Современный человек уже не представляет свою жизнь без автомобиля. Но вместе с комфортом он одновременно получает и загрязнение окружающей среды выхлопными газами. Частично эту проблему можно решить с помощью электромобилей, в которых используются аккумуляторы. Однако производство аккумуляторных батарей также не является экологически чистым. Велосипед в свою очередь отличается доступностью, экологической безопасностью, позволяет людям заниматься спортом, поддерживать здоровье, наслаждаться природой во время поездок.

В своей работе мы проведем исследование эффективности работы велосипедных конструкций с точки зрения геометрии. В частности, рассмотрим особенности и работу таких деталей, как велосипедная рама и руль, используя базовые знания по геометрии.

Работа велосипедной рамы рассматривалась нами в аспекте трех составляющих: управление и курсовая устойчивость, биомеханическая эффективность, распределение нагрузки и динамика работы.

Проведенный анализ работы рамы велосипеда с точки зрения ее управления и курсовой устойчивости позволил сделать следующие выводы:

— угол рулевой колонки определяет быстроту реакции на руление: острые углы повышают маневренность, тупые — курсовую стабильность на высоких скоростях;

— вылет вилки и Трейл. Трейл — это плечо обкатки, расстояние между точкой контакта колеса и проекцией оси рулевой колонки. Он создает самоцентрирующийся момент, обеспечивая стабильность прямолинейного движения (рис. 1).

Рис. 1. Плечо обкатки велосипеда (трейл)

Результаты исследования биомеханической эффективности работы велосипедной рамы нашли отражение в следующих заключениях:

— угол подседельной трубы определяет горизонтальное положение центра массы велосипедиста относительно кареточного узла. Это критически важно для оптимизации передачи мышечного усилия на шатуны и эффективного задействования групп мышц бедра;

— Reach и Stack: Современные стандарты измерения, определяющие «рабочее пространство» гонщика (горизонталь от каретки до рулевой) отвечает за удобство посадки, (вертикаль) — за ее высоту и аэродинамический профиль.

После рассмотрения распределения нагрузки и динамики работы рамы, можно сказать, что:

— длина перьев влияет на жесткость заднего треугольника и колесную базу: короткие перья увеличивают жесткость и эффективность передачи крутящего момента, длинные — способствуют демпфированию вибраций и стабильности;

— провис каретки: расстояние от осей колес до оси каретки. Низкий центр тяжести повышает устойчивость при прохождении поворотов, но ограничивает дорожный просвет.

По вопросу сопротивления деформационным нагрузкам, мы выяснили, что геометрия «двойного ромба» (классическая рама) является оптимальной ферменной конструкцией. Она преобразует изгибающие нагрузки в напряжения сжатия и растяжения, что позволяет минимизировать вес конструкции при сохранении высокой торсионной жесткости. Результаты исследования работы велосипедной рамы представлены в таблице 1.

Таблица 1

Анализ работы рамы в велосипеде

Следующим этапом нашего исследования стал анализ работы руля в велосипеде.

После изучения плеча рычага и момента силы выяснилось, что:

— ширина руля определяет величину рычага: чем шире руль, тем меньшее усилие требуется приложить велосипедисту для преодоления сопротивления (например, при движении по неровностям), но тем больше амплитуда движения рук для поворота на тот же угол;

— длина выноса: расстояние от оси рулевой колонки до центра руля. Вынос создает дополнительное плечо, которое влияет на радиус дуги, описываемой руками при повороте: короткий вынос, делает управление «острым» и мгновенным, длинный — более плавным и предсказуемым.

Мы выявили, что руль жестко связан с короной вилки через вынос и шток. Геометрически это создает единую плоскость вращения, наклоненную под углом рулевой колонки. При повороте руля колесо не просто поворачивается в сторону, оно совершает сложное движение, слегка наклоняясь и изменяя высоту передней части рамы.

Что касается взаимодействия с трейлом, то руль является инструментом управления стабилизирующим моментом:

— трейл (плечо обкатки) стремится вернуть колесо в прямое положение;

— руль позволяет вектору приложенной силы преодолеть этот момент для совершения маневра.

Геометрия самого руля включает:

— Backsweep (загиб назад): позволяет кистям находиться в анатомически нейтральном положении, снижая нагрузку на лучезапястный сустав;

— Upsweep (загиб вверх): корректирует высоту хвата относительно плоскости выноса, влияя на распределение веса райдера. Анализ работы руля в велосипеде представлен в таблице 2.

Таблица 2

Анализ работы и геометрической роли руля в велосипеде

Таким образом, итогом нашей исследовательской работы стал подробный научный анализ геометрии велосипедной конструкции. Мы пришли к выводу, что велосипед — это не просто спортивный инвентарь для отдыха и развлечения, а целый механизм, работа и геометрия которого идеально слажена и спроектирована. Он способен заменить транспорт, выхлопы которого загрязняют и уничтожают нашу планету, и стать по-настоящему экологичным и безопасным способом передвижения в современном мире.

Литература:

1. Лопес, Брайан; Маккормак, Ли. Мастерство езды на маунтинбайке / Перевод с английского М: Изд-во SPUTNIK BOOKS, 2006 г. — 208 стр.
2. Гласкин, Макс. Наука о велосипеде. Как взаимодействуют человек и велосипед / Перевод с английского М: Изд-во Эксмо, 2014 г. — 192 стр.
3. Совндаль, Шеннон. Анатомия велосипедиста / Перевод с английского М: Изд-во Попурри, 2011 г. — 200 стр.
4. Велосипедная математика: от гиперболической геометрии до сверхпроводимости: лекц. цикл / В. А. Тиморин, 2019 г.