Minkä takia

Pyörien pyörimisliike kansantajuisesti selitettynä vastustaa muutosta. Jos olet kiinnostunut tarkemmasta selityksestä, etsi hakusanalla gyroskooppi.

Kyseessä on gyroskooppi. Eli jos polkupyörän rengas alkaa kaatua pyöriessään, se voidaan kuvata voimalla pyörän yhteen pisteeseen. Kun tämä piste pyörähtää puoli kierrosta se kumoaa alkuperäisen voiman.

Sitä voi kokeilla pienellä polkupyörän renkaalla. Pultti läpi akselista ja pyörä pyörimään pitäen kiinni pultin molemmista päistä. Nyt jos pyörää yrittää kallistaa, se ei enää olekaan ihan helppoa.

Saisikohan tästä hyvän kuntosali-laitteen? Onkohan sellaisia jo valmistettu? Moottori pyörän keskiöön ja vipuvarsi akselista. Vastuksen voisi säätää suoraan moottorin pyörintänopeuden mukaan.

En ihan heti niele, että kyse olisi hyrrävoimista. Hyvin kevyillä renkailla on ihan yhtä helppo pysyä pystyssä kuin painavilla. Pystyssä pysyy aika pienilläkin nopeuksilla, jolloin hyrrävoimat jäävät mitättömiksi.

Eiköhän pääpiirteittäin kyse ole siitä, että paikallaan ollessa ohjaustangon kääntäminen ei saa pyörää sivuttaiseen liikkeeseen, joka liikkeellä ollessa saa aikaan samaan suuntaan olevan kallistumisen kumoutumisen. Mitä isompi nopeus, niin sitä pienemmällä liikkeellä saa tuon korjauksen aikaiseksi, ja sitä helpompaa on horjuminen puolelta toiselle on pitää kurissa.

Esitettyyn kysymykseen liittyvää asiaa on käsitelty esimerkiksi linkissä:
http://www.internetix.ofw.fi/opinnot/opintojaksot/5luonnontieteet/fysiikka/liikenne/Liiken13.htm#3
(vaatii rekisteröitymisen)

Lainauksia tekstistä:
"13. 2. Pystyssä pysyminen
Pyörän pystyssä pysyminen perustuu suurimmaksi osaksi liikkeen jatkuvuuden lakiin eli Newtonin I lakiin. Pyörän pyöriminen jatkuu, kuten etenevä liikekin jatkuu. Molemmissa myös suunta säilyy. Liikkuva pyörä pysyy pystyssä."

"13. 3. Kääntäminen
...Polkupyörä, mopo ja moottoripyörä käännetään kallistamalla. Polkupyörällä voidaan ajaa ohjaamatta käsin. ..."

Tämä kaikki on selvää asiaa, mutta missään tämänkään luennon osassa en havainnut kuvausta siitä, että miten polkupyörällä todella voidaan ajaessa pysyä pystyssä. Liikkeen jatkuvuus ja hyrrävaikutus eivät ole ainoita avainsanoja.

Oma kuvaus:
Ohjaustangosta kääntämällä voidaan polkupyörää ajaa vain hyvin alhaisilla nopeuksilla – reilusti alle 10 km/h.

Ajamisen perusajatus kulminoituu kaarreajoon ja siihen miksi pyörä ei kaarteessa kaadu.
Pyöräilijän ”kaatumattomuus” kaarreajossa puolestaan perustuu momenttitasapainoon niiden momenttien suhteen, jotka syntyvät ajajan ja pyörän yhteiseen massapainopisteeseen vaikuttavista voimista, sekä etu- ja takapyörän hyrrävaikutuksesta. Pyörä pysyy pystyssä, kun kaarteessa kallistettuun pyörään vaikuttava keskihakuvoiman momentti, maan vetovoimasta aiheutuva massapainopisteen momentti renkaiden kosketuspintalinjan suhteen ajoradassa (pyörää kallistettu sisäkaarteen puolelle) ja keskihakuvoiman suuntaan vaikuttava hyrrämomentti kaarteeseen pakotetuista pyörivistä kiekoista ovat tasapainossa.

Säilyttääkseen tasapainon matka-ajon aikana, pyöräilijä vaihtaa jatkuvasti massapainopisteen paikkaa ajolinjan oikealle ja vasemmalle puolelle. Kun painopistettä siirretään oikealle, pyörä kaartaa oikealle kallistuneena loivasti oikealle. Keskihakuvoima ja hyrrävoima kallistavat pyörää vasemmalle pystyasentoon ja edelleen - painopisteen siirtyessä - vasemmalle puolelle. Tällöin pyörä alkaa kaartaa vasemmalle. Toisin sanoen, vaihtamalla painopistettään ajolinjan kahden puolen, pyöräilijä ajaa jatkuvaa vuorottelevaa kaarreajoa - oikealle, vasemmalle, oikealle, vasemmalle jne-. Suoraan eteenpäin ajoa ei esiinny ollenkaan, jos ei oteta tarkastelun kohteeksi satunnaista lyhyttä etenemää.
Pyöräilijän taitavuudesta ja ajonopeudesta riippuu, kuinka pienillä ja loivilla kaarroksilla hän kyseisellä nopeudella pystyy ajamaan "suoraan".

Fillarin ajettavuuteen vaikuttaa pyörimisliikkeen ominaisuuksien lisäksi moni muu seikka kuten; pyörän rungon geometria, ajoalusta ja renkaat. (aiemmin esitetty Bajahillin linkki kertoo ansiokkaasti aiheesta) Varsinkin haarukkakulmalla ja etupyörän etujätöllä on suuri merkitys ajettavuuteen. Jotkut pyörät ovat varsin helppoja ajaa ilman käsiä jo pienelläkin nopeudella, toisilla taas pitää olla erittäin taitava pystyäkseen ollenkaan ilmankäsiä ajoon.

Suoraan ajoa voi testata yrittämällä ajaa vaikka asfalttitien valkoista reunaviivaa pitkin. "Suoraan ajo" on hapuilevaa viivalla pysymistä. Jos etuhaarukka lukitaan kääntymättömäksi, koko ajaminen muuttuu mahdottomaksi.

Jos hyppäät fillarista vauhdissa pois ja tönäset sen samantien menemään haarojesi välistä, niin se jatkaa yksikseen menoa ?

Telkkarissa näytettiin varsinainen temppu, eli
- kaveri ajoi moottoripyörällä
- sitten siirtyi jaloilleen luistelemaan sen takana
- siitä siirtyi vieressä kulkevaan toisen kaverin ajamaan moottoripyörään
- OMA PYÖRÄNSÄ JAI VIEREEN JATKAMAAN MENOANSA SUORAAN
- sitten siirtyi takaisin omaan pyöräänsä

Kuinkas nämä tapaukset selitetään kun pyörät menee yksikseen eivätkä kaadu ??

Hyrrävoimilla ei ole mitään tekemistä tässä asiassa.
Pystyssä pysyminen on menanismi ihmisen aivojen, tasapaino-aistin toiminnasta, lihasvoimasta ja ajaessa polkupyörän mekaniikasta.
paikallaankin oppii pysymään pystyssä, jopa 10 metriä pitkällä seipäällä, saati sitten polkupyörällä.

Polkupyöräilijä pystyy ajaessa vaikuttamaan nopeasti ja tarkasti pyörän tasapainoon, ohjausliikkeillä.
Jos pyörä on paikoillaan, tasapainon sääteleminen massan siirtelyllä on erittäin tarkkaa, ja kaikki liike menee herkästi "yli".
harjaantumalla paikoillankin oppii pysymään pystyssä.

Korvan/silmien/aivojen muodostama "gyroskooppi"
On hieno laitos vaikka ei toimikkaan painottomassa tilassa.
Heikoin lenkki on kuitenkin lihakset, joiden toiminta noihin aisteihin nähden on karkeaa ja suurpiirteistä.
Jos olet kaatumassa paikallaan olevalla pyörällä. Aivot antavat painopisteen korjauskehoituksen lihaksille erittäin nopeasti mutta lihakset hidastelevat ja lopulta korjaus tulee liian myöhään ja se on ylimitoitettu, eli homma menee vaappumiseksi.

Kyllä polkupyörällä pystyssä pysyminen johtuu nimenomaa ohjaamisesta ja jatkuvasta aktiivisesta tasapainon korjaamisesta elikkä ohjausliikkeistä.

Tämän voi havainnoida parhaiten hitsaamalla ohjaustangon runkoon kiinni ja yrittämällä aja kyseisellä pyörällä. Nopeudesta riippumatta sillä ei enään pysy pystyssä.

On polkupyöriä joissa ottamalla otteen runkoputkesta ja nostamalla ilmaan, etupyörä kääntyy ympäri litistäen sormet.. kuitenkin nosta tapahtuu monesti eteenpäin vievällä liikkeellä, ja ai että tekee kipeää. Siis ei jaksa hyrrövoima pitää pelkkää etupyörää suunnassan, kuin sitten aikuisen ihmisen.

Toisissa sopii kääntyy haarukka ympäri. Itse muistan kuinka lokari teki tiukaksi sen kääntämisen, siinä huomaa kun pikkuisen kahnitti se yksi kohta, kaatuminen alkaa niinä aikoina. kunnes onnistu väkisten kääntää tiukan kohdan yli.

kuitenkin ihmettelen kuinka nopeasti ihminen oppii ajamisen taidon, ei ole luonnonvalinnan tulosta tämä, luonnossa ei löydy vastaavuutta tälle tasapainoilu ilmiölle.

Tutkiaksemmen asiaa syvällisesti, otetaan esimerkkitapaukseksi pyöreä teräskiekko, vaikkapa kahvilautasen kokoinen, jonka reuna on vielä hiottu teräväksi. Alustana tasainen teräsalusta.
Jos nyt yritämme saada kiekon pysymään paikallaan pystyssä, se ei tietenkään onnistu vaan kaatuu heti jommalle kummalle puolelle. Jos sensijaan annamme kiekolle pienen alkuvauhdin se pysyy pystyssä niin kauan kuin vauhtia riittää, ensin matkaten näennäisesti kohtalaisen suoraan, ehkä kaartaen hieman, lopulta vauhdin hiipuessa kenties kaartelee jyrkemmin ja vaappuen puolelta toiselle, kunnes kaatuu. Mitä tapahtui ??.
Ensinnäkin, liikkeelle sysäisty kiekko alkaa kallistua jommalle kummalle puolelle heti irtipäästämisen jälkeen yhtä nopeasti kuin paikallaan irti päästetty !. Mutta liikkeessä oleva kiekko korjaa tuon kallistumisen alkamalla kaartaamaan välittömästi sille puolelle mihin pyrkii kallistuun. Jos kiekon vauhti on kova, tuo korjaus tapahtuu niin nopeasti että suunta ei silminnähden muutu.
Miksi sitten kiekko pyrkii muuttamaan suuntaa kallistumisen puolelle ?. Kiekon ja teräslevyn välissä on käytännössä aina kohta jossa pinnat ovat toisiaan vasten. Jos kiekko kallistuu vasemmalle, se kohta mikä aina seuraavaksi osuu teräslevyyn onkin aina hieman enemmän vasemalla, kulkusuuntaan nähden.
Tässä kohtaa on huomautettava että jos meillä olisi absoluuttisen kovaa materiaalia oleva "täysin terävä" kiekko, absoluuttisen kovaa materiaalia olevalla alustalla, näin ei kävisi vaan kiekko kaatuisi yhtä nopeasti liikkeesä kuin paikallaankin. Toki tässä esimerkissä alkaisi hyrrävoima jo vaikuttaan mainittavasti.

No niin. Pyörälijällä on vielä lisäksi monta etua verrattuna tuohon teräskiekkoon .
Ensinnäkin, pehmeät, poikkipinnaltaan pyöreät renkaat edesauttavat entisestään tuota pyrkimystä korjata kallistuma kulkusuuntaa ja siten painopistettä muuttamalla, ja tietenkin ajaja ohjaustangon liikkeillä tukee asiaa. Mutta vaikka olisi yksipyöräinen sirkuspyörä niin se perustuu samaan asiaan.

En lähtenyt tässä tarkemmin selittämään, (enkä ehkä osaisikaan) miten tuo kulkusuunnan muutos eli kaartaminen tasapainoa korjaa mutta täällä on jo hyviä selityksiä sille nähty.