Велосипедная физика

Не год ли уж тому назад видел человека, балансирующего на неподвижном велосипеде. Он стоял на красном светофоре на обычном дорожном велике с передачами и, не отстегивая ног от педалей, балансировал, перевернув руль на пол-оборота. Когда зажегся зеленый, он резким движением перекрутил руль в обычное положение и тронулся, не теряя равновесия.

Я тогда подивился да и забыл, а сегодня вдруг задумался: отчего на стоящем велосипеде балансировать не получается, и что дает выворачивание руля. Если хотите сперва сами подумать — ответ под катом.

Сначала разберемся, что означает балансирование на велосипеде. Когда мы сидим на нем, центр тяжести находится выше точки опоры: равновесие неустойчивое, и седок вместе с велосипедом стремиться завалиться на бок. Чтобы удержаться, надо перемещать точку ниже центра тяжести — как бы вы балансировали школьную указку, поставленную вертикально тонким концом на палец, только у нас случай одномерного перемещения по сагиттальной оси (потому что вперед или назад мы не заваливаемся, ведь проекция центра тяжести на землю находится между колесами). Таким образом, чтобы удержать равновесие, нам надо смещать корональную линию опоры тела влево-вправо от сагиттальной плоскости.

Когда велосипед движется, мы сдвигаем точку опоры колес поворотом руля. Если мы повернем руль влево, то оба колеса последуют круговым траекториям, заворачивая влево от линии движения. Иными словами, поворот руля влево вызывает смещение линии опоры влево же. Именно на это движение натренирована система мышечной координации движения у нас в мозгу (в основном отвечает за равновесие мозжечок, структура, содержащая, по разным данным, от 50% до 90% всех нейронов мозга — они там мелкие).

Иное дело — велосипед стоящий. Если бы колонка рулевой вилки была вертикальна, то поворот руля не вызывал бы смещения линии опоры. Однако, колонка всегда наклонена, так что ее верх ближе к седоку: ось колеса находится впереди руля. Посмотрим на стоящий велосипед сверху. При повороте руля влево точка соприкосновения колеса с землей, находящаяся прямо под осью, остается на месте, а, благодаря наклону вилки, седок вместе с рамой смещается вправо от линии, соединяющей точки опоры колес. Выходит, что балансирование на стоящем велосипеде требует обратного движения рулем: если при движении поворот руля влево отклоняет линию опоры влево, то на стоящем — вправо. Этому движению наша автономная система равновесия не обучена, так что удержать равновесие не получается. Именно поэтому тот седок, которого я видел, выворачивал руль: видимо, его велосипед с искривленной вперед вилкой позволял ему переместить точку опоры переднего колеса так, чтобы она оказалась позади руля, тем самым позволив ему задействовать свое процедурное, «мышечное» знание для сохранения равновесия на неподвижном велосипеде.

Само собой, тот же самый эффект смещения плоскости рамы действует и при движении, но он меньше, чем тот, что вызывается уходом колес в сторону поворота по криволинейным траекториям; последний также увеличивается со скоростью, поэтому удерживать равновесие на высокой скорости проще.

Любопытно, можно ли научиться балансировать на стоящем велосипеде — может ли система равновесия обучиться переключению из одного режима балансирования в другой? Думаю, что да — умеем же мы и ходить ногами, и ездить на велике, и на доске, и на серфинге… А вы, часом, не умеете на велосипеде стоять неподвижно?