Сказка вторая — полутеоретическая, познавательно-исследовательская...
И так, что такое этот самый вынос, про который он так долго дитю бредил? Выходит, что Вынос — это расстояние, между точкой контакта колеса с асфальтом, и точкой пересечения оси рулевой колонки все с тем же асфальтом.
На данном рисунке выносом будет величина 126мм.
А что есть устойчивость? В детстве, когда папа-байкер еще не был папой-байкером, он любил кататься на велике. Особенно интересно было без руля ездить. Разгоняешься немного и спокойно себе отпускаешь руки. Велик едет себе прямо, никуда не сворачивая. Им даже управлять можно, если наклонятся немного в стороны. Но бывало сядешь на велик, а он никак на дороге не хочет ровно ехать, только руки отпустишь, руль — круть куда-нибудь, и ты уже никуда не едешь, просто лежишь себе, про рыбалку думаешь, про пиво... Значит Устойчивость двухколесного аппарата — это когда он способен после определенной скорости ехать ровно и не падать, или способность плавно уравновешивать на ходу все силы воздействующие на аппарат. Видел папа-байкер по телеку, однажды, устойчивый аппарат: там мужик какой-то на высохших соляных озерах пытался рекорды на скорость ставить. Вода она всегда ровная, пока ветра нету, а как замерзнет без ветра, так ровный очень каток получается, и когда озеро соленое высыхает, тоже ровный каток получается, только не изо льда он, а из соли. В общем разогнался тот мужик-рекордсмен, а тут маятник ему ка-ак заколбасит, да из седла он ка-ак вылетит, да только зацепился там за чтото и попер волоком позади мотоцикла, будто нога у него в лошадином стремени зацепилась. Потом, правда отпал рекордсмен от мотоцикла. Его машина сопровождения подобрала и давай они все вместе уехавший рекордный мотик догонять. Мотик, видать уже на шестой передаче был, когда его колбасить начало, а как водилу скинул, расслабился и покатил на холостом ходу, километров эдак 70-80 км/ч, а то и больше. Прикольно смотрелось как толпа в автобусе за пустым мотиком ехала: Аппарат потому и не падал, что устойчивым был. Значит Устойчивость — есть способность аппарата, в силу конструкционных особенностей, сохранять заданное пилотом направление без, собственно, вмешательства пилота (повторимся: реально — после набора какой-то скорости). Еще у мотоцикла принято управляемость описывать. Надо сказать, что Управляемость — практически есть послушность, есть нечто наoборотное от устойчивости. Потому, как Управляемость — это способность аппарата чутко и адекватно реагировать на руководящее воздействие коммунистической: да не — на воздействие пилота, конечно же. И если устойчивый аппарат из поворота сам выныривает, управляемый — держит траекторию, то есть еще и Неуправляемо-неустойчивый — сам в поворот заныривает, и ездить на таком вы не сможете — расколбасит. Видели наверное как едет себе, едет болид, а потом вилка по сторонам как заметелится («шимми» или Автоколебания), вплоть до разрушения аппарата вместе с пилотом, если он, пилот, НЛО покинуть не успевает. О «шимми» мы может попозже еще вспомним, если таковая мысль сконнектиться с головой папы-байкера.
Папа-байкер знал, что чем больше вынос, тем аппарат устойчивее стоит на дороге (при достаточной скорости, потому, что совсем без скорости аппарат падает с любым выносом) и это хорошо при дальнобое. С другой стороны таким аппаратом очень трудно управлять, потому, что как только такой аппарат наклоняется, он как бы сам стремится выровняться, опять встать горизонтально, не давая рулить. Завалить такой аппарат в поворот ну очень тяжело. Да и по городу ездить напряжно. Если вынос уменьшить очень сильно, тогда колесо уже не будет само выравниваться и аппаратом постоянно придется рулить, подруливать, или он сам рулить начнет, но с такой частотой (опять «шимми»), что без уменьшения скорости (если успеете ее уменьшить) ничего и поделать нельзя. Это происходит потому, что колесо мотоцикла подвержено внешним силам. Сопротивление трения резины и качения подшипников как бы постоянно «тянет» колесо назад, вопреки силе тяги движка, и поскольку сила сопротивления приложена дальше, чем ось вращения вилки, сама вилка на ходу постоянно выравнивает свою траекторию. Это как колесико нашего самокатика на самом первом рисунке. Не обязательно разбирать кинематику и механику процесса, достаточно посмотреть на тележку базарную, и просто убедиться в том что все так и есть. Колесо едет туда, куда его толкают. А работает вынос точно так же, как работает указатель ветра, только вилку не ветром разворачивает, а силой сопротивления, которая действует позади оси вращения вилки и «держит» колесо строго в том направлении, в котором оно катится.
Сила сопротивления, которая возвращает вилку на место при случайном отклонении, может быть одинаковой, но чем дальше она приложена от рулевой колонки, тем больше у нее рычаг, и тем крепче эта сила «держит» вилку. Вот поэтому, чем больше вынос, тем ровнее стоит аппарат на ходу. Да и с другой стороны, если строго сверху смотреть, то при разных выносах разная картина получается, когда колесо в силу случайных колебаний немножко в сторону уходит (ну неровности на асфальте там: и проч.), то есть если малЕнько смещается пятно контакта, скажем, на пол сантиметрика в сторону уходит. Вилка с большим выносом поворачивается при этом совсем немножко, меньше, чем на два градуса.
Вилка с малым выносом при этих же условиях изменит траекторию больше, чем на три градуса.
Значит, чем больше вынос, тем хуже аппарат реагирует на случайные колебания вилки, тем меньше он «по сторонам шатается», тем более устойчивым себя проявляет.
Однако у двух разных аппаратов может быть одинаковый вынос, но при этом один может быть устойчивым, другой управляемым. Значит, не выносом единым стоит мотоцикл. Можно сказать, что на устойчивость влияет еще и база мотоцикла, высота центра масс, ширина колес, люфты в подвижных соединениях, угол наклона вилки, жесткость системы вилка-рама-маятник на скручивание и, наверное, еще много чего, вплоть до размещения багажа.
Но как тогда оценить устойчивость? Для этого придумали высчитывать некий Коэффициент Устойчивости (К.У.). Он определяется делением самого Выноса на {Базу /вместе с/плюс Вынос} (или делением выноса на расстояние между точкой контакта заднего колеса с дорогой и точкой контакта оси рулевой колонки с дорогой). Например, для первой модели этого раздела К.У. составит 126/1775=0,07. Это число принято множить на сто и говорить 7%. (Какой К.У. считается нормой и для каких типов аппаратов рассмотрим в конце статьи. Пока же примем, что для нашей модели 7% это есть норма.)
Если представить два мотоцикла с разной базой при прочих равных, получается такая вот картина: при повороте переднего колеса (светло синяя линия) на двадцать градусов (без крена самого мотоцикла покамест) эти два аппарата будут немного по-разному себя вести. Аппарат с меньшей базой будет вписываться в поворот с меньшим радиусом, более чутко реагировать на управляющие действия.
Но, зато аппарат с большей базой будет менее чувствителен к случайным колебаниям вилки, проявляя свой более устойчивый характер.
На этих схемках можно также обратить внимание на то, как заднее колесо реагирует на уход переднего в сторону. Чем больше база, тем меньше заднее колесо рыскает (движения из стороны в сторону) вслед за передним. Это еще одно проявление устойчивости. И наоборот: чем меньше база тем «охотнее» заднее колесо следует за передним, и тем легче таким аппаратом управлять. Да и потом следует понимать, что база не появляется ниоткуда и не исчезает в никуда: Шутка про закон сохранения энергии. А смысл шутки в том, что чем больше база тем не стабильнее конструкция в целом (система вилка-рама-маятник), слабее на скручивание, и тем более эта самая конструкция подвержена скручивающим колебаниям, и тем менее чутко реагирует мотоцикл в целом на рулевое управление, но зато «ровнее стоит» на траектории, не поймите пошло. И наоборот: чем прочнее ваш «дельтабокс» тем послушнее снаряд реагирует на команды рулевого управления. Ясное дело, что тут без фанатизма надо. Ни шибко мягкого, ни шибко твердого. Мягкое сгибается, твердое, знаете ли и треснуть может: ( Вона штуцера (перцы, спецы, рейсеры... замени своим словом) какие-то сотворили углепластиковую (карбон) раму с маятником. Вроде идеал управляемости должон получиться, ан — нет! Испытатели сказали: нафиг: Нельзя ехать на идеально жестком снаряде, пропадает обратная связь с болидом, не чувствует его пилот:)
При эксплуатации мотоцикл меняет свою геометрию даже при разгоне и торможении. Соответственно меняется и вынос и база и устойчивость-управляемость.
Представим себе, что аппарат тормозит. Он при этом немного клюет вперед. Обожмем на нашей схемке полностью передние амортизаторы, и посмотрим, как меняется при этом вынос вилки.
На схеме хорошо видно, что вынос уменьшился со 126 до 101мм , но уменьшилась и база. Теперь К. У. составит 101/1671×100=6,04%., в отличие от семи процентов на «свободном» аппарате (первая модель этого раздела).
Выходит, что при торможении аппарат становится более управляемым, но и менее устойчивым. То же самое происходит, если размещать на баке багаж, если «задирать байку зад», если крепить траверсы ниже, чем положено.
При разгоне, удлинении перьев вилки, сильной загрузке багажника (заднего:), при переборе с кофрами, если ставить сзади короткие амортизаторы, и другими способами присаживать заднюю часть мотоцикла, ситуация меняется с точностью до наоборот.
На схеме видно, что на таком аппарате вынос увеличивается со 126 до 147мм. Изменится и К.У., который был 7%, а станет 147/1801×100=8,16 и, соответственно, аппарат становится устойчивее, но им тяжелее управлять. Да и практически если сильно нагрузить багажники то ехать тяжелее, но на скорости аппарат стабильнее себя ведет: это наверное каждый на себе испытывал.
Еще бывает, что люди (часто такие же днепроведы, как и автор) ничего больше не меняя в мотоцикле, решают, что им просто дышать не моги, если они маятник не сделают длиннее. В этом случае увеличивается база, но вынос особо не меняется. При этом К.У. — делает ку-ку. Если он был (вверху) 147/(1653+147)*100=8,16 , то после удлинения маятника на 100мм. станет 147/(1753+147)*100=7,73 , а значит, по сравнению с прежним аппаратом, вы потеряете в устойчивости. В управляемости, как для тяжелого аппарата, с низким центром тяжести вы при этом не очень-то приобретете.
Такие вот мысли посещали той ночью папу-байкера.
Еще папе-байкеру было интересно: как объяснить малышу, почему это умные дяди-инженеры, не учитывают в формуле угол наклона рулевой колонки? Ведь рано или поздно малыш спросит и об этом.
И тогда папа решил разобраться и с этим вопросом. Для начала решил папа перемыть косточки углу наклона передней вилки. Решил он посмотреть, как реагируют аппараты с разным наклоном вилки на одинаковые действия пилотов. Допустим, пилот не наклоняет аппарат, а только лишь повернул руль на двадцать градусов. Вокруг рулевой колонки повернул. Повернул руль и заметил, что плоскость колеса отклонилась относительно общего направления меньше чем на двадцать градусов. Чтобы замерить, на сколько меньше, папа в переднем колесе построил плоскость и начал мерить угол между продольной осью и линией пересечения колесной плоскости с асфальтом. Для начала вилка имела наклон в 28 градусов. И когда руль повернулся на 20 градусов, плоскость колеса на самом деле повернулась на 18 градусов.
После «замеров» вилку поставили под углом 38 градусов. Руль, по прежнему, повернут на двадцать градусов, а плоскость колеса повернулась уже на 16 градусов.
Потом было 48 градусов:
И даже 58:
Модельки держали ровно, просто для того чтобы сравнить и понять: Чем дальше вилка вперед, вынесена (только не надо путать вылет с выносом, потому, что это одно и то же :) ), то есть, чем больше вилка «наклонена далеко вперед», тем хуже она руля слушается при прочих равных.
На самом деле, ясное дело, мотоцикл в поворотах всегда наклоняется, и тем самым поворачивает гораздо быстрее (эффективнее — и пусть автомобилистов жаба давит :) ). Если вилка наклонена на 38 градусов, и руль повернут на все те же 20 градусов, как и раньше, да еще и мотик наклонить градусов на тридцать, тогда плоскость колеса (относительно направления движения) отклонится уже не на 16, а на целый 21 градус.
Вот и выходит, чтобы аппарат вас хорошо слушался, надо вилку наклонять поменьше, а байк в поворотах — побольше. Но ведь если вилку не наклонять, тогда уже байк и не байк вовсе будет, а просто мотоцикл. Значит, во всем должна быть золотая середина.
Ну хорошо с «вылетом» вилки аппарат хуже будет «руля слушаться» , так сказать коэффициент послушности (управляемость) уменьшиться: А как собственно наклон вилки с выносом связан? Одной цепью? В самом принципе своем передняя подвеска мотоцикла есть подвеска Самоориентирующаяся — подвеска которая стремиться развернуться(сориентироваться) в направлении движения, при начале самого движения. Разворачивает ее, или ориентирует, или удерживает в направлении движения некая сила сопротивления (это если забыть про гироскопический эффект, о котором папа-байкер особо пока не задумывался:), но даже не то, чтобы собственно разворачивает, а создает крутящий момент. А чтобы этот самый крутящий момент создавать (с центром вращения в рулевой колонке) эта самая сила сопротивления должна еще и плечо определенной длинны иметь. И вот, если представить, что это самое плечо (салатового цвета) и эта самая сила сопротивления одинаковы для пяти вилок, то тогда понятно, почему с наклоном вилки растет и вынос (красного цвета). Потребный для создания этого самого одинакового плеча, потребного для возникновения этого самого одинакового момента, потребного для разворачивания вилки в сторону движения, потребного для самоориентации, потребной для устойчивости в пути.
И только собрался передохнуть от бессонницы замученный своими мыслями папа-байкер, как тут следующая ему с потолка мысль прямо по голове — бабах! И ничего папе не оставалось выбора, кроме как думать эту самую новую мысль.
«А почему это крутые фирмы на свои аппараты кинулись, было, красивые и правильные такие колеса ставить, пошире колеса, а потом опять их немного сузили на спортах своих. Странная однако тенденция: Моторы в мощности растут, а колеса поуже выбирают: Не иначе как и тут с устойчивостью-управляемостью мутка есть. Решил теперь посмотреть какая разница между его аппаратом (а аппарат у него был правильный по части колес, с широкими колесами, эдак 240×40 × 18 от господина МецелЕра) и обычным мотоциклом с обычными не широкими колесами. Представил наш пилот что аппараты с одинаковой массой и одинаковой высотой центра этой массы (при какой-то одинаковой скорости и проходя по одинаковому радиусу поворота) должны бы наклонять свой центр тяжести, относительно точки опоры градусов эдак на 30 (и все эти жертвы только ради компенсации центробежной силы, которая появляется (ну никак без нее) если не прямо ехать, а по радиусу в повороте двигаться). И увидел тогда байкер, что когда колеса наклоняются, эта самая точка опоры в сторону уходит. И если колесо не широкое, то всего ничего уходит, но аппарат все равно приходится наклонять немножко больше, где-то на 34 градуса наклонять, чтобы центр тяжести всего лишь на тридцать наклонился.
Но когда посмотрел папа-байкер, что творится с широким колесом при поворотах, то ваще чуть не обомлел. При всех тех же условиях движения, аппарат понадобилось наклонять уже аж на 42 градуса, и все из-за смещения пятна контакта на широкопрофильных колесах.
Выходит, что чем шире катки, тем больше Потребный Угол Наклона аппарата — угол на который должен наклониться аппарат, чтобы центр тяжести наклонился относительно опоры в сторону поворота для компенсации силой тяжести центробежной силы от движения по кругу(радиусу) с определенной скоростью при прочих равных условиях.
И этот вывод не понравился папе-Настоящему-байкеру. Вилку не выноси, колеса широкие не ставь,.. А в чем кайф тогда в жизни кроме пива и женщин?
Но потом он спохватился. Опомнился можно сказать. И радостно стало у него на душе! Понял он, что на самом деле не надо ему спортивной управляемости, а счастлив он оттого, что аппарат его никакие силы с пути истинного не сорвут, скорее крышу сорвут эти силы, чем столкнут байк с дороги. И колеса широкие как раз и есть помощники в этом не последние, ведь они аппарат Устойчивее делают. Автомобильный профиль делает аппарат «скользким», само колесо неустойчивое в повороте.
А ежели у аппарата еще и центр тяжести пониже организовать, тогда он и вовсе как айсберг на дороге стоять будет, и никакие Титаники такому аппарату на пути не страшны: Управлять, правда, может и тяжело будет, но кого это волнует? Не для того широкие катки ставят, чтобы меж машин шнырять! Да машины сами в стороны от таких катков отпадать будут!
Но все же, так, для статистики, решил посмотреть папа-байкер на сколько надо наклонить аппарат в тех же условиях как и раньше, но с более низко расположенным центром тяжести.
Оказалось, что на 11 градусов больше. Оказалось, что чем ниже у аппарата центр тяжести, тем больше надо наклонять этот аппарат в повороте при прочих равных условиях. И наоборот, чем выше центр тяжести, тем легче аппарат заныривает в повороты, тем легче ему крутиться в лабиринтах поворотов. Вот и выходит, что при всем своем огромном желании не получится аппарату с красивой(длинной) вилкой, да с могучими колесами, да с тяжелыми: (ну вы знаете что там у нас внизу) повороты проходить на большой скорости. На таких аппаратах медленно надо ездить и солидно, чинно и благородно.
Вот мы тут говорили про потребный угол наклона двухколесных в повороте. А вот интересно, откуда он берется этот потребный угол? Хорошо. Представим себе, что наш аппарат катит по какой-то дуге... В школе всем нам говорили, что при движении по окружности на тело воздействует центробежная сила. Это сила изза которой тело стремится «убежать» подальше от центра дуги.
И чтобы наш байк не выбрасывало из поворота (на больший радиус), нужно нечто, что могло бы уравновесить движение. Ведь стабильное движение возможно только при равновесии всех сил, воздействующих на тело.
Например сила сопротивления и сила тяги гдвигателя уравновешиваются, порождая равномерное движение с определенной скоростью. Вырастет тяга (если «газу дать») — вырастет и скорость. Подрастет скорость — подрастет и сопротивление, пока не уравновесится с новой тягой. Аэродинамическое сопротивление воздуха растет гораздо быстрее, чем скорость, ведь оно пропорционально не скорости а ее квадрату, т.е. скорости, умноженной на скорость. Скорость в два раза, сопротивление — в четыре, скорость в три, сопротивление — в девять... Вот почему мощность байков растет как грибы, а их скорости так и пляшу меж 200 и 300 км/ч.
А что же в повороте уравновесит центробежную силу? Все таже старая добрая сила тяжести. Как? Да вот так (слева направо): на заданном постоянном радиусе при заданной постоянной скорости возникает постоянная по величине центробежная сила (желтая стрелка, или вектор, если угодно). В сумме с силой тяжести (тоже постоянная величина, зеленый вектор) они порождают результирующую красную силу. Аппарат движется в повороте стабильно с таким наклоном, при котором результирующая проходит через точку опоры. Так мы и пришли к потребному углу наклона аппарата, здесь это 23 градуса. Угол меньше — вылетаете с поворота (на больший радиус), больше — заваливаетесь в поворот еще сильнее (на меньший радиус). Свешиваясь в сторону, вы смещаете центр тяжести системы, наклоняя его(центр) а не весь моточикл, даете возможность резине «держаться».
Ну и как это все связано с размышлениями нашего бедолаги папы-байкера? Шизофренией, батенька, шизофренией... Говорят, это когда одна мысль порождает другую, та — третью и т.д. Но здесь легче: движение двухколесных в повороте напрямую связано с выносом. Войти в поворот можно либо наклонившиь в сторону поворота, и тогда именно вынос зделает свое дело, либо — малехо повернув руль в другую сторону, мы «уводим колеса» из под центра тяжести системы и этим порождаем наклон, в котором и поворачиваем. Вспомним опять езду на велике «без рук». Когда мы едем не касаясь руля, нам достаточно наклониться немного в сторону поворота и велик начинает потихоньку сворачивать в поворот. Если мы хотим повернуть, скажем, направо, но при этом едем медленее — тогда наоборот: сначала идет быстрый рывок-наклон влево, и когда колеса «уходят из под нас» левее, мы получаем достаточный наклон, чтобы быстро повернуть вправо. Когда мы стоим и держим велик за сидушку, он не реагирует ни на что. Если начнем наклонять его на месте влево (заваливать) , руль не то, чтобы сам повернется, а скорее упадет в ту же сторону. И чем больше вынос, тем сильнее повернется руль. В движении руль не «падает», а только немного доворачивается в сторону наклона. И чем больше скорость, тем медленнее. Чем быстрее крутится колесо (чем больше скорость), тем труднее повернуть руль. Виной тому гироскопический эффект. Все мы игрались с юлой — маленьким гироскопом. Больше скорость ее вращеня и масса — стабильнее стоит на столе. То же самое и с колесом, только оно не в горизонтальной плоскости вращается, а в вертикальной. И чем быстрее оно крутится, и чем тяжелее оно, тем ровнее будет катиться, тем медленнее поворачиваться.
Помните, чем больше вынос, тем сильнее повернется руль у стоящего на месте велика? И чем больше вынос, тем сильнее (наклоненный) аппарат будет доворачивать вилку в сторону поворота, чтобы выровняться. Будет проявлять свой устойчивый характер, и тем самым затруднять прохожднение поворотов. Соответственно, чем вынос меньше тем «охотнее» двухколесник будет входить в повороты и в них держаться. Если вынос недостаточен, аппарат «не захочет» выходить из поворота, и это уже неуправляемость с неустойчивостью вместе.
Но чем больше скорость тем медленнее аппарат реагирует на наклоны, тем сильнее из наклонов вырывается, тем более ровно стремится ехать. В том числе и изза колеса-гироскопа. Значит в выборе величины выноса надо еще и преобладающие скорости аппарата учитывать. Так сказать настройка на скорость.
