Fizyka roweru Przygotowali: Anna Barylska Jolanta Majda Katarzyna Niemiec Mateusz Tutka

HISTORIA ROWERU 1813r.-1817r. – Karl Drais von Sauerbronn - pierwowzór roweru tzw. maszyna biegowa, 1839r. – trójkołowiec i jednoślad z pedałami napędzany na tylne koło, 1869r. – koło ze szprychami, powstanie bicykli, 1868r. – przekładnia łańcuchowa, 1884r. – John Kemp-Starley - pierwowzór roweru współczesnego, 1888r. – opatentowanie opony pneumatycznej, 1932r. – wprowadzenie przerzutek, 1962r. – powstanie rowerów składanych, 1978r – 1983r. – USA - powstanie rowerów górskich,

Pojazd Karla Draisa z 1817r

RODZAJE ROWERÓW górskie, BMX, wyścigowe szosowe, torowe, turystyczne, miejskie, dziecięce, treningowe, cyrkowe, transportowe,

Dlaczego łatwiej jest przejechać 5km na rowerze niż przejść na nogach?

Wykonana zostaje P R A C A 4N = tarcie łożysk + tarcie opon Utrzymanie stałej prędkości ok.15 km/h wymaga pokonania siły równej 8N, tzn.: 4N = tarcie łożysk + tarcie opon 4N = opór powietrza czyli praca wykonana na odcinku 1km wynosi: W = 1000m * 8N = 8000J Ta sama wielkość w przypadku biegu wynosi: 100000J

Koszt energetyczny transportu 1g masy na odcinku 1km Koszt transportu 1g masy na odcinku 1km przy jeździe rowerem przyjęto za równe 1

Rower, człowiek i siła odśrodkowa. Efekt żyroskopowy. STABILNOŚĆ ROWERU Rower, człowiek i siła odśrodkowa. Efekt żyroskopowy. Przechylenie roweru a skręcenie przedniego koła.

I. Rower, człowiek i siła odśrodkowa. Układ inercjalny (obserwator) – siła dośrodkowa Fd Układ nieinercjalny (rowerzysta) – siła odśrodkowa Fod

DEFINICJA JAZDY NA ROWERZE W KATEGORIACH FIZYKI Jazda na rowerze polega na taki manewrowaniu kierownicą, aby rower poruszał się po torze o właściwym promieniu krzywizny r, tzn. takim, żeby odpowiadająca mu siła odśrodkowa „wyprostowała” upadający rower.

Dlaczego łatwiej prowadzi się rower przy dużej prędkości? Ponieważ siła odśrodkowa zależy także od p r ę d k o ś c i i wyraża się wzorem: F = M v2/r M – masa ciała, v – prędkość ciała, r – promień okręgu po którym ciało się porusza, Dla v dużego taką sama wartość siły odśrodkowej można uzyskać przy większej wartości r. Siła odśrodkowa nie występuje w ruchu prostoliniowym (r =  ) oraz w spoczynku (v = 0).

II. EFEKT ŻYROSKOPOWY Obracające się ciało sztywne utrzymuje niezmienny kierunek osi obrotu, jest to e f e k t ż y r o s k o p o w y, jednym z jego przykładów jest zabawka bąk. Koło rowerowe stanowi rodzaj bąka. Wprowadzone w ruch obrotowy utrzymuje stały kierunek osi obrotu. Aby zmienić kierunek, czyli skręcić koło trzeba przyłożyć m o m e n t s i ł y.

Szybkość zmian momentu pędu w czasie jest równa momentowi siły. Moment pędu J w odniesieniu do ustalonego punktu początkowego J = r x p = r x Mv gdzie: J – moment pędu r – promień krzywizny toru (koła) p – pęd ciała M – masa v – prędkość Moment siły N względem tego samego ustalonego punktu N = r x F gdzie: N – moment siły F – siła = Szybkość zmian momentu pędu w czasie jest równa momentowi siły.

Moment pędu jest stały, gdy nie działa zewnętrzny moment siły Aby skręcić np.: w lewo rowerzysta musi zastosować moment siły czyli przechyla się w lewo Moment siły jest skierowany prostopadle do pleców rowerzysty

III. Przechylenie roweru a skręcenie przedniego koła. Zgodnie z naturalnym dążeniem każdego układu do zminimalizowania swojej energii potencjalnej, przechylenie roweru (i to niekoniecznie w czasie jazdy) powoduje natychmiastowe skręcenie przedniego koła

Pomysły naukowca Davida Jones’a na rower, którym nie da się jeździć  Przymocowanie drugiego koła do przedniego widelca – efekty żyroskopowe się znosiły ale rower nie stracił stabilności, Zupełnie inny wynik przyniosła próba z samym tylko rowerem – swobodnie pchnięty rower, pozbawiony efektu żyroskopowego, natychmiast się przewracał. WNIOSEK Efekt ten jest istotny dla lekkiego, nieobciążonego roweru, podczas gdy dla roweru obciążonego rowerzystą można go w pierwszym przybliżeniu zaniedbać.

Pomysły naukowca Davida Jones’a na rower, którym nie da się jeździć  a) Rowery w których punkt przecięcia osi kierownicy z podłożem znajduje się przed punktem jego styczności z kołem (powszechnie stosowane). b) Rowery z odwróconym widelcem. c) Rowery z wysuniętym do przodu kołem.

Siły oporu jakie musi pokonać kolarz o masie M z prędkością v na rowerze o masie m F = 0,05 (M + m) + 0,015v2 Każde podwojenie prędkości czterokrotnie zwiększ siłę oporu Zjeżdżamy w dół i wykorzystujemy istnienie siły grawitacji, która za nas pokonuje opory ruchu. (M + m) g sinS = 0,05 (M + m) + 0,015v2 Kąt S określa nachylenie szosy w stosunku do poziomu. Z tego wzoru możemy wyliczyć maksymalną prędkość jaką rowerzysta może osiągnąć zjeżdżając swobodnie ze wzniesienia o kącie S.

Kąt nachylenia a maksymalna prędkość Kąt nachylenia a maksymalna prędkość. (dla kolarza ważącego wraz z rowerem 90kg) Godny uwagi jest fakt, że już dla tak małego spadku jak 5 stopni, możliwa do uzyskania prędkość wynosi aż 70km/h.

Jazda pozioma ze stałą prędkością v Ponieważ moc P jest równa Fv i korzystając z poprzednich wyników mamy: P = 4,5v + 0,015v3 [w watach] P = 0,0061v + 0,00002v3 [w koniach mechanicznych] Moc potrzebna do utrzymania stałej prędkości jest stosunkowo mała. Utrzymanie prędkości 15 km/h wymaga zaledwie 0,04KM. Przy pedałowaniu przez minutę maksymalną moc kolarskiego mistrza ocenia się na około 0,8KM.

F = (M + m) g sinS + 0,05 (M + m) + 0,015v2 Jazda pod górę Jazda z prędkością v wymaga teraz pokonania siły F = (M + m) g sinS + 0,05 (M + m) + 0,015v2 Moc jaka musi być dostarczona dla utrzymania prędkości v wynosi natomiast P = (900 sinS + 4,5) v +0,015v3 Wykres mocy jako funkcji prędkości dla różnych kątów wzniesienia S

Przekładnia Tryb przedni n1 zębów, tryb tylni n2 zębów Wielkość przełożenia K określona jest stosunkiem n1/n2 Twierdzenie Im większe przełożenie tym większa prędkość kolarza. Ponadto dimK< 

Zatem: Prędkość kątowa przedniej zębatki : Prędkość kątowa drugiej zębatki: im większe przełożenie tym większa prędkość Pokonywanie oporu T stawianemu układowi rower + kolarz. Jeśli rower porusza się ze stałą prędkością, to wypadkowy moment sił działających na koło jest równy zero, zatem gdzie: T- opór na obręczy koła rk T2 – opór na zębatce o promieniu r2 Zatem: Pokonujemy go przez obrót trybem przednim wywierając nacisk na pedał, którego ramię rp jest dłuższe niż promień trybu r1. Siła, którą musimy działać, wynosi więc:

Zmniejszanie oporów ruchu Wygięcie kierownicy Pozycja kolarza Kask i buty aerodynamiczne Waga roweru Specjalne opony Pełne koła Spłaszczone koło łańcuchowe

Zredukowanie „martwych punktów” i około 10-procentowe zwiększenie wydajności jazdy określonej stosunkiem mocy uzyskanej do włożonej Zmniejszenie przełożenia w stosunku r / R

Osłona kolarza ze specjalnie przygotowanym do tego celu samochodem

Zadanie domowe