Почему движущиеся велосипеды и мотоциклы не падают, даже если отпустить руль? Что нужно сделать, чтобы повернуть в такой ситуации? Можно ли на велосипеде повернуть, не держась за руль?

Почему современные велосипеды более устойчивы, чем велосипеды более старых конструкций? В частности, почему вилка переднего колеса у них выгнута в сторону от седла? Какое преимущество в гонках у велосипеда с низким центром масс?

ОТВЕТ • Вопрос о том, почему устойчивы движущиеся велосипеды и мотоциклы, обсуждается давно. Некоторые исследователи продвигают идею о том, что колеса действуют как гироскопы — они препятствуют любому случайному наклону, поскольку имеют угловой момент. Однако исследования показали, что этот эффект мал, особенно для велосипедов. Кроме того, практика показывает, что, когда вы поворачиваете колесо в направлении случайного наклона и движетесь вперед, велосипед выравнивается. Но это не всё объясняет, и это знают все, кто ездил на велосипеде, не держась за руль. Оба соображения не могут объяснить, например, как велосипедист может удерживать велосипед в вертикальном положении, даже когда велосипед стоит на месте.

Мне кажется, лучшее объяснение основано на понятии трейла, или выката переднего колеса, — расстояния по земле от места, где касается земли перпендикуляр, проведенный через ось переднего колеса, до места пересечения мысленной проекции оси руля с землей. Если проекция оси руля выдается вперед по отношению к точке касания шиной земли (большинство моделей велосипедов так и делаются), то, если вы вдруг случайно начнете наклоняться в какую-то сторону, переднее колесо автоматически направится в сторону наклона и уменьшит его. Вы можете помочь велосипеду выровняться, поворачивая руль в эту сторону, но это не обязательно — велосипед и так все сделает правильно. Но если ось руля смещена назад по отношению к точке касания земли шиной переднего колеса, оно не будет автоматически исправлять случайные наклоны, и тогда вы должны будете заняться этим сами, и, значит, таким велосипедом управлять будет гораздо труднее.

Вопрос о том, как на велосипеде или мотоцикле начать поворот, также обсуждался давно, отчасти потому, что правильное объяснение на первый взгляд казалось неправильным. Если вы хотите повернуть велосипед, скажем, направо, вам нужно на мгновение повернуть переднее колесо влево, это называется контррулением. Тогда и вы, и велосипедная рама, и переднее колесо автоматически наклонитесь вправо, то есть в направлении намеченного поворота. Действительно, этот наклон порождает вращающий момент, который противодействует контррулению, поворачивая и вас, и велосипедную раму, и переднее колесо направо, после чего велосипед снова принимает вертикальное положение.

В велосипедной гонке, где гонщик стоя быстро крутит педали, велосипед резко бросает то вправо, то влево, и он качается вокруг точек соприкосновения шин с землей. Чем ниже центр масс велосипеда, тем ближе он к точкам соприкосновения с землей и тем проще для гонщика качать велосипед.

Каскадер Эвел Книвел в 1960–1970-е годы выполнил множество потрясающих трюков: он въезжал на мотоцикле вверх по трамплину, пролетал по воздуху над крышами стоявших рядами легковых автомобилей и фур, а затем приземлялся на другой, дальний трамплин. Как правило, он выполнял эти трюки весьма успешно, но однажды при приземлении не справился с мотоциклом и серьезно пострадал. В 1978 году некий молодой человек попытался проделать похожий трюк — перепрыгнуть через крылья самолета DC-3, но сделал фатальную ошибку, оставив дроссельную заслонку мотоцикла открытой (не убрав газ) во время полета. Почему эта ошибка стоила ему жизни?

ОТВЕТ • Когда заднее колесо покидает первый трамплин[9], трение, замедляющее его движение, моментально исчезает. Если дроссельная заслонка остается открытой, то есть двигатель продолжает крутить колесо, при отрыве от трамплина оно начинает крутиться быстрее, чем когда оно было в контакте с трамплином. В полете на мотоцикл и на сидящего на нем мотоциклиста не действуют внешние силы, создающие вращающий момент, и момент импульса мотоцикла не может измениться. Поэтому, когда заднее колесо начинает крутиться быстрее, мотоцикл и его водитель, чтобы сохранился начальный импульс, будут закручиваться в противоположном направлении, и это приведет к тому, что передняя часть мотоцикла поднимется вверх, может, даже и вертикально, а в таком положении приземлиться на дальний трамплин почти невозможно. Если в момент отрыва от первого трамплина убрать газ, такого опасного закручивания мотоцикла не произойдет. Если бы удалось еще как-нибудь замедлить вращение заднего колеса, было бы еще лучше, потому что тогда передняя часть мотоцикла смогла бы опуститься вниз и мотоцикл подготовился бы к приземлению на второй трамплин.

Почему балансировать на скейтборде легче в движении, чем когда он стоит на месте? Каким образом можно на скейтборде перепрыгнуть через препятствие, то есть выполнить трюк, называемый олли?

ОТВЕТ • Равновесие теряется при отклонениях от вертикали вправо или влево, которые неизбежно случаются во время езды на скейтборде. Исследование простейшей модели скейтборда показало, что наклон автоматически корректируется движением доски вперед при условии, что скорость ее выше критической (равной 0,8 м/с). Тогда при любом случайном наклоне передние и задние колеса поворачиваются, в доске возбуждаются небольшие колебания влево или вправо, которые компенсируют наклоны, и вы остаетесь на доске. Частота колебаний возрастает со скоростью.

Это же исследование показало, что в более сложных моделях досок при скорости выше второго критического значения доска опять становится неустойчивой по отношению к случайным наклонам и для сохранения устойчивости требуется изрядная ловкость скейтбордиста. Устойчивость восстанавливается при достижении третьей критической скорости, однако такая высокая скорость в этом виде спорта достигается редко.

Чтобы выполнить олли, нужно совершить следующие действия. Слегка разгонитесь. В нужный момент поставьте ведущую ногу между серединой доски и передними винтами, а заднюю толчковую ногу сдвиньте на хвостовую часть доски (тейл), согните ноги в коленях и приготовьтесь к прыжку. Резко ударьте ступней толчковой ноги по тейлу так, чтобы доска подбросила вас вверх (поскольку толчковая нога находится на задней части доски, за задними колесами, из-за толчка эта часть доски ударится о тротуар, соударение подбросит доску вверх и начнет вращать ее вокруг центра масс). В момент, когда доску подбросит и начнет вращать, вы должны поджать ноги, чтобы не мешать полету доски, и тут же вытянуть ведущую ногу вверх и вперед, чтобы контролировать вращение доски. С помощью этой ноги вы сможете выровнять доску в наивысшей точке подъема. После этого можно готовиться к приземлению — согнув ноги в коленях, чтобы смягчить удар. Этот трюк позволяет перепрыгивать препятствия, но сначала нужно овладеть техникой прыжка на пустой дороге.