Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Внутри них есть спицы. Каждая спица с виду довольно непрочная. Она сделана из той же проволоки, что и дешевые вешалки, которые вы можете согнуть одной рукой. Не будет преувеличением сказать, что 99 % поверхности велосипедного колеса – пустое пространство. Сидя на своем велосипеде, вы по сути опираетесь практически на воздух. Конечно, секрет в количестве спиц. У обычного гоночного велосипеда в каждом колесе 24 спицы (иногда 32, 36 и даже 40). Таким образом, в двух колесах 48 спиц. Предположим, вы весите 75 кг, а сам велосипед – 25 кг. Значит, все его спицы должны поддерживать этот груз. Для облегчения расчетов допустим, что всего спиц 50. Получается, что на каждую из них приходится 2 кг (или 20 Н). Могли бы вы расположить две пачки сахара, каждая по 1 кг, на проволочных плечиках для одежды без риска погнуть их? Сомнительно. Значит, с точки зрения науки здесь должны действовать еще какие-то силы.

Велосипед или мост?

Вы можете легко согнуть велосипедную спицу, но, сколько бы вы ни старались, вам не удастся растянуть ее. В этом и состоит секрет работы велосипедного колеса. В отличие от обычного колеса повозки, на которое давит только сила сжатия, спицы велосипедного колеса испытывают еще и силы натяжения, подобно струнам скрипки, нитям паутины или тросам подвесного моста. Если вы представите себе, что вес велосипеда давит на втулки колес, как вес подвесного моста на опоры, то поймете, что велосипед к тому же висит на своих спицах подобно тому, как мост висит на своих тросах. В любой момент спицы над втулками велосипеда более натянуты, чем расположенные под втулками. Но все спицы велосипедного колеса постоянно испытывают напряжение.

Еще интереснее, чем кажущаяся непрочность велосипедных спиц, представляется их расположение вокруг втулки. В отличие от простого колеса, спицы велосипедного идут не прямо из обода к центру втулки. Они соединяются с ней под определенным углом. Такое соединение называется тангенциальным. Поскольку втулка велосипедного колеса достаточно широка, одни спицы прикрепляются к ней с одной стороны, а другие – с другой. В результате мы получаем туго натянутую сеть из спиц, на которые равномерно распределяется вес ездока и самого велосипеда. Сеть может выдерживать не только его, но и нагрузки, которые возникают при поворотах, когда велосипед наклоняется в их сторону. Система велосипедных спиц и колес является трехмерной структурой, находящейся под сильным механическим напряжением, которая может противодействовать силам, действующим на нее в разных направлениях. Если вы вспомните, что каждая спица велосипедного колеса – довольно непрочная проволока, которую можно согнуть рукой, то поймете, что велосипедное колесо – настоящее инженерное чудо.

Велосипеды – это рычаги

Спицы и колеса велосипедов – это только начало. Хотите увидеть еще несколько трюков? Вспомните о том «несправедливом» преимуществе, которое рычаги дают нам, когда мы хотим увеличить прилагаемую к тому или иному объекту силу. А теперь посчитайте рычаги, которые вы видите на велосипеде.

Руль велосипеда – рычаг, который помогает вам поворачивать переднее колесо даже при плотном соприкосновении шины с поверхностью дороги. Гораздо легче управлять горным велосипедом, у которого широкие и длинные ручки руля, чем гоночным, у которого ручки узкие и специально изогнуты так, чтобы велосипедисту было легче принимать позицию, которая позволяет снизить сопротивление воздуха. Рычаг руля имеет еще одно полезное свойство. Он помогает прочнее удерживать руль, когда на него воздействуют силы от неровностей дороги. Например, представьте себе, что переднее колесо велосипеда попадает в ямку, в результате чего он резко отклоняется в какую-то сторону. Сила, которая при этом воздействует на вас, значительно уменьшается за счет противодействия ей рычага на руле. В результате человеку легче выдерживать при езде на велосипеде прямую траекторию.

Педали (подобие пусковой рукоятки, концы которой упираются в ваши ноги), по сути, также являются рычагами, которые помогают вам увеличивать мышечную силу ваших ног при их движении вниз и вверх. Разумеется, и руль, и педали должны соотноситься по размеру в определенных пропорциях. Теоретически чем длиннее ручки руля, тем легче управлять велосипедом (вспомните: большие рули на грузовиках или автобусах – более мощные рычаги). И чем длиннее шарнир педалей велосипеда, тем легче их вращать. Но размах ручек вашего велосипеда не может быть больше, чем размах ваших рук, а шарнир педали не должен задевать землю.

Нужна скорость