איך האופניים שומרים על שיווי משקל? / בלדד השוחי

למה אנחנו לא נופלים ימינה או שמאלה כשהאופניים נוסעים? כן, אתם חושבים שאתם יודעים את התשובה. אבל לבלדד יש חדשות בשבילכם

שלום בלדד, כל פעם שאני נוסע על אופניים אני שואל את עצמי מדוע הם מחזיקים אותי בשיווי משקל כאשר אני נוסע, וכאשר אני עומד לא. אשמח אם תענה לי בקרוב תודה מראש
מיכאל.



מיכאל היקר,

כרוכב אופניים נלהב, אני שמח שנתת לי את ההזדמנות לענות על השאלה המעניינת הזו, ולנסות להתמודד עם אחת הטעויות המביכות שחוזרות על עצמן שוב ושוב בספרי הלימוד.

התשובה הלא נכונה

 אחייניתו של הרוזן מלייטון על-גבי אופני השלג שלה    

יש הרבה אנשים שחושבים שהם יודעים את התשובה לשאלה שלך, למרות שהתשובה שהם מציעים שגויה לחלוטין. אני לא מדבר על סתם אנשים - אני מדבר על פרופסורים ומורים לפיזיקה שכל כך בטוחים בצדקתם, עד שהם אפילו לא טורחים לברר כמה באמת מדויקת התיאוריה שלהם.

התשובה הלא נכונה הזו קשורה לחוק שימור התנע-הזוויתי, ולמה שנקרא "עקרון הג'ירוסקופ". חוק זה אומר, באופן כללי, שגלגל מסתובב שואף להמשיך להסתובב באותה זווית. ככה סביבונים מצליחים לשמור על איזון, ככה מטבע יודעת להתגלגל על הצד, וככה צלחת מעופפת (המשחק, לא החללית) טסה ישר. אלו נושאים מענינים מאד, ואולי מגיעה להם תשובה נפרדת, אבל זה לא מה שמחזיק את האופניים שלך.

קח לדוגמא את כלי-הרכב המרתק הבא:

אין לו גלגלים בכלל, ובכל-זאת הוא נוסע יפה מאד במדרון. זה לא שגלגלי האופניים מסרבים לציית לחוקי הפיזיקה, הגלגלים אכן שואפים להמשיך ולהתגלגל באותה זווית, כמו כל גלגל אחר, אבל הכח שהעקרון הג'ירוסקופי מייצר תלוי מאד במסה של הגלגלים ובמהירות שלהם; במקרה של גלגלי אופניים, הכח הזה לא יספיק כדי להחזיק את האופניים ואותך ישרים.

התשובה הפשוטה

למרבה המזל, ההסבר האמיתי פשוט הרבה יותר. 

 בסגול: הציר, בירוק: המרחק בין הציר לבין הנקודה שבה הגלגל נוגע בקרקע   

הסתכלת פעם מקרוב על גלגל של עגלת-קניות, או של כסא משרדי? הציר שעליו הגלגל יכול לשנות את הכיוון שלו אף-פעם לא נמצא בדיוק מעל הנקודה בה הגלגל נוגע ברצפה. יש לזה סיבה טובה מאד. ככה, ברגע שאתה דוחף את העגלה או את הכסא לאיזשהו כיוון, כל הגלגלים הקטנים מתיישרים מיד לכיוון הרצוי, והעגלה (או הכסא) מוכנים להתגלגל.

באופניים קורה דבר דומה מאד. הציר שעליו הגלגל משנה את כיוונו נקבע על-ידי המזלג שמחובר לכידון האופניים, והוא תמיד מכוון כך שהנקודה בה הציר הזה פוגע בקרקע נמצאת לפני הנקודה שבה הגלגל נוגע בקרקע.   

התוצאה של המרחק הזה היא שאם נטה את האופניים ימינה, ונדחוף אותן קדימה, הגלגל יפנה ימינה (והכידון, כמובן, יפנה עמו), כמו הגלגל של עגלת הסופרמרקט. אם נטה את האופניים שמאלה ונדחוף אותן קדימה, הגלגל הקדמי ידחף לפנות שמאלה. יש קשר ישיר בין הנטיה של האופניים לבין הכיוון של הכידון.


איך זה מחזיק את האופניים?

עכשיו נניח שאתה נוסע קדימה. אתה לא מאוזן לגמרי, ואתה מתחיל לנטות שמאלה. הנטיה שלך שמאלה, יחד עם התנועה קדימה, גורמת לגלגל הקדמי לפנות שמאלה. אז האופניים מתחילים לברוח שמאלה, ממש מתחת לתחת שלך; אבל אם האופניים נמצאים קצת משמאלך, אז אתה נמצא קצת מימינן, מה שאומר שהמשקל שלך יטה את האופניים ימינה!

במקום שאתה תצטרך להזיז את הגוף שלך ימינה ושמאלה כדי לאזן את האופניים, האופניים זזים מתחתיך עד שהן מגיעות לשיווי-משקל. ממש גאוני.

אפילו במהירויות נמוכות יותר, כשהתנופה שלך קדימה אינה מספיק חזקה כדי לשמור על עצמה ולאזן את האופניים, אתה עדיין יכול - אם אתה נוטה שמאלה - לסובב את הכידון ימינה. בדיוק כמו שהטית האופניים גורמת לכידון להסתובב, כך סיבוב הכידון גורם לאופניים לנטות, ולכן סיבוב הכידון ימינה יגרום לאופניים לאזן את הנטיה שמאלה.

בגלל זה כשמנסים לרכב על אופניים במהירות נמוכה צריך לפעמים לסובב את הכידון מצד לצד בפראות, ובגלל זה כשפונים במהירות גבוהה האופניים נוטים לכיוון הפניה.

אבל כשהאופניים עוצרים, אין יותר כח שפועל על הגלגל הקדמי וגורם לו לפנות בתגובה להטיה. אם האופניים מתחילים לנטות על צידם, הדבר היחיד שייצב אותם הוא אם אתה תזיז את הגוף שלך לצד השני, ובסופו-של-דבר זו מלאכה קשה ומעייפת. כבר יותר פשוט ללכת ברגל.

בלדד השוחי