Motstyrning

Motstyrning används av enkelspåriga fordonsoperatörer , såsom cyklister och motorcyklister , för att initiera en sväng mot en given riktning genom att tillfälligt styra mot den önskade riktningen ("styr åt vänster för att svänga höger"). För att klara en sväng framgångsrikt måste förarens och det enkelspåriga fordonets kombinerade masscentrum först lutas i svängens riktning, och kort styrning i motsatt riktning orsakar lutningen. Förarens handling av motstyrning kallas ibland för att "ge ett styrkommando".

Den vetenskapliga litteraturen ger ingen tydlig och heltäckande definition av motstyrning. Faktum är att "en korrekt skillnad mellan styrvridmoment och styrvinkel ... inte alltid görs."

En hypotetisk kurva på torr asfalt

Hur det fungerar

Bildmontage som visar olika stadier av motstyrning. Här motstyrs en skoter för att svänga vänster.

Vid motstyrning för att svänga höger utförs följande:

Ett vridmoment på styret till vänster appliceras.
Framhjulet kommer då att rotera runt styraxeln åt vänster och däcket genererar krafter i kontaktytan till vänster.
Maskinen som helhet styr åt vänster.
Eftersom krafterna i kontaktlappen är på marknivå drar detta hjulen "ut under" cykeln till vänster och gör att den lutar åt höger.
Föraren, eller i de flesta fall cykelns inneboende stabilitet, ger det styrvridmoment som krävs för att rotera framhjulet tillbaka åt höger och i riktning mot önskad sväng.
Cykeln börjar en sväng till höger.

Även om detta verkar vara en komplex sekvens av rörelser, utförs den av varje barn som cyklar. Hela sekvensen går i stort sett obemärkt förbi av de flesta ryttare, varför vissa hävdar att de inte gör det.

Det är också viktigt att särskilja det styrvridmoment som krävs för att initiera det lutande som krävs för en given sväng från det bibehållna styrvridmomentet och styrvinkeln som krävs för att bibehålla en konstant radie och lutningsvinkel tills det är dags att lämna svängen.

Det initiala styrvridmomentet och vinkeln är båda motsatt den önskade svängriktningen.
Den bibehållna styrvinkeln är i samma riktning som svängen.
Det ihållande styrvridmomentet som krävs för att bibehålla den styrvinkeln är antingen med eller motsatt svängriktningen beroende på hastighet framåt, cykelgeometri och kombinerad cykel- och föraremassfördelning.

Behöver luta sig för att vända

En cykel kan bara köra en kurva när cykelns och förarens kombinerade masscentrum lutar mot insidan av svängen i en vinkel som är lämplig för svängens hastighet och radie:

\theta =\arctan \left({\frac {v^{2}}{gr}}\right)

där $v$ är hastigheten framåt, r $\displaystyle r}$ är radien för svängen och $g$ är tyngdaccelerationen .

Högre hastigheter och snävare svängar kräver större lutningsvinklar. Om massan inte först lutas in i svängen kommer förarens och cykelns tröghet att få dem att fortsätta i en rak linje när däcken spårar ut under dem längs kurvan. Övergången av att cykla i en rak linje till att köra en sväng är en process att luta in cykeln i svängen, och det mest praktiska sättet att orsaka den lutning (av det kombinerade masscentrumet för cykel och förare) är att flytta stödpunkterna i motsatt riktning först.

Stabilt magert

Grafer som visar lutnings- och styrvinkelsvaret för en annars okontrollerad förenklad modell av en typisk cykel, som färdas framåt i sitt stabila område (i detta fall 6 m/s), till ett positivt styrvridmoment (till höger) som börjar som en impuls och förblir sedan konstant. Det orsakar en initial styrvinkel åt höger, en lutning åt vänster och så småningom en stabil lutning åt vänster, styrvinkel åt vänster och därmed en sväng åt vänster.

När den önskade vinkeln närmar sig måste framhjulet vanligtvis styras in i svängen för att bibehålla den vinkeln, annars fortsätter cykeln att luta med tyngdkraften och öka i hastighet tills sidan kommer i kontakt med marken. Denna process kräver ofta liten eller ingen fysisk ansträngning, eftersom geometrin hos styrsystemet på de flesta cyklar är utformat på ett sådant sätt att framhjulet har en stark tendens att styra i riktning mot en lutande riktning.

Det faktiska vridmomentet som föraren måste anbringa på styret för att bibehålla en stabil sväng är en komplex funktion av cykelgeometri, massfördelning, förarens position, däckegenskaper, svängradie och hastighet framåt. Vid låga hastigheter är det styrvridmoment som krävs från föraren vanligtvis negativt, det vill säga motsatt svängriktningen, även när styrvinkeln är i svängens riktning. Vid högre hastigheter blir riktningen för det nödvändiga ingående vridmomentet ofta positiv, det vill säga i samma riktning som svängen.

I låga hastigheter

Vid låga hastigheter är motstyrning lika nödvändigt, men motstyrningen är då så subtil att den döljs av de kontinuerliga korrigeringar som görs för att balansera cykeln, ofta under en precis märkbar skillnad eller tröskel för uppfattningen av föraren. Motstyrning i låg hastighet kan döljas ytterligare av den efterföljande mycket större styrvinkeln som är möjlig i svängriktningen. ^{[ citat behövs ]}

Gyroskopiska effekter

En effekt av att vrida framhjulet är ett rullmoment orsakat av gyroskopisk precession . Storleken på detta moment är proportionell mot framhjulets tröghetsmoment, dess spinnhastighet (framåtrörelse), hastigheten som föraren vrider framhjulet genom att applicera ett vridmoment på styret och cosinus för vinkeln mellan styraxeln och den vertikala.

För en provmotorcykel som rör sig i 22 m/s (50 mph) och som har ett framhjul med ett tröghetsmoment på 0,6 kgm ² genererar en vridning av framhjulet en grad på en halv sekund ett rullmoment på 3,5 Nm. Som jämförelse når den laterala kraften på framdäcket när det spårar ut under motorcykeln maximalt 50 N. Detta, som verkar på 0,6 m (2 fot) höjden av massans centrum, genererar ett rullmoment på 30 Nm .

Även om momentet från gyroskopiska krafter bara är 12 % av detta, kan det spela en betydande roll eftersom det börjar agera så snart föraren applicerar vridmomentet, istället för att byggas upp långsammare när hjulet spårar ut. Detta kan vara särskilt användbart vid motorcykelracing .

Motorcyklar

Medvetet motstyrning är avgörande för säker motorcykelåkning , och som ett resultat är det i allmänhet en del av kurser för säker körning som drivs av organisationer som Motorcycle Safety Foundation , Canada Safety Council eller australiensiska Q-Ride-leverantörer. Att medvetet motstyra en motorcykel är ett mycket effektivare sätt att styra än att bara luta sig. Vid högre hastigheter blir cykelns självbalanserande egenskap styvare, och en given ingångskraft som appliceras på styret ger mindre förändringar i lutningsvinkeln.

Träning

En stor del av konsten att köra motorcykelkurvor är att lära sig hur man effektivt trycker in greppen i kurvor och hur man bibehåller korrekta lutningsvinklar genom svängen. När behovet av en snabb svängning åt sidan plötsligt uppstår i en nödsituation är det viktigt att veta, genom tidigare praxis, att motstyrning är det mest effektiva sättet att ändra motorcykelns kurs. Många olyckor uppstår när annars erfarna ryttare som aldrig noggrant utvecklat denna färdighet stöter på ett oväntat hinder.

används ibland frasen positiv styrning . Andra fraser är "TRYCK – För att svänga måste motorcykeln luta", "För att luta motorcykeln, tryck på handtaget i svängens riktning" eller "Tryck vänster – luta vänster – gå till vänster".

Motorcykelsäkerhetsstiftelsen lär ut motstyrning till alla elever i alla sina skolor, liksom alla skolor för motorcykelracing. Motstyrning ingår i USA:s motorcykeloperatörsmanualer och tester, såsom Washington, New Jersey, Kalifornien och Missouri.

Säkerhet

Enligt Hurt Report skulle de flesta motorcykelförare i USA överbromsa och sladda bakhjulet och underbromsa framsidan när de försökte hårt för att undvika en kollision. Förmågan att motstyra och svänga var i princip frånvarande hos många motorcykelförare. Den ofta lilla mängden initial motstyrning som krävs för att få cykeln att luta, vilket kan vara så lite som 0,125 sekunder, håller många förare omedvetna om konceptet.

Flerspåriga fordon

Sidovagn på Vespa skoter

Tripendo liggande trehjuling, en tippbar trehjuling

Trehjuliga motorcyklar utan förmåga att luta behöver inte motstyras, och ett initialt styrvridmoment i en riktning resulterar inte automatiskt i en sväng åt andra hållet. Detta inkluderar sidovagnsriggar där bilen är stelt monterad på cykeln. Den trehjuliga BRP Can-Am Spyder Roadster använder två framhjul som inte lutar, så den styr som en bil.

Vissa sidvagnar låter motorcykeln luta oberoende av sidovagnen, och i vissa fall lutar sidvagnen till och med parallellt med motorcykeln. Dessa fordon måste motstyras på samma sätt som en solomotorcykel. Den trehjuliga Piaggio MP3 använder mekaniska länkar för att luta de två framhjulen parallellt med den bakre ramen, och så att den motstyrs på samma sätt som en tvåhjulig motorcykel.

Fritt lutande flerspårsfordon måste balanseras genom motstyrning innan svängning. Flerspåriga lutande fordon som är tvångslutade, såsom Carver , tiltas utan att motstyra kontrollen och balanseras inte av föraren. Senare versioner av Carver introducerade automatisk motstyrning för att öka tilthastigheten och minska kraften som krävs för att luta fordonet. Andra påtvingade tiltade fordon kan ha automatisk motstyrning. En prototyp av tiltbart flerspårsfritt lutande fordon utvecklades 1984 som använder automatisk motstyrning och som inte kräver någon balanseringsförmåga.

Motstyrning genom viktförskjutning

Med en tillräckligt lätt cykel (särskilt en cykel ) kan ryttaren initiera en lutning och sväng utan att använda styret genom att flytta kroppsvikten, som kallas counter lean av vissa författare. Dokumenterade fysiska experiment visar att på tunga cyklar (många motorcyklar ) är växling av kroppsvikt mindre effektivt för att starta lutningar.

Följande görs vid motstyrning med viktväxling för att svänga vänster:

Föraren applicerar ett momentant vridmoment, antingen vid sätet via benen eller i bålen som gör att cykeln själv lutar åt höger.
Cykelns och förarens kombinerade masscentrum sänks bara och flyttas inte ut, men om framdelen av cykeln är fri att svänga runt sin styraxel, kommer lutningen åt höger att få den att styra åt höger med någon kombination av gyroskopisk precession, markreaktionskrafter, gravitationskraft på ett masscentrum utanför axeln eller helt enkelt trögheten hos ett masscentrum utanför axeln beroende på den exakta geometrin och massfördelningen för den speciella cykeln och mängden vridmoment och hastigheten där den tillämpas.
Denna motstyrning åt höger gör att markkontakten flyttas till höger om massans centrum när cykeln rör sig framåt, vilket genererar en lutning åt vänster. Till sist styr framdelen åt vänster och cykeln går in i vänstersvängen.

Mängden vänsterstyrning som krävs för att balansera vänsterlutningen som är lämplig för hastigheten framåt och svängradien styrs av vridmomentet som genereras av föraren, återigen antingen vid sätet eller i bålen.

För att räta tillbaka ut ur svängen ändrar föraren helt enkelt proceduren för att gå in i den: få cykeln att luta längre åt vänster; detta får den att styra längre åt vänster, vilket flyttar hjulkontaktfläckarna längre åt vänster, vilket så småningom minskar lutningen åt vänster och lämnar svängen.

En studie från National Highway Traffic Safety Administration visade att förarens mager har större inverkan på en lättare motorcykel än en tyngre, vilket hjälper till att förklara varför styrning utan händer är mindre effektiv på tunga motorcyklar. Att luta bålen i förhållande till cykeln får inte cykeln att luta tillräckligt långt för att generera något annat än de grundaste svängarna. Ryttare utan händer kanske kan hålla en tung cykel centrerad i ett körfält och förhandla grunda motorvägssvängar, men inte mycket annat.

Komplexa manövrar är inte möjliga med enbart viktförskjutning eftersom även för en lätt maskin finns det otillräcklig kontrollbefogenhet. Även om föraren på en tillräckligt lätt cykel (särskilt en cykel ) kan starta en lutning och svänga genom att flytta kroppsvikten, finns det inga bevis för att komplexa manövrar kan utföras enbart med kroppsvikt.

Andra användningsområden

Motorcykel speedway racing

Termen motstyrning används också av vissa författare för att hänvisa till behovet på cyklar att styra i motsatt riktning av svängen (negativ styrvinkel) för att behålla kontrollen som svar på betydande bakhjulsglidning. Motorcykel speedway racing äger rum på en oval bana med en lös yta av smuts, askar eller skiffer. Förare glider sina maskiner i sidled, powersliding eller bredsida in i svängarna, med hjälp av en extrem form av denna typ av motstyrning som bibehålls under hela svängen. Detta fungerar även, utan ström, för cyklar på lösa eller hala underlag, även om det är en avancerad teknik.

Termen används också i diskussionen om bilkörningstekniken som kallas drifting .

Bröderna Wright

Wilbur Wright förklarade motstyrning så här:

Jag har frågat dussintals cyklister hur de svänger åt vänster. Jag har aldrig hittat en enda person som angav alla fakta korrekt när jag först tillfrågades. De sa nästan undantagslöst att för att svänga åt vänster vred de styret åt vänster och gjorde som ett resultat en sväng åt vänster. Men vid ytterligare förhör med dem skulle en del hålla med om att de först vred styret lite åt höger, och sedan när maskinen lutade åt vänster, vände de styret åt vänster och som ett resultat gjorde cirkeln lutande inåt.

Se även

Anteckningar

Vittore Cossalter; R. Lot; M. Peretto (2007). "Stadig svängning av motorcyklar". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Del D: Journal of Automobile Engineering . 221 (11): 1343–1356. doi : 10.1243/09544070jauto322 . ISBN 978-1-4303-0861-4 . S2CID 109274283 . (prenumeration krävs)
Leif Klyve; Henry Enoksen; Gunnar Kubberød (2006). "Full kontroll"/"Full kontroll" (PDF) . norska motorcykelunionen. ISBN 82-92276-00-9 . Arkiverad från originalet (PDF) den 8 oktober 2008.

externa länkar

Balans och styrning , av Tony Foale
Full kontroll (engelsk version) , av Norwegian Motorcycle Union
"Inga BS Machine" fysiska experiment
"The Physics of Unicycling" 5 minuter, förklarar motstyrning från grundläggande fysikprinciper, kräver Adobe Flash