Одним із найулюбленіших видів активного відпочинку є прогулянка на велосипеді. Крім того, що велосипед дозволяє зміцнити і розвинути різні м'язи (м'язи ніг, рук, спини і живота), це ще й засіб побачити місцеві визначні пам'ятки або просто підняти собі настрій, катаючись на ньому всією сім'єю або з друзями. Однак, велосипед при невмілій їзді може спричиняти отримання синців та садна. Особливо під час їзди на великій швидкості під час повороту. Спробуймо розібратися, що потрібно робити, щоб безпечно проходити повороти під час їзди на велосипеді.
При обертанні педалей велосипеда зусилля велосипедиста передається колесам, тому вони починають обертатися. Шини велосипеда взаємодіють із поверхнею дороги. Силами цієї взаємодії є сила реакції опори та сила тертя, саме остання є причиною руху велосипеда, а також оберігає велосипед від занесення під час повороту. Чим більша сила тертя між шинами велосипеда та дорожнім покриттям, тим впевненішою та надійнішою буде їзда, особливо на поворотах. Максимальна сила тертя – сила тертя ковзання, визначається формулою:
де - Коефіцієнт тертя, а N - сила реакції опори, спрямована вертикально вгору.
Під час повороту велосипед рухається дугою, що має деякий радіус R (див. вид зверху). При цьому швидкість велосипеда спрямована по дотичній до траєкторії, а доцентрове прискорення і сила тертя, що утримує велосипедиста, спрямовані до центру дуги. Згідно з другим законом Ньютона:
Враховуючи, що сила тяжіння спрямована вертикально вниз, а доцентрове прискорення дорівнює,
отримаємо, що мінімальний можливий радіус дуги розраховується за такою формулою:
Коефіцієнт тертя гуми знаходиться в інтервалі від 0,5 до 0,8 для сухого асфальту та в інтервалі від 0,25 до 0,5 для мокрого асфальту. Тому при русі зі швидкістю 15 км/год (приблизно 4,2 м/с) безпечним буде поворот по дузі радіусу R= 4,2 2 / (0,5·9,8) = 3,6 м (сухий асфальт) і R = 4,2 2 / (0,25 · 9,8) = 7,2 м (мокрий асфальт).
Слід зазначити, що з збереження рівноваги при повороті потрібно трохи нахиляти велосипед у бік повороту.
За запропонованим методом ми пропонуємо вам розрахувати:
- радіус дуги безпечного повороту при швидкості 24 км/год на сухій ґрунтовій дорозі (коефіцієнт тертя 0,4) та на льоду (коефіцієнт тертя 0,15);
- кут α нахилу велосипеда для збереження рівноваги при повороті на тій самій швидкості, враховуючи, що відцентрова сила прикладена до центру мас велосипеда.
Щоб двоколісний велосипед не впав, потрібно постійно підтримувати рівновагу. Оскільки площа опори велосипеда дуже мала (у разі двоколісного велосипеда це лише пряма, проведена через дві точки, в яких колеса торкаються землі), такий велосипед може перебувати тільки в динамічній рівновазі. Це досягається за допомогою підрулювання: якщо велосипед нахиляється, велосипедист відхиляє кермо в той самий бік. В результаті велосипед починає повертати, і відцентрова сила повертає велосипед у вертикальне положення. Цей процес відбувається безперервно, тому двоколісний велосипед не може їхати прямо; якщо кермо закріпити, велосипед обов'язково впаде. Чим вища швидкість, тим більша відцентрова сила і тим менше потрібно відхиляти кермо, щоб підтримувати рівновагу.
При повороті потрібно нахилити велосипед у бік повороту так, щоб сума сили тяжіння та відцентрової сили проходила через лінію опори. В іншому випадку відцентрова сила перекине велосипед у протилежний бік. Як і при русі по прямій, ідеально зберігати такий нахил неможливо, і підрулювання здійснюється точно так само, тільки положення динамічної рівноваги зміщується з урахуванням відцентрової сили, що виникла.
Конструкція кермового керування велосипеда полегшує підтримання рівноваги. Вісь обертання керма розташована не вертикально, а нахилена назад. Крім того, вона проходить нижче за осю обертання переднього колеса і попереду тієї точки, де колесо стосується землі. Завдяки такій конструкції досягаються дві цілі
- При випадковому відхиленні переднього колеса велосипеда, що рухається, від нейтрального положення виникає момент сили тертя щодо рульової осі, який повертає колесо назад в нейтральне положення.
- Якщо нахилити велосипед, виникає момент сили, що повертає переднє колесо у бік нахилу. Цей момент викликаний силою реакції опори. Вона додана до точки, в якій колесо стосується землі і спрямована вгору. Через те, що рульова вісь не проходить через цю точку, при нахилі велосипеда сила реакції опори зміщується щодо кермової осі.
Таким чином, здійснюється автоматичне підрулювання, що допомагає підтримувати рівновагу. Якщо велосипед випадково нахиляється, то переднє колесо повертається в той самий бік, велосипед починає повертати, відцентрова сила повертає його у вертикальне положення, а сила тертя повертає переднє колесо назад у нейтральне положення. Завдяки цьому можна без особливих проблем їхати велосипедом «без рук». Велосипед сам підтримує рівновагу. Зсунувши центр ваги убік, можна підтримувати постійний нахил велосипеда та виконати поворот.
Можна помітити, що здатність велосипеда самостійно зберігати динамічну рівновагу залежить від конструкції кермової вилки. Визначальним є плече реакції опори колеса, тобто довжина перпендикуляра, що опущений з точки торкання колеса землі на вісь обертання вилки; або, що еквівалентно, але простіше виміряти — відстань від точки дотику колеса до точки перетину осі обертання вилки із землею. Таким чином, для одного і того ж колеса виникає момент, тим більше, чим більше нахил осі обертання вилки. Однак для досягнення оптимальних динамічних характеристик потрібен не максимальний момент, а суворо визначений: якщо надто малий момент призведе до труднощі утримання рівноваги, то занадто великий до коливальної нестійкості, зокрема шиммі (див. нижче). Тому положення осі колеса щодо осі вилки ретельно вибирається під час проектування; багато велосипедні вилки мають згин або просто зміщення осі колеса вперед для зниження надлишкового компенсуючого моменту.
На високих швидкостях (починаючи приблизно з 30 км/год) переднє колесо може відчувати т.з. швидкісні виляння (speed wobbles), або "шиммі" - явище, добре відоме в авіації. При цьому явище колесо мимоволі виляє вправо та вліво. Швидкісні виляння найбільш небезпечні при їзді без рук (тобто коли велосипедист їде, не тримаючись за кермо). Причина швидкісних вилянь - не в поганому складанні або слабкому кріпленні переднього колеса, вони викликані резонансом. Швидкісні виляння легко погасити, зменшивши швидкість або змінивши позу, але якщо цього не зробити, вони можуть бути смертельно небезпечними.
На високих швидкостях для керування велосипедом можна застосовувати прийом контрруляння, знайомий мотоциклістам. Плавно відштовхуємо праву ручку керма від себе і утримуємо в такому положенні — повертаємо праворуч. Пхаємо ліву від себе - повертаємо ліворуч.
Їзда на велосипеді ефективніша (за витратами енергії на кілометр) як ходьби, так і їзди на автомобілі. При їзді велосипедом зі швидкістю 30 км/год спалюється 15 ккал/км (кілокалорій на кілометр), або 450 ккал/год (кілокалорій на годину). При ходьбі зі швидкістю 5 км/год спалюється 60 ккал/км або 300 ккал/год, тобто їзда велосипедом у чотири рази ефективніша ходьби з витрат енергії на одиницю відстані. Оскільки при їзді на велосипеді витрачається більше калорій на годину, вона також є найкращим спортивним навантаженням. При бігу витрати калорій за годину ще вищі. Необхідно враховувати, що ударні навантаження при бігу, а також неправильна їзда на велосипеді (наприклад, їзда в гору на високих передачах, переохолодження колін, відсутність достатньої кількості рідини тощо) можуть травмувати коліна та гомілковостопний суглоб. Тренований чоловік, який не є професійним спортсменом, може протягом тривалого часу розвивати потужність 250 Вт, або 1/3 л. с. Це відповідає швидкості 30-50 км/год рівною дорогою. Жінка може розвивати меншу абсолютну потужність, але більшу потужність на одиницю ваги. Оскільки на рівній дорозі майже вся потужність витрачається на подолання опору повітря, а при їзді в гору основні витрати — на подолання сили тяжіння, жінки за інших рівних умов їдуть повільніше по рівному місцю і швидше в гору.
Витрати калорій необхідно розраховувати на кілограм маси тіла. 4 км/год - 0,04; 10 км/год - 0,07; 15 км/год - 0,11; 20 км/год - 0,14; 30 км/год - 0,18; далі вибраний коефіцієнт помножити на масу тіла, і ми отримаємо витрату калорій за хвилину. Наприклад я їхав 2,5 години із середньою швидкістю 30 км/год, моя вага 95 кг разом 0,18*95*150=2565 ккал. Дехто до власної маси додає масу велосипеда, що досить спірно. У будь-якому випадку можна отримати лише приблизні дані.
Швидкість велосипеда залежить від потужності кручення педалей, типу та класу велосипеда, стану дорожнього полотна, рельєфу та вітру. Цікаво оцінити у яких пропорціях.
За моїми спостереженнями, якщо на гладкому шосе крейсерська швидкість становить 30 км/год, то на другорядній дорозі вона знижується до 25, при їзді в групі може зрости до 35, зустрічний вітер може погасити швидкість до 20 км/год і це сприймається важко. При заїзді в гірку швидкість легко гаситься, наприклад, до 15 км/год і це сприймається нормально.
У мережі вважається, що вже при швидкостях 25-30 км/год основні сили йдуть на боротьбу з опором повітря, та й взагалі швидкості більше 30 км/год визначаються не так силою ніг, як аеродинамікою. Мене це насторожує. 
За моїми спостереженнями аеродинаміка набагато більше відчувається при зустрічному вітрі, коли проти вітру доводиться боротися. У той же час попутний вітер не відчувається зовсім, оскільки швидкість руху зазвичай більша за швидкість вітру. А швидкість не стає дуже великою. Може значення аеродинаміки дещо перебільшено? На щастя не дуже складно прикинути розподіл витрат під час руху велосипеда. Потім можна порівняти ці дані з опублікованими у мережі спостереженнями користувачів велосипедів із вимірювачами потужності.
Потужність та сила тяги
Спочатку цікаво зрозуміти, які ресурси є у велосипедиста. При тривалому педалюванні основна характеристика це потужність, що видається. Судячи з відгуків власників вимірювачів потужності, можна вважати, що довго можна видавати 200 ватів. Це відповідає при швидкості 25 км/год постійної сили «тяги» 28.8 ньютонів (25 км/год це 6.94 м/с, 200/6.94 = 28.8).
Для більшої наочності далі силу наводитиму в одиницях кілограм-сили. 
Одна кілограм-сила (позначення "кГ" на відміну від маси - "кг") це вага тіла з масою 1 кг, тобто сила з якої гиря, на якій написано "1 кг" тисне на ваги. Це те, з чим ми маємо справу в побуті замість «маси тіла». 1 кг = 9.81 ньютонів.
Відповідно, 200 ват виробленої потужності при 25 км/год це всього лише 2.9 кг прикладеної до велосипеда сили. Це здається дивним, адже можна легко підняти вантаж набагато більший. Але в цьому є відмінність сили від роботи. Вантаж потрібно не просто підняти, а піднімати та піднімати, причому швидко. Звичайно, на короткий термін можна розвинути і більшу силу і більшу потужність, але на тривалий період виходить приблизно такі цифри. До речі, потужність коня, 1 л. = 736 Вт, всього в 3.5 рази більше ніж потужність середнього велосипедиста.
Під час руху транспортного засобу сила опору (F) визначається трьома факторами: тертям кочення (R), гірками (T) (виражається у збільшенні ваги, яку потрібно заштовхнути в гору) і опором повітря (Q).
Сила тертя залежить від коеф. тертя (k) та складової ваги (P) перпендикулярно поверхні. Тобто чим більше вага, чим гірша дорога, чим гірша шина, тим опір через тертя більше.
Гірка додає тягнучу силу (Т), залежно від ваги (P) і кута (альфа), але дещо зменшуючи тиск на поверхню, тобто силу тертя.
Нарешті, сила аеродинамічного опору (Q) пропорційна площі поперечного (лобового) перерізу (S), коефіцієнта аеродинамічного опору (Cx) та квадрату швидкості (v), множник (ро) це щільність повітря.
Гірки
З трьох доданків повна ясність тільки з рухом у гірку або з гірки. Вага (велосипедист + споряджений велосипед) відома, тангенс кута нахилу теж.
Тангенс відзначений на дорожньому знаку, оскільки це відсоток набору висоти на проекцію по горизонталідовжина шляху. Тобто це довжина дороги по карті. При «відсотках» характерних для доріг це практично те саме, що й «синус» — набір висоти на довжину шляхуАле слід пам'ятати, що ухил 100% відповідає куту 45 градусів, а не 90. Загалом, можна вважати, що ухил 10% позначає 1 метр підйому на 10 метрів шляху.
Сила, яка постійно тягтиме назад під час підйому, це відсотки, вказані на дорожньому знаку, від спорядженої ваги (велосипедист + велосипед). Наприклад, при вазі 90 кг при русі в підйом з ухилом 10% велосипед тягне назад сила в 9 кг. Так як вважаємо, що в розпорядженні у велосипедиста 200 ват потужності або як розглядав вище 2.9 кг сили тяги при швидкості 25 км/год, то зрозуміло, що на такій швидкості йому ніяк не заїхати, оскільки 2.9 кг тягне вперед менше, ніж 9 кг тягне назад. Але за зниження швидкості, «сила тяги» зростає. Якщо знехтувати втратами на тертя та опір повітря, то можна заїхати на швидкості W/F (існуюча у розпорядженні потужність, поділена на силу, що тягне назад), тобто 8 км/год. (200 / 9 / 9.81 * 3.6) . Схоже на правду 🙂
Є й хороша новина. При їзді з гірки з ухилом 10% це дає (розглянутому вище велосипедисту) 9 кг до сили тяги, що втричі більше, ніж видається кручення педалей. Тому педалі крутити, загалом особливого сенсу немає. Найкраще зберегти сили.
Тертя
У першому доданку R є невідомий коефіцієнт тертя. Точніше, коефіцієнт тертя кочення (k = k'*r, де r — радіус колеса). Він залежить від «котімості» покришки та якості дороги. Зрозуміло, може змінюватись у широких межах, причому дані знайти складно. Для початку можна взяти для шосейного колеса на асфальті k = 0.004, хоча зустрічаються дані і в 10 разів менше, і в 4 рази більше. Якщо порівняти із силами при їзді в гірку, то такий коефіцієнт тертя відчувається як підйом у гору з ухилом 0.4%, тобто, практично ніяк. У кілограм-силі це 0.36 кг. Відповідна гіпотетична швидкість (без гірки та без опору повітря, наприклад на велотренажері) при 200 Вт = 204 км/год. Не схоже на правду 🙂 Зазвичай відразу відчувається, котить велосипед чи ні. Або ось цей велосипед/шини/тиск у шинах/асфальт тощо. котить краще, а он той — гірший. Судячи з обчислень на швидкостях суттєво менше 200 км/год таких відчуттів не повинно бути, всі велосипеди мають здаватися однаковими.
Опір повітря
В «аеродинамічному» доданку два параметри, які впливають на опір. Перший - "лобова" площа (S).
Цей параметр можна виміряти за допомогою аналогічних фотографій. Зроблю це пізніше, зіставлення розрахунків з експериментальними даними. Для оцінки поки що можна вважати S = 0.5 м2. Другий параметр Cx найзагадковіший. Це коефіцієнт аеродинамічного опору або коефіцієнт. обтікання.
Цей коефіцієнт залежить від того, наскільки гладка поверхня і від того, наскільки досконала аеродинамічна форма. Для оцінки можна взяти Сх = 0.5
Для швидкості 25 км/год сила аеродинамічного опору виходить рівною 0.75 кг, або відбиратиме всього 51 ват з наявних 200 ват. А якщо використовувати всі 200 ват на аеродинамічний опір, то розрахункова швидкість вийде рівною 39 км/год, сила аеро-гальмування при цьому дорівнюватиме 1.9 кг. Поки що складно прокоментувати. На 25 км/год дійсно аеродинамічний опір не особливо відчувається, а 39 км/год у моєму випадку досягається при спуску з гірки, а гірка може давати величезний плюс потужності педалювання.
Загалом для наведених вище оціночних параметрів (вага велосипедиста + велосипед = 90 кг, асфальт) для їзди в невелику гірку, яка може і не відчуватися як гірка = 1% (це 1 метр перепаду на 100 метрів шляху), наявні 200 ват дадуть швидкість 30.7 км/год. Розподіл витрат: на тертя 15% (0.36 кг), на гірку 38% (0.9 кг), на аеродинаміку 47% (1.14 кг). А при їзді вниз з такої ж гірки швидкість зросте до 43 км/год, що з'явилася «тяга» з гірки = 0.9 кг дасть можливість компенсувати втрати на опір повітря = 2.2 кг.
Цифри можна помацати за допомогою .
Таким чином, перші висновки приблизно такі:
- Аеродинамічний опір правильніше зіставляти з їздою в гірку (з гірки), а не з подоланням тертя, оскільки гірка дає зіставний з «аеро» внесок навіть при зовсім непомітних ухилах.
- Із «котімістю» велосипеда потрібно розібратися експериментально. Цілком можливо, що коеф. тертя у мережі сильно занижені.
У мережі є чудовий експеримент з досягнення швидкості при різній прикладається до педалей потужності. Звідти можна взяти дані, щоб уточнити розподіл вкладів від «котімості» та аеродинаміки. Це буде зроблено у замітці.
Зазначу, що вище розглядався рух, що встановився. Це означає, що зовсім не бралася до уваги інерція руху, яка здорово відчувається при катанні. Наприклад, розігнавшись із гірки, особливо «підкрутивши» внизу, можна легко залетіти у невеликий підйом. Але якщо підйом великий, то, зрештою, накопичена інерція від попереднього спуску витратиться. Ось тоді наведені вище формули і починають діяти. Внесок інерції трохи розглянув у замітці.
Щоб двоколісний велосипед не впав, потрібно постійно підтримувати рівновагу. Оскільки площа опори велосипеда дуже мала (у разі двоколісного велосипеда це лише пряма, проведена через дві точки, в яких колеса торкаються землі), такий велосипед може перебувати тільки в динамічній рівновазі. Це досягається за допомогою підрулювання: якщо велосипед нахиляється, велосипедист відхиляє кермо в той самий бік. В результаті велосипед починає повертати і відцентрова сила повертає велосипед у вертикальне положення. Цей процес відбувається безперервно, тому двоколісний велосипед не може їхати прямо; якщо кермо закріпити, велосипед обов'язково впаде. Чим вища швидкість, тим більша відцентрова сила і тим менше потрібно відхиляти кермо, щоб підтримувати рівновагу.
При повороті потрібно нахилити велосипед у бік повороту так, щоб сума сили тяжіння та відцентрової сили проходила через лінію опори. В іншому випадку відцентрова сила перекине велосипед у протилежний бік. Як і при русі по прямій, ідеально зберігати такий нахил неможливо, і підрулювання здійснюється точно так само, тільки положення динамічної рівноваги зміщується з урахуванням відцентрової сили, що виникла. Конструкція кермового керування велосипеда полегшує підтримання рівноваги. Вісь обертання керма розташована не вертикально, а нахилена назад. Крім того, вона проходить нижче за осю обертання переднього колеса і попереду тієї точки, де колесо стосується землі.
Завдяки такій конструкції досягаються дві цілі:
При випадковому відхиленні переднього колеса від нейтрального положення виникає момент сили тертя щодо кермової осі, який повертає колесо назад у нейтральне положення.
Якщо нахилити велосипед, виникає момент сили, що повертає переднє колесо у бік нахилу. Цей момент викликаний силою реакції опори. Вона додана до точки, в якій колесо стосується землі і спрямована вгору. Через те, що рульова вісь не проходить через цю точку, при нахилі велосипеда сила реакції опори зміщується щодо кермової осі.
Таким чином, здійснюється автоматичне підрулювання, що допомагає підтримувати рівновагу. Якщо велосипед випадково нахиляється, то переднє колесо повертається в той самий бік, велосипед починає повертати, відцентрова сила повертає його у вертикальне положення, а сила тертя повертає переднє колесо назад у нейтральне положення. Завдяки цьому, можна їхати велосипедом «без рук». Велосипед сам підтримує рівновагу. Зсунувши центр ваги убік, можна підтримувати постійний нахил велосипеда та виконати поворот.
Можна помітити, що здатність велосипеда самостійно зберігати динамічну рівновагу залежить від конструкції кермової вилки. Визначальним є плече реакції опори колеса, тобто довжина перпендикуляра, що опущений з точки торкання колеса землі на вісь обертання вилки; або, що еквівалентно, але простіше виміряти - відстань від точки дотику колеса до точки перетину осі обертання вилки із землею. Таким чином, для одного і того ж колеса виникає момент, тим більше, чим більше нахил осі обертання вилки. Однак для досягнення оптимальних динамічних характеристик потрібен не максимальний момент, а суворо визначений: якщо занадто малий момент призведе до труднощі утримання рівноваги, то занадто великий - коливальної нестійкості, зокрема - шиммі (див. нижче). Тому положення осі колеса щодо осі вилки ретельно вибирається під час проектування; багато велосипедні вилки мають згин або просто зміщення осі колеса вперед для зниження надлишкового компенсуючого моменту.
Поширена думка про суттєвий вплив гіроскопічного моменту коліс, що обертаються, на підтримку рівноваги є неправильною. На високих швидкостях (починаючи приблизно з 30 км/год) переднє колесо може відчувати т.з. швидкісні виляння (speed wobbles), або "шиммі" - явище, добре відоме в авіації. При цьому явище колесо мимоволі виляє вправо та вліво. Швидкісні виляння найбільш небезпечні при їзді без рук (тобто коли велосипедист їде, не тримаючись за кермо). Причина швидкісних вилянь - не в поганому складанні чи слабкому кріпленні переднього колеса, вони викликані резонансом. Швидкісні виляння легко погасити, зменшивши швидкість або змінивши позу, але якщо цього не зробити, вони можуть бути смертельно небезпечними.
Їзда на велосипеді ефективніша (за витратами енергії на кілометр) як ходьба, так і їзда на автомобілі. При їзді велосипедом зі швидкістю 30 км/год спалюється 15 ккал/км (кілокалорій на кілометр), або 450 ккал/год (кілокалорій на годину). При ходьбі зі швидкістю 5 км/год спалюється 60 ккал/км або 300 ккал/год, тобто їзда велосипедом у чотири рази ефективніша ходьби з витрат енергії на одиницю відстані. Оскільки при їзді на велосипеді витрачається більше калорій на годину, вона також є найкращим спортивним навантаженням. (При бігу витрати калорій на годину ще вищі, але вібрація травмує коліна та гомілковостопний суглоб). Тренований чоловік, який не є професійним спортсменом, може протягом тривалого часу розвивати потужність 250 Вт, або 1/3 к.с. Це відповідає швидкості 30-50 км/год по рівній дорозі. Жінка може розвивати меншу потужність, але більшу потужність на одиницю ваги. Оскільки на рівній дорозі майже вся потужність витрачається на подолання опору повітря, а при їзді в гору основні витрати - на подолання сили тяжіння, жінки, за інших рівних умов, їдуть повільніше на рівне місце і швидше в гору.
Щоб двоколісний велосипед не впав, потрібно постійно підтримувати рівновагу. Оскільки площа опори велосипеда дуже мала (у разі двоколісного велосипеда це лише пряма, проведена через дві точки, в яких колеса торкаються землі), такий велосипед може перебувати тільки в динамічній рівновазі. Це досягається за допомогою підрулювання: якщо велосипед нахиляється, велосипедист відхиляє кермо в той самий бік. В результаті велосипед починає повертати і відцентрова сила повертає велосипед у вертикальне положення. Цей процес відбувається безперервно, тому двоколісний велосипед не може їхати прямо; якщо кермо закріпити, велосипед обов'язково впаде. Чим вища швидкість, тим більша відцентрова сила і тим менше потрібно відхиляти кермо, щоб підтримувати рівновагу.
При повороті потрібно нахилити велосипед у бік повороту так, щоб сума сили тяжіння та відцентрової сили проходила через лінію опори. В іншому випадку відцентрова сила перекине велосипед у протилежний бік. Як і при русі по прямій, ідеально зберігати такий нахил неможливо, і підрулювання здійснюється точно так само, тільки положення динамічної рівноваги зміщується з урахуванням відцентрової сили, що виникла.
Конструкція кермового керування велосипеда полегшує підтримання рівноваги. Вісь обертання керма розташована не вертикально, а нахилена назад. Крім того, вона проходить нижче за осю обертання переднього колеса і попереду тієї точки, де колесо стосується землі. Завдяки такій конструкції досягаються дві цілі:
- При випадковому відхиленні переднього колеса велосипеда, що рухається, від нейтрального положення виникає момент сили тертя щодо рульової осі, який повертає колесо назад в нейтральне положення.
- Якщо нахилити велосипед, виникає момент сили, що повертає переднє колесо у бік нахилу. Цей момент викликаний силою реакції опори. Вона додана до точки, в якій колесо стосується землі і спрямована вгору. Через те, що рульова вісь не проходить через цю точку, при нахилі велосипеда сила реакції опори зміщується щодо кермової осі.
Таким чином, здійснюється автоматичне підрулюваннядопомагає підтримувати рівновагу. Якщо велосипед випадково нахиляється, то переднє колесо повертається в той самий бік, велосипед починає повертати, відцентрова сила повертає його у вертикальне положення, а сила тертя повертає переднє колесо назад у нейтральне положення. Завдяки цьому, можна їхати велосипедом «без рук». Велосипед сам підтримує рівновагу. Зсунувши центр ваги убік, можна підтримувати постійний нахил велосипеда та виконати поворот.
Можна помітити, що здатність велосипеда самостійно зберігати динамічну рівновагу залежить від конструкції кермової вилки. Визначальним є плече реакції опори колеса, тобто довжина перпендикуляра, що опущений з точки торкання колеса землі на вісь обертання вилки; або, що еквівалентно, але простіше виміряти - відстань від точки дотику колеса до точки перетину осі обертання вилки із землею. Таким чином, для одного і того ж колеса виникає момент, тим більше, чим більше нахил осі обертання вилки. Однак для досягнення оптимальних динамічних характеристик потрібен не максимальний момент, а суворо визначений: якщо занадто малий момент призведе до труднощі утримання рівноваги, то занадто великий - коливальної нестійкості, зокрема - шиммі (див. нижче). Тому положення осі колеса щодо осі вилки ретельно вибирається під час проектування; багато велосипедні вилки мають згин або просто зміщення осі колеса вперед для зниження надлишкового компенсуючого моменту.
Поширена думка про суттєвий вплив гіроскопічного моменту коліс, що обертаються, на підтримку рівноваги є неправильною.
На високих швидкостях (починаючи приблизно з 30 км/год) переднє колесо може відчувати т.зв. швидкісні виляння (speed wobbles), або «шиммі» - явище, добре відоме в авіації. При цьому явище колесо мимоволі виляє вправо та вліво. Швидкісні виляння найбільш небезпечні при їзді без рук (тобто коли велосипедист їде, не тримаючись за кермо). Причина швидкісних вилянь - не в поганому складанні чи слабкому кріпленні переднього колеса, вони викликані резонансом. Швидкісні виляння легко погасити, зменшивши швидкість або змінивши позу, але якщо цього не зробити, вони можуть бути смертельно небезпечними.
Їзда на велосипеді ефективніша (за витратами енергії на кілометр) як ходьби, так і їзди на автомобілі. При їзді велосипедом зі швидкістю 30 км/год спалюється 15 ккал/км (кілокалорій на кілометр), або 450 ккал/год (кілокалорій на годину). При ходьбі зі швидкістю 5 км/год спалюється 60 ккал/км або 300 ккал/год, тобто їзда велосипедом у чотири рази ефективніша ходьби з витрат енергії на одиницю відстані. Оскільки при їзді на велосипеді витрачається більше калорій на годину, вона також є найкращим спортивним навантаженням. При бігу витрати калорій за годину ще вищі. Необхідно враховувати, що ударні навантаження при бігу, а також неправильна їзда на велосипеді (наприклад, їзда в гору на високих передачах, переохолодження колін, відсутність достатньої кількості рідини тощо) можуть травмувати коліна та гомілковостопний суглоб. Тренований чоловік, який не є професійним спортсменом, може протягом тривалого часу розвивати потужність 250 Вт, або 1/3 л. с. Це відповідає швидкості 30-50 км/год рівною дорогою. Жінка може розвивати меншу абсолютну потужність, але більшу потужність на одиницю ваги. Оскільки на рівній дорозі майже вся потужність витрачається на подолання опору повітря, а при їзді в гору основні витрати - на подолання сили тяжіння, жінки, за інших рівних умов, їдуть повільніше на рівне місце і швидше в гору.
За матеріалами Вікіпедії