Как устроен велосипед

Стоит — падает, едет — держится

Велосипед в покое сам по себе неустойчив: как и одноколёсный, он не удерживает равновесие, пока не движется вперёд. На ходу всё меняется. Опыты и расчёты показали: велосипед остаётся в вертикальном положении, если им управлять так, чтобы центр масс оказывался над колёсами. Руль поворачивает водитель, а в определённых условиях это может делать и сам велосипед^[1].

Первым это понял изобретатель «беговой машины» Карл фон Дрез в начале XIX века: он показал, что можно держать равновесие, поворачивая переднее колесо. А в 1869 году инженер Ранкин повторил, что равновесие удерживают, поворачивая в сторону наклона^[1].

Как это работает на практике

Когда велосипед начинает заваливаться, водитель поворачивает руль в ту же сторону: колёса «догоняют» центр масс и выпрямляют положение. Для езды по кругу нужен наклон, и чем выше скорость и меньше радиус поворота, тем наклон больше. Чтобы начать наклон, обычно делают короткий поворот руля в противоположную сторону: это называется контррулением^[1].

Скорость помогает. На большой скорости достаточно маленького поворота руля, чтобы быстро сместить колёса в сторону, а на малой нужны большие повороты. Поэтому легче держать равновесие на ходу, чем ползти. И у многих велосипедов устойчивость возникает выше определённой скорости: тогда они немного удерживают сами себя^[1].

Гироскоп и «след»: не всё так просто

Чаще всего говорят, что велосипед держится благодаря гироскопическому эффекту вращающихся колёс. Он действительно помогает поворачивать переднее колесо в сторону наклона, но одного его для объяснения недостаточно. В 1970 году Дэвид Джонс написал в журнале Physics Today, что для равновесия гироскоп не нужен. Дело в том, что если добавить колёса, вращающиеся в обратную сторону и гасящие гироскопический эффект, велосипедом по-прежнему легко управлять^[1].

Вторая популярная идея — «след» (trail): расстояние, на которое точка касания переднего колеса находится позади оси поворота руля. Чем он больше, тем «устойчивее» ощущается велосипед, хотя при слишком большом следе его труднее поворачивать. Но и это не главное: в 2011 году Кооймен и соавторы в журнале Science построили модель, которая сама удерживает равновесие и при отрицательном следе, и с компенсацией гироскопа^[1].

Как всё придумали

Первый двухколёсный самокат Карл фон Дрез построил в 1817 году в Карлсруэ и запатентовал в 1818-м. Он называл его «машиной для бега»: деревянная рама, руль, два колеса и никаких педалей^[2]. С 1870-х годов популярным стал «пенни-фартинг» — велосипед с огромным передним колесом и маленьким задним. А первым велосипедом, похожим на современный, считается «Ровер» («Скиталец») англичанина Джона Кемпа Старли: сделан в 1884 году, выпускался с 1885-го, с цепной передачей на заднее колесо и колёсами одинакового размера^[2].

Само слово «велосипед» — французское, от латинских velox («быстрый») и pes («нога»)^[2]. А как ещё железо и физика помогают держаться на ходу, смотрите в статьях про самолёт и парашют.