עדיין, המדע אינו מסוגל לספק תשובה סופית. אבל זה מתקרב…
רוכב על אופניים. זה ממש כמו לרכוב על אופניים, נכון? ובכן, לא אם אתה פרופסור מאוניברסיטת קורנל אנדי רוינה.
הוא, יחד עם המחברים השותפים ג'ים פאפאדופולוס, ארנד שוואב, ג'ודי קואיימן וג'אפ מייג'ארד, כתבו מאמר שכותרתו A Bicycle Can Be Self Stable Without Gyroscopic or Castor Effects שמציע שתנאים שצוינו בעבר ליציבות אינם מספיק להסביר - ואפילו לא נחוצים עבור - את תופעת האופניים היציבים בעצמם.
'זה דבר מדהים שאנשים יכולים להישאר ערים על אופניים בכלל. אבל אחד הדברים הכי מדהימים באופניים הוא שהם יכולים לאזן את עצמם', אומרת Ruina.
אם נותנים את הדוגמה של הסצנה המפורסמת בסרטו של ז'אק טאטי משנת 1949, Jour de Fête, שבו הדוור הפרנסואה רודף אחרי סוס הבורח שלו כשהוא מתפתל ללא רוכבים בכביש כפרי, רואינה וחבריו המדענים התחילו לחקור את החוכמה המקובלת שני תנאים הכרחיים לאופניים שיישארו זקופים היו המומנט הג'ירוסקופי של סיבוב הגלגלים או שובל הקיק של הגלגל הקדמי.
'אתה יכול להחזיק אופניים זקופים רק כשהם זזים', אומרת רוינה. מה שידוע הוא שההיגוי נותן לך איזון. נוכל להראות זאת אם נועלים את ההיגוי על אופניים ללא רוכב, דוחפים אותו קדימה ואז נשחרר אותו. האופניים יפלו במהירות באותו אופן שבו הם נופלים כשהם נייחים.'
Ruina משווה את ההשפעה לאיזון של מטאטא על היד. כאשר המטאטא האנכי מתחיל להישען שמאלה, המאזן מזיז את ידם גם שמאלה, מחזיר את החלק התחתון של המטאטא אל מתחת לחלקו הנופל, ובכך מחזיר את האיזון.אבל להוציא את הרוכב מהמשוואה, למה זה קורה עם אופניים?
'אנשים חושבים באופן טבעי שאם משהו מסתובב מהר הוא הופך לנוקשה בגלל האפקט הג'ירוסקופי, אז כשמסובבים אותו, הוא רוצה להסתובב לכיוון השני. זה הסבר אחד שכיח. השני הוא שאופניים מתנהגים כמו קיק על עגלת קניות.
נקודת יצירת קשר
אנשים מניחים שנקודת המגע האמיתית עם הקרקע של הגלגל הקדמי היא מול ציר ההיגוי בגלל זווית הראש וגריפת המזלג. אבל למעשה הגלגל נוגע ברצפה ממש מאחורי הציר הזה.'
התוצאה היא שכמו קיק שיכול לנוע ב-360° סביב ציר אנכי (דמיין שהאוזניות שלך הן המיסב של הקיק והרכזת שלך היא הציר שלו), הגלגל הקדמי שלך 'עוקב' אחר הכידון שלך. אז כמו עגלת קניות, דחפו את האופניים שלכם קדימה והגלגל הקדמי בהכרח נכנס פנימה ומשתרע מאחורי כיוון הנסיעה.
עם זאת, החישובים של החוקרים הראו שגם השפעת הג'ירוסקופי או הקיק אינה אחראית למעשה לנטייה של האופניים לנווט ולהתייצב.
כדי להוכיח זאת, Ruina והצוות שלו בנו את מה שהם מכנים 'החלקה שתי המונים' (TMS). נראה כמו קטנוע מתקפל, ל-TMS יש את אותם מאפיינים כמו לאופניים - שני גלגלים וחלק מסה קדמי ואחורי המחובר באמצעות ציר (כלומר, האוזניות) - אבל הוא עשוי בצורה כזו שהוא לא נוטה להשפעות ג'ירוסקופיות או קיקיות.
כדי להשיג זאת, שני גלגלים קטנים יוצרים קשר עם הקרקע, כאשר כל אחד מהם עם גלגל נוגע ומסתובב בעל מסה שווה מלמעלה, המבטל כל אפקט ג'ירוסקופי בתנועה מנוגדת (הגלגלים של ה-TMS מתפקדים יותר כמו גלגיליות). ונקודת המגע של הגלגל הקדמי נמצאת לפני ציר ההיגוי, לא מאחור כמו עם קיק.
כאשר נדחפים ומשוחררים, ה'אופניים' חסרי הגלגלים האלה נשארים זקופים, אפילו מתקנים את עצמו כאשר דופקים אותו מהצד.
לכן זה מוכיח שמשהו אחר, מלבד השפעות ג'ירוסקופיות או קיקיות, חייב להיות אחראי לנטייה של אופניים להתייצב על ידי היגוי מתחת לעצמם.כדי להסביר זאת, החוקרים טוענים שחלוקת המסה, במיוחד במכלול ההיגוי, היא המפתח.
בחזרה לדוגמא של המטאטא, Ruina מציעה, 'ל-TMS יש מסה שנמצאת לפני ציר ההיגוי, כמו גם מסה במסגרת. כאשר החלק הקדמי של אופניים נופל, הוא נופל מהר יותר, בדיוק כמו שאם אתה מאזן עיפרון על היד הוא ייפול מהר יותר ממטאטא.
אז המסה הקדמית נופלת מהר יותר מהמסה האחורית, אבל הם מחוברים זה לזה על ידי ציר ההיגוי. כך בניסיון ליפול מהר יותר הקצה הקדמי גורם להיגוי ומחזיר את האופניים מתחת לעצמם.'
Ruina מציינת שזה עדיין לא פותר את שאלת היציבות של האופניים, לא כל שכן כשמדובר באופניים נטולי רוכב. אבל מה שהיא כן עושה זה להעלות שאלות חדשות לגבי איך אנחנו נשארים זקופים על אופניים, מה שעלול לגרום יום אחד לשינויים עיצוביים בסיסיים.
כפי שניסחו זאת החוקרים: 'תוצאות אלו מרמזות שהתהליך האבולוציוני שהוביל לעיצובי אופניים נפוצים בהווה אולי עדיין לא חקר אזורים בעלי פוטנציאל שימושי בחלל העיצוב.' אז הנה.
