קורס טכני דורש מיומנויות טובות בסיבוב פניות. אבל, לפי הפיזיקה, עד כמה אתה יכול להטות את האופניים שלך לפני שתעלה על הסיפון?
מדענים מתלבטים מה גורם לאיזון אופניים מאז הימים של זקנה. מומחים רבים הציעו שהחישוקים המסתובבים האלה גורמים לאופניים להתנהג כמו גירוסקופ, אבל זה לא כל כך פשוט. קבוצה של מהנדסים מאוניברסיטת נוטינגהאם זיהתה 25 משתנים נפרדים המשפיעים על תנועת האופניים, בציינו כי, נראה כי הסבר פשוט אינו אפשרי מכיוון שהרזון וההיגוי מחוברים על ידי שילוב של השפעות, כולל קדנציה ג'ירוסקופית, כוחות תגובת קרקע לרוחב. בגלגל הקדמי, נקודת מגע עם הקרקע הנגררת מאחורי ציר ההיגוי, כוח הכבידה ותגובות האינרציה…'
מה שידוע הוא שכל עוד אופניים נעים במהירות של כ-14 קמ ש (9 מייל לשעה), הם יכולים להישאר זקופים ללא נוכחות של רוכב. אבל שוב, מדענים לא יכולים להסביר למה.
על רקע זה, זרקו את הממד הנוסף של עיקול וחישוב הזווית שתוכלו להישען תוך כדי פניות לפני שאתם פוגעים באספלט, ברור שזה עניין מורכב. בתנאים הנכונים אפשר לראות זוויות של 45°, אבל איך נגיע לנקודה הזו?
'אנחנו יודעים שיש שלושה כוחות אמיתיים שפועלים על האופניים והרוכב', אומר רט אליין, רוכב אופניים נלהב ופרופסור חבר לפיזיקה באוניברסיטת דרום-מזרח לואיזיאנה בארה ב.
'יש כוח הכבידה שדוחף את האופניים והרוכב למטה; יש את הכביש שנדחף למעלה, שאנחנו קוראים לו כוח "רגיל", ויש כוח חיכוך שדוחף את האופניים לכיוון מרכז השביל המעגלי שבו הם נעים.'
הכוח המזויף
יש גם כוח צנטריפוגלי."יש לזה השפעה אבל זה כוח מזויף", אומר אלאן. פיזיקאים רבים טוענים שכוח צנטריפוגלי אינו קיים והוא פשוט חוסר בכוח צנטריפטלי - כוח משיכה פנימה המבטיח שהאופניים נעים במעגל הדומה למשיכה של כוח הכבידה פנימה בלוויין כדי לשמור אותו במסלול.
זה מחושב באמצעות המשוואה F=mv2/r, כאשר F הוא הכוח הצנטריפטלי (ניוטון), m הוא המסה של האופניים והרוכב (ק ג), v הוא מהירות (m/s) ו-r הוא רדיוס הפינה במטרים.
'הפיזיקה של רכיבה על פנייה היא שאתה עושה זאת על ידי האצה רדיאלית פנימה, שהיא עד לכוח צנטריפטלי', אומר דיוויד ווילסון, פרופסור אמריטוס להנדסה במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס.
'הכוח צריך להגיע מהצמיגים. האופניים צריכים להישען כך שהשילוב של התגובה מהצמיג והכוח הרדיאלי יהיה בקנה אחד עם הכוח שנוצר של האופניים פלוס הרוכב.'
המפתח גם לכמה אתה יכול להישען הוא מקדם החיכוך, שהוא היחס בין כוח החיכוך בין שני גופים לבין הכוח המופעל עליהם - במקרה זה הצמיג והאספת.
לרוב החומרים היבשים יש ערכי חיכוך בין 0.3 ל-0.6, בעוד שגומי במגע עם אספלט יכול לייצר נתון של בין אחד לשניים. כאשר המשטחים זזים זה לזה - לפי רכיבה על אופניים - נתון זה יורד מעט.
כדי שהאופניים יישארו זקופים, כוח הצד (הצנטריפטלי) חייב להיות שווה למקדם החיכוך, והנתון הזה יכול להיות גדול באופן מפתיע. לדוגמה, רוכב במשקל 70 ק"ג על אופניים של 10 ק"ג הדוהר במהירות של 20 קמ"ש סביב עיקול ברדיוס של 20 מ' חווה כוח צנטריפטלי של 316 ניוטון.
הכוח הזה צריך להיווצר על ידי הצמיגים, ואם הכוח לא היה קיים, האופניים והרוכב פשוט היו ממשיכים בקו ישר.
באמצעות חישובים טריגונומטריים מרשימים שימלאו ספר שלם, מקדם החיכוך שווה לפונקציית המשיק של זווית הרזה המקסימלית.
'הגלגל יחליק כאשר יחרוג ממקדם החיכוך', אומר מרקו ארקסטיין, מרצה למדעי הספורט באוניברסיטת Aberystwyth. 'זה יכול להיות בגלל שכוח החיכוך גדל [עקב הידוק הקו דרך פינה למשל] או ירידה בכוח הרגיל [בשל, למשל, שקע בכביש].'
מקדם החיכוך יכול להשתנות גם עקב שינוי פני השטח. זו הסיבה שפניות על קו לבן עלולה להיות מסוכנת. "זה נכון במיוחד ברטוב", אומר ארקסטיין. 'הצבע פחות נקבובי כך שהמים לא מתפזרים.'
משקל הרוכב
כדי לסבך את העניינים עוד יותר זה הנושא של משקל הרוכב. "מבחינה פיזיקלית, בחורים קטנים יותר צריכים להיות מסוגלים להישען יותר", אומר Arkesteijn. 'הם גם בדרך כלל זריזים יותר, מה שעוזר.'
Allain לא כל כך מובהק, מה שמרמז שלמרות שמשקל הרוכב חשוב "קצת", חשיבות רבה יותר היא מרכז המסה של הרוכב פלוס האופניים.
'בסופו של דבר, זה הגורם החשוב ביותר,' הוא אומר. רוכבים כבדים יותר נוטים להיות רוכבים גבוהים יותר, במיוחד בפלוטון המקצועני, כלומר גדלי המסגרת שלהם גדולים יותר ומרכז המסה שלהם גבוה יותר. אתה גם צריך לקחת בחשבון את תנאי הדרך. אם אתה בקצה הגבול, בליטה בכביש עלולה להוביל לאובדן אחיזה ולנפילה.
כבישי בריטניה לפעמים יותר אוחזים מאלה של בני הדודים היבשתיים באירופה, מכיוון שהם נקבוביים יותר לספוג גשם ומונעים משטח חלקלק. זו הסיבה שהכבישים שלנו גסים יותר. אבל הם לעתים קרובות יותר מהמורות ובמצב גרוע יותר בגלל נזקי הכפור, ומכאן מדוע רכיבה על אופניים ונהיגה בצרפת היא שמחה מוחלטת כאשר הוא יבש.
אחרי כל זה, מהי זווית הרזה המקסימלית? לפרופסור למכונות והנדסה ג'ים פאפאדופולוס, לא ניתן לענות על זה עד שתשליך גורם אחרון אחד - שביל.
זהו קו דמיוני שמוקרן במורד צינור ההיגוי אל הקרקע. אם נקודה זו נמצאת לפני נקודת המגע של הגלגל עם הקרקע, היא נחשבת 'חיובית' והיא יציבה יותר. מאחור והאופניים יש סיכוי גבוה יותר להתהפך. השביל מצטמצם ככל שאתה נשען יותר.
'רוכבי אופניים נוטים להישאר באזור השביל החיובי ולא עולים על 45° של רזה,' הוא אומר. זה בדרך כלל פחות, אם כי כאשר הפנייה גדולה מרדיוס של 5 מטר, אתה יכול להגיע ל-45°. זה בגלל שהשביל הופך פחות לבעיה - אז אנחנו חוזרים לסוגיית המתיחה.'
אז 45° אפשרי בפנייה מהירה, רחבה, עם משטח טוב, אבל עם כל כך הרבה משתנים במשחק, למרבה הצער, אין תשובה מוחלטת. כמה רחוק אתה יכול להישען זה מקרה של ניסוי וטעייה (בתקווה שלא כואבת מדי).
