км. Поэтому скорость во время движения от А к В равна:

Скорость во время движения от В к А равна:

Минимальная скорость автомобиля на всем пути движения составляет 30 км/ч.

На рисунке представлены графики зависимости пройденного пути от времени для двух тел. Скорость второго тела v₂ больше скорости первого тела v₁ в n раз, где n равно…

Алгоритм решения

1. Выбрать любой временной интервал.
2. Выбрать для временного интервала начальные и конечные пути для каждого из графиков.
3. Записать формулу скорости и вычислить ее для 1 и 2 тела.
4. Найти n — отношение скорости второго тела к скорости первого тела

Решение

Рассмотрим графики во временном интервале от 0 до 4 с. Ему соответствуют следующие данные:

• Для графика 1: начальный путь s₁₀ = 0 м. Конечный путь равен s₁ = 80 м.
• Для графика 2: начальный путь s₂₀ = 0 м. Конечный путь равен s₂ = 120 м.

Скорость определяется формулой:

Так как начальный момент времени и скорость для обоих тел нулевые, формула примет вид:

Скорость первого тела:

Скорость второго тела:

Отношение скорости второго тела к скорости первого тела:

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

На рисунке приведён график зависимости координаты тела от времени при прямолинейном движении тела по оси Ox.

Какой из графиков соответствует зависимости от времени для проекции υ _x скорости этого тела на ось Ox ?

Алгоритм решения

1. Записать уравнение координаты при равномерном прямолинейном движении.
2. Выразить из уравнения проекцию скорости.
3. Определить начальную и конечную координаты, а также время, в течение которого двигалось тело.
4. Вычислить проекцию скорости.
5. Выбрать соответствующий график.

Уравнение координаты при равномерном прямолинейном движении имеет вид:

Отсюда проекция скорости равна:

Начальная координата x_o = 10 м, конечная x = –10 м. Общее время, в течение которого двигалось тело, равно 40 с.

Вычисляем проекцию скорости:

Этому значению соответствует график «в».

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF18831 На рисунке представлен график зависимости модуля скорости υ автомобиля от времени t. Определите по графику путь, пройденный автомобилем в интервале времени от t ₁ = 20 с до t ₂ = 50 с.

Алгоритм решения

1. Охарактеризовать движение тела на различных участках графика.
2. Выделить участки движения, над которыми нужно работать по условию задачи.
3. Записать исходные данные.
4. Записать формулу определения искомой величины.
5. Произвести вычисления.

Решение

Весь график можно поделить на 3 участка:

1. От t₁ = 0 c до t₂ = 10 с. В это время тело двигалось равноускоренно (с положительным ускорением).
2. От t₁ = 10 c до t₂ = 30 с. В это время тело двигалось равномерно (с нулевым ускорением).
3. От t₁ = 30 c до t₂ = 50 с. В это время тело двигалось равнозамедленно (с отрицательным ускорением).

По условию задачи нужно найти путь, пройденный автомобилем в интервале времени от t₁ = 20 c до t₂ = 50 с. Этому времени соответствуют два участка:

1. От t₁ = 20 c до t₂ = 30 с — с равномерным движением.
2. От t₁ = 30 c до t₂ = 50 с — с равнозамедленным движением.

• Для первого участка. Начальный момент времени t₁ = 20 c. Конечный момент времени t₂ = 30 с. Скорость (определяем по графику) — 10 м/с.
• Для второго участка. Начальный момент времени t₁ = 30 c. Конечный момент времени t₂ = 50 с. Скорость определяем по графику. Начальная скорость — 10 м/с, конечная — 0 м/с.

Записываем формулу искомой величины:

s₁ — путь тела, пройденный на первом участке, s₂ — путь тела, пройденный на втором участке.

s₁ и s₂ можно выразить через формулы пути для равномерного и равноускоренного движения соответственно:

Теперь рассчитаем пути s₁ и s₂, а затем сложим их:

Источники:

https://velofans.ru/novichkam/kak-ustroen-velosiped
https://motocarrello.ru/znakomstvo/1310-ustrojstvo-velosipeda.html
https://velomasterclass.ru/fizika-velosipeda/
https://spadilo.ru/ravnomernoe-pryamolinejnoe-dvizhenie/