Dinamica motocicletei

[Jane Roe]

Textul ce il postez, este copiat de pe un site, asa ca nici un cuvant nu-mi apartine. Spun asta, sa nu fiu acuzat de plagiat sau sa dau nastere la discutii ... L-am postat aici, pentru ca mi-a placut si am avut multe de invatat.

 

 

 

Aproape oricare dintre noi, copil fiind, a gustat din “magia” mersului pe cele doua roti ale unei biciclete. La adolescenta sau maturitate unii au continuat deplasarea pe doua roti folosindu’se insa de alfel de propulsie, respectiv de motociclete. De capacitati mai mari sau mai mici, diferite modele si categorii, mai toate se supun aceleasi teorii - Dinamica Motocicletei. In acest articol nu mi’am propus sa va spun doar CE ci mai ales DE CE apar anumite forte si reactii la conducerea unei motociclete, in speranta ca aceste noi informatii vor contribui la imbunatatirea calitatii conducerii motocicletelor Dvs., sau macar la explicarea, chiar si partiala, a unor fenomene pe care le’ati observat mai mult sau mai putin constient.

Dinamica bicicletei si a motocicletei este stiinta care se ocupa cu studiul miscarii biciclurilor si motocicletelor, a partilor lor componente si fortelor ce actioneaza asupra lor. Subcapitole specifice includ “echilibrul”, “controlul directiei (steering)”, “franarea” si “suspensia”.

 

Experimentarea practica si analiza matematica au aratat ca o un biciclu sta “in picioare” cand este in miscare ca sa’si tina centrul de greutate deasupra rotilor sale. “Stabilitatea” este in general aplicata de catre “conducator” sau, in anumite situatii, de catre biciclul insusi.

 

Desi ramanerea in pozitie verticala ar fi principalul scop al motociclistilor incepatori, un biciclu trebuie sa se incline pentru a’si putea schimba directia. Cu cat mai mare viteza sau mai mic unghiul angular, cu atat inclinarea necesara este mai mare. Acest fapt este necesar datorita nevoii de a compensa fortele centrifugale cauzate de inclinare.

 

La franare, depinzand de locatia combinatiei centrului de greutate proprii si a conducatorului in raport cu punctul unde roata din fata ia contact cu asfaltul, se poate frana pana la derapajul rotii din fata sau pana la ridicarea spatelui in aer.

 

ECHILIBRUL

 

O motocicleta ramane in pozitie dreapta cand este in miscare astfel incat “fortele de reactie ale pamantului” echilibreaza exact toate celelalte forte implicate cum ar fi cele gravitationale, inertiale si centrifugale (daca in viraj), aerodinamice sau daca in “crosswind” (crosswind = vantul care sufla perpendicular liniei de rulare sau perpendicular pe o directie anume). Stabilitatea unei motociclete poate fi determinata de pilot sau, in anumite conditii specifice, de motocicleta insasi. Aceasta “auto-stabilitate” este generata de combinatia catorva efecte care la randul lor si ele depind de geometria, distributia greutatii, si viteza de inaintare. Dimensiunea si geometria cauciucurilor, suspensia, amortizorul de directie si elasticitatea cadrului pot deasemenea avea o mare influenta.

Daca controlul directiei unui biciclu este blocat, aceasta face controlul sa devina virtual imposibil, insa daca efectul giroscopic este anulat prin adaugarea unor roti “anti-rotatie” , el va pute fi usor “condus”.

 

GYROSCOPUL

(Introducerea fortelor de precesie si giroscopice)

 

Precesia este un nume stiintific care descrie cum o roata ce se roteste reactioneaza daca axul central este miscat in spatiu. Dand un impuls axei de rotatie, roata ce se invarte, sub influenta fortelor de precesie, va avea tendinta de a se misca in directia 90grade fata de directia initiala a impulsului. Mai mult, directia impulsului este dictatata de ceea ce fizicienii si expertii in mecanica numesc “regula mainii drepte” sau a “burghiului”. Aceasta tendinta a precesiei este in stransa legatura cu conservarea momentului unghiular. In termeni obisnuiti aceasta inseamna ca orice obiect ce se roteste in jurul axei proprii are tendinte giroscopice, si acel obiect este mai stabil raportat la propria axa de rotatie, si in caz ca este deviat, fortele de precesie vor cauza o miscare in directia 90 grade fata de planul initial al axei de rotire.

 

Exista sumedenie de tentative teoretice si practice in realizarea asa zisei bicicletei de “necondus”, prin adaugarea unor roti suplimentare cautandu’se anularea fortelor de precesie si giroscopice.

 

zero_giro

 

 

“Zero-Giroscopic” - un experiment simplu pentru a scoate in evidenta faptul un biciclu sta “in picioare” datorita fortelor de precesie in principal datorita actiunii fortelor giroscopice ale celor 2 roti.

 

Cele 2 roti suplimentare se rotesc egal dar in sens opus celor principale rezultand in anularea efectelor precesiei ori de cate ori se schimba directia ori se inclina ori furca fata este intoarsa. Acestea fiind zise, fortele de precesie sunt inca prezente si actioneaza asupra cadrului si furcii fata respectiv, oricum, perechile duble de roti ce se invart in sensuri contrare cauzand ca toate fortele de precesie asociate cu actiunea de rotire sa fie anulate. In esenta, acest biciclu asa cum este configurat poate fi numit “zero precesie”.

 

Deoarece “precesia” este de fapt o actiune, frecvent se fac multe confuzii. Giroscopul, pe de alta parte, este un lucru fizic si familiar tuturora, asa ca a discuta despre “actiunea giroscopica” pare a avea mai mult sens pentru majoritatea dintre noi. Astfel, in multe lucrari scrise, se gasesc referiri la bicicluri ca “anularea precesiei” sau chiar doar modificarea ca “zero giroscop” in realitate trebuind a fi mentionat ca aceste exprimari sunt de un fel de “erori tehnice”. Actiunea unui giroscop nu poate fi adusa la “zero absolut”. Legile lui Newton si la fel de bine conservarea momentului angular sunt referinte din stiinta clasica a mecanicii. In schimb, putem discuta despre 2 giroscoape ce pot fi concepute a se roti in sensuri diferite, pe acelasi ax sau axe paralele, numeroase proiecte fiind realizate de’a lungul timpului in cautarea demonstrarii practice a diferitelor efecte si forte si anularea lor reciproca.

VITEZA DE INAINTARE

 

Cu cat o motocicleta inainteaza mai repede, cu atat mai mica este forta necesara pentru readucerea rotilor in axul centrului de greutate.

 

METACENTRUL

 

Cu cat centrul metacentric sau centrul de greutate rezultat din combinatia motocicleta-pilot este mai indepartat fata de roata din fata, cu atat aceasta trebuie sa se miste mai mult lateral pentru pastrarea echilibrului. Prin corenspondenta, cu cat metacentrul este mai apropiat de roata din spate cu atat o mai mare miscare a rotii din fata va fi necesara pentru pastrarea echilibrului. Acest lucru poate fi usor observat in cazul motocicletelor “chopper”.

 

Un biciclu este un exemplu de “pendul inversat”. Astfel, o coada de matura este mai usor de tinut in echilibru decat un pix, o motocicleta mai inalta (cu inaltimea metacentrica ridicata) poate fi mai usor de tinut in echilibru deoarece rata sa de inclinare va fi mai mica.

 

TRAIL (nu stiu termenul dedicat in limba romana acestui factor)

 

Trail-ul este unul dintre cei mai importanti factori in cadrul dinamicii motocicletei, ce influenteaza cat de usor sau greu o motocicleta va fi de controlat pe viraje. Valoarea sa este data de distanta dintre punctul de contact al rotii fatacu suprafata pamantului si proiectia furcii fata pe planul de rulaj.

 

trail

 

 

In constructia traditionala de moto-bi-ciclete, furca fata este inclinata fata de verticala, “trail”ul cauzand ca roata din fata sa se miste singura catre directia de inclinare, independent de viteza de inaintare. Acest fapt poate fi usor observat la inclinarea stationara a unei moto-bi-ciclete cand furca fata se va indrepta spre partea de inclinare, raspunzatoare de aceasta fiind fortele de atractie gravitationala.

 

Cu cat “trail”ul este mai mare, cu atat senzatia de stabilitate este mai pronuntata. Bicicluri cu “trail” negativ, chiar daca inca posibil de strunit, vor creea o senzatie de foarte mare instabilitate. Prea mult “trail” pe de alta parte vor duce la “prea” multa stabilitate ce se transforma deja in greutate de manevrare.

 

In cazul motocicletelor mai vorbim despre un alt factor ce contribuie la diminuarea “trail”ului si anume “RAKE”ul -distanta dintre planul furcii fata si punctul sau de prindere sau rotire.

 

“TRAIL”ul este asadar o rezultanta a unghiului, offset-ului si “RAKE”ului furcii fata si diametrul rotii fata.

Relatia matematica poate fi descrisa cu ajutorul urmatoarei formule matematice:

 

ac5d019ff17ad50dcde47aa5c1462a43

 

Unde:

Rw - raza rotii

Ah - unghiul furcii fata masurat in sensul acelor de ceasornic fata orizontala

Of – offset-ul furcii sau “rake”ul

 

“TRAIL”ul poate fi marit prin marirea diametrului rotii fata, descresterea unghiului furcii sau “rake”ului.

 

EFECTELE GIROSCOPICE

 

Rolul efectului giroscopic este ca acesta sa ajute indreptarea rotii fata catre directia de inclinare. Acest fenomen, cum am mai amintit, se mai numeste si precesie, rata cu care un obiect “preceseaza” fiind invers proportionala cu rata de rotatie. Cu cat roata fata se va invarti mai incet cu atat mai repede ea va “precesa” cand motocicleta va fi inclinata intr’o parte sau alta, si viceversa. Roata din spate este scutita de efectul fortelor de precesie ca in cazul rotii din fata datorita precarii cu suprafata de rulaj, si va continua sa se incline ca si cum n’ar exista rotatie. La viteze de inaintare mici, precesia rotii din fata este prea rapida, contribuind la tendinta incotrolabila a motocicletei de a “supra” vira, de a incepe in cealalata parte si pana la urma intrand in oscilatie si cade. La viteze ridicate de inaintare, precesia in general este prea mica, contribuind la tendinta incotrolabila a unei motociclete de a “sub” vira, care pana la urma poate rezulta in cadere chiar fara atingerea pozitiei verticale.

O motocicleta condusa cu viteza ridicata va creea senzatia de stabilitate chiar daca nu este “autostabila” si ar putea cade daca ar fi “necontrolata”.

 

WOBBLE si SHIMY (voblaj si “trepidatii”)

 

La viteze ridicate o motocicleta poate intra in “voblaj” sau “trepidatii”, cand roata din fata incepe spontan sa oscileze lateral. Aceste “voblaje” pot fi in general cu usurinta contracarate prin incetinirea vitezei de rulaj, schimbarea si ajustarea pozititiei pilotului, sau relaxarea fortei de sustinere a furcii fata insa nu trebuie uitat faptul ca la viteze ridicate acestea pot deveni fatale.

 

 

 

Motocicletele se confrunta cu 2 mari probleme aditionale de stabilitate:

- “Voblajul” - o oscilare a rotii fata cu o frecventa ridicata (7-9Hz). In general benigna dar suparatoare si uneori infricosatoare daca pilotul nu a mai experimentat’o in trecut. Poate aparea in general la viteze moderate.

- “Weaving” - o oscilare cu o frecventa mai scazuta (2-3Hz) insa a INTREGII MOTOCICLETE ce poate duce la instabilitate la viteze ridicate si de cele mai multe ori cu rezultate fatale.

 

Designul unei motociclete poate influenta comportamentul si respectiv stabilitatea unei motociclete dupa cu urmeaza:

- Rigiditatea cadrului - rigiditatea laterala si de torsiune a cadrului, “elasticitatea” acestuia putand intra in rezonanta cu ocilatiile de tip “weaving” la viteze ridicate.

- Geometria - influenta “trail”ului. Distorsiunile laterale pot fi controlate prin plasarea axei torsionale a furcii fata cat mai jos posibil.

- Suspensia - telescoape pe furca spate degradate amplifica tendinta de “waving” in special pe viraje stranse.

- Cauciucurile - cele mai pronuntate efecte la abordarea unui viraj sunt date de caracteristicile cauciucului rotii spate, forma si compozitia sa, rigiditatea curburii (rezistenta la deformare), in plan longitudinal si trasversal. Presiunea de umflare influenteaza deasemenea comportamentul unei motociclete la viteze ridicate.

- Incarcatura - o incarcare cu greutatate a partii din spate a unei motociclete amplifica tendinta de “weaving”. Ansambluri de furci spate cu rigiditate sporita si telescop de calitate au fost folosite cu succes in ameliorarea “weaving”ului si “voblajului”.

VIRAREA

 

Pentru a vira, prin aceasta intelegand schimbarea directiei de inaintare, o motocicleta trebuie inclinata pentru a echilibra fortele relevante: gravitationala, inertiala, de frecare, si contrareactia pamantului. Unghiul de inclinare poate fi usor calculat folosind “legile miscarii circulare”.

 

post-6319-1170662352

 

Unde”

v - viteza de inaintare

r - raza de virare

g - acceleratia gravitationala

 

turning

 

Mai sus observam grafic fortele ce actioneaza asupra unei motociclete ce vireaza. N reprezinta forta normala de reactie a pamanului, F frecarea si m masa.

 

De exemplu, o motocicleta intr’un viraj cu raza de 10m, cu o viteza (unghiulara) de 10m/s (36Km/h) va trebui sa se incline cu un unghi de cca 45 grade. Un motociclist se poate inclina el insusi in raport cu motocicleta pentru a’si mentine motocicleta cat mai mult posibil in pozitie verticala. Unghiul care de fapt conteaza este cel intre planul orizontal si planul dintre contactul cauciucurilor cu pamantul si locatia centrului metacentric sau/si de greutate a motocicletei SI pilotului.

 

COUNTERSTEERING

 

In scopul abordarii unui viraj, o motocicleta trebuie temporar sa vireze in directia contrara celei dorite. Aceasta este de obicei numita “contersteering”. Acest scurt impuls este necesar pentru a muta pozitia rotilor de sub centrul metacentric, cauzand inclinarea in directia dorita. Daca nu exista si alte influente externe cum ar fi vant lateral, “countersteering”ul este necesar la abordarea fiecarui viraj.

Pe masura ce inclinarea se apropie de unghiul dorit, roata din fata trebuie “virata” in directia de virare, depinzand de viteza de rulaj, raza cercului de viraj, si necesitatea mentinerii inclinarii. Odata aflati in procesul propriu zis de virare, rata de virare este schimbata cu schimbarea proportionala a unghiului de inclinare, iar aceasta poate fi obtinuta prin “countersteering” aditional, invers directiei de virarea pentru accentuarea inclinarii si micsorearea razei de viraj, si respectiv in directia de virare pentru a micsora unghiul de inclinare si a creste raza de virare. Pentru a iesi dintr’un viraj, o motocicleta trebuie din nou sa foloseasca “countersteer” si momentan sa vireze mai mult in directia de virarea pentru a micsora raza cercului de viraj si cresterea fortelor intertiale rezultatul fiind scaderea unghiului de inclinare sau mai bine zis “ridicarea” motocicletei.

 

FRANAREA

 

In cazul motocicletelor franarea este data preponderent de catre roata din fata. Daca franele in sine sunt suficient de “performante” roata din spate poate fi cu usurinta blocata, in timp ce roata din fata ofera destula aderenta pentru a “bascula” pilotul sau chiar motocicleta peste roata din fata. Aceasta se mai numeste si “stoppie”. Oricum, motociclete lungi cum ar fi “cruiserele” pot bloca si roata din fata cauzand o pierdere a abilitatii de pastrare a echilibrului. La polul opus, ridicarea rotii din fata datorita acceleratiei poarta denumirea de “wheelie”.

Ambele cazuri sunt in general nefolositoare, daca nu chiar periculoase conducerii normale a motocicletelor sau chiar la curse, ele fiind mai degraba considerate cascadorii.

 

 

 

STABILITATEA LONGITUDINALA

 

Analiza mecanicii fortelor generate de o motocicleta cu inaltimea liniei axelor rotilor “L” si centrul metacentric la jumatatea distantei dintre aceastea, cu o inaltime “h”, cu ambele roti blocate, arata ca fortele normale (verticale) la roti sunt:

 

la roata din spate si,

 

 

la roata din fata, in timp ce fortele de frictiune (orizontale) sunt simple Fr = μNr pentru roata din spate si

Ff = μNf pentru roata din fata, unde μ este coeficientul de frecare, m este masa si g acceleratia gravitationala.

 

Astfel daca,

 

Atunci fortele normale la roata din spate vor fi negative si motocicleta se va “da peste cap”.

 

Coeficientul de frecare al cauciucului pe asfalt uscat este intre 0.5 si 0.8. Folosind cea mai scazuta valoare, si presupunand ca centrul metacentric este mai mare sau egal cu inaltimea liniei axelor rotilor, roata din fata poate genera suficienta forta de franare pentru a produce “stoppie”.

Pe de alta parte, daca centrul metacentric este la o inaltime mai mica decat jumatatea inaltimii liniei axelor rotilor si cel putin la jumatatea distantei inspre roata din spate, atunci chiar daca alegem valoarea maxima a coeficientul de frecare al cauciucului cu asfaltul uscat respectiv 0.8 sau chiar 1.0 observam ca este imposibil ca roata din fata sa genereze suficienta forta de franare pentru a produce “stoppie”, ea va “patina”.

 

Exista chiar si o tehnica de pilotare a motocicletelor care se foloseste franarea denumita si “trail braking”. Aceasta este tehnica unde franele sunt folosite la intrarea intr’un viraj si apoi gradual eliberate pana la atingerea “coltului” virajului. La aplicarea acestei tehnici, pilotii de motociclete se apropie de un viraj folosind ambele frane pentru a reduce viteza. Pe masura ce ataca virajul, ei elibereaza partial franele. Acest lucru va oferi mai multa “aderenta” deoarece cauciucul fata este fortat in asfalt. Aceasta tehnica este in general utilizata la curse, dar poate imbunatati controlul si adauga mai multe sanse de evitare pentru pilotii “de strada”, meritand invatata macar pentru a intelege fenomenul. Fiti insa constienti ca prea multa “trail braking” poate rezulta in pierderea aderentei deoarece aderenta cauciucului este impartita intre franarea propriu zisa si fortele de virare. Deasemenea va produce modificari importante in comportamentul si manevrabilitatea motocicletei.

[bogdanlrnt]

Super tare. Multumesc pentru informatii.

[gabi1952]

I-MI PLACE !