2マススケート自転車
物理的な実装の写真
フロントエンドの詳細

2マス スケート自転車(TMS) は、コーネル大学、ウィスコンシン大学スタウト校、デルフト工科大学の研究者チームによって作成された理論モデルであり、自転車が自己安定するためにはジャイロ効果や正のトレイルを持つことは十分でも必要でもないことを示しています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] モデルの 2 つのマスとスケートの側面は、残りの 9 つのマスの位置とステアリング形状をより簡単に分析できるように設計パラメータを排除するために選択されました。[ 1 ]完全な慣性テンソルの代わりに、自転車の全質量は 2 つの質点にまで削減され、1 つはリア フレームに、もう 1 つはフロント フォークに取り付けられています。[ 1 ]回転する車輪の代わりに、非ホロノミックな地面との接触は小半径のスケートによって提供されます。[ 1 ]

歴史

自転車の自己安定性は1876年にすでに報告されていました。[ 1 ]エマニュエル・カルヴァロは1897年に、フランシス・ホイップルは1899年に、この自己安定性を示す自転車の運動方程式を開発しました。 [ 1 ]

1970年、デイビッド・ジョーンズはPhysics Today誌で、従来の自転車を用いて前輪のジャイロ効果を打ち消すことで走行不能になるかどうかを実験した経緯を説明した。彼は地面に接しない、逆回転する2つ目の前輪を追加した。彼は、この自転車は乗員なしでは自立できなくなったものの、まだ楽に乗ることができ、片手でかろうじて乗ることさえできたと報告した。[ 4 ]自転車はもはや自立しておらず、操縦は可能だったものの、容易に操縦できる状態ではなかった。ジョーンズはまた、フロントフォークを逆回転させることによってトレールを増やすことも試み、安定性は劇的に向上したが、これによって乗りにくくなったことを発見した。「操縦するには安定しすぎていた」のだ。[ 4 ]最終的に、彼はフォークの端に前方への延長部を追加することで、ネガティブトレイルの自転車を製作したが、その自転車は自己安定性がほとんどなく、「実際、乗るのは非常に危険だが、彼が期待したほど不可能ではない」ことがわかった。[ 4 ]手を離したり離したりして自転車に乗りやすくなる改造を評価することで、ジョーンズは、自転車の安定性にとってジャイロ効果よりもトレイルの方が重要ではないという結論に至った。

科学文献や一般文献では、ポジティブトレイル（キャスタートレイルとも呼ばれる） [ 1 ]が安定性に必要であると報告され続けているものの、[ 5 ] [ 6 ]自己安定性と制御性を明確に区別しているわけではない。ツーマススケート自転車を開発した研究者たちは、自己安定性のみに焦点を当てているものの、「ライダーによる自転車の安定性制御は、自己安定性と関連している」と述べている[ 1 ]。

意味合い

TMSの存在とそれが示す自己安定性は、乗れる自転車の設計範囲がこれまで考えられていたよりも広いことを示唆している。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]例えば、後輪操舵はこれまで主張されていたほど不可能ではないかもしれない。[ 1 ] [ 10 ] TMS自転車の場合、著者らは、フロントアセンブリの重心がリアフレームの重心よりも低いため、傾斜時により速く倒れ、ステアリング軸の前にあるため、傾斜の方向にフロントエンドを操舵する傾向があると説明している。[ 1 ]

彼らは次のように結論づけている。

概して、自己安定している自転車のほとんどは、トレイル、前輪のジャイロ、あるいはフロントアセンブリの重心位置のいずれかを誤って調整するだけで不安定になる可能性があることが分かっています。逆に、不安定な自転車の多くは、これら3つの設計変数のいずれかを適切に調整することで安定させることができます。場合によっては、通常とは異なる方法で調整されることもあります。

物理的な実装

TMS モデルを近似し、車輪のジャイロ効果や正のトレイルなしで自己安定性を示す物理的な例が作成されました。[ 1 ]質点は自然界には存在しないため、モデルでは軽量材料 (カーボンファイバーとアルミニウム) のフレームに取り付けられた高密度材料 (鉛) 片で質点を近似することしかできません。上図のように 2 つの質量しかない自転車が前方に倒れるのを防ぐために、ダイナミクスを変えない後輪の接地面のすぐ上に 3 つ目の質量を配置しています。スケートの代わりに、ほぼ同一の逆回転する車輪を駆動する小半径の車輪を使用することで、ジャイロ効果を最小限に抑えた非ホロノミックな地面接触を実現しています。この物理的な例は、理論モデルの自己安定性を厳密に模倣しています。[ 1 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b c d e f g h i j k l J. DG Kooijman; JP Meijaard; JM Papadopoulos; A. Ruina; AL Schwab (2011年4月15日). 「自転車はジャイロ効果やキャスター効果なしでも自己安定できる」(PDF) . Science . 332 (6027): 339– 342. Bibcode : 2011Sci...332..339K . doi : 10.1126/science.1201959 . PMID  21493856. S2CID  12296078. 2011年4月15日閲覧.
  2. ^ 「なぜ動いている自転車は倒れないのか？」 ION Publications LLC. 2011年4月15日. 2011年4月15日閲覧。
  3. ^ 「金曜科学の謎：動いている自転車はなぜ転倒しないのか？」 CBSニュース、2011年4月15日。 2011年4月16日閲覧。
  4. ^ a b c Jones, David EH (1970). 「自転車の安定性」（PDF） . Physics Today . 23 (4): 34– 40. Bibcode : 1970PhT....23d..34J . doi : 10.1063/1.3022064 . 2011年4月15日閲覧。
  5. ^ Lennard Zinn (2004). Zinn's Cycling Primer (PDF) . Velo Press. pp.  149– 153. 2011年4月15日閲覧。これら他の3つの基準は、フォークトレイルと連携して安定性を高める効果がありますが、フォークトレイルのように不可欠というわけではありません。
  6. ^ J. Lowell; HD McKell (1982年12月). 「自転車の安定性」 . American Journal of Physics . 50 (12): 1106– 1112. Bibcode : 1982AmJPh..50.1106L . doi : 10.1119/1.12893 . 2011年4月16日閲覧.安定性を左右する最も重要なパラメータは、ジョーンズが示唆したように、前輪のキャスター角である。
  7. ^ジョン・マトソン (2011年4月14日). 「誰も乗らないために作られた自転車：ライダーレス自転車の安定性を高めるものは何なのか？」 . Scientific American . 2011年4月15日閲覧。
  8. ^デビン・パウエル（2011年4月14日）「自転車が路面からタイヤを守る仕組み」サイエンスニュース。2011年4月15日閲覧。
  9. ^マイク・アイザック (2011年4月15日). 「ライダーレスバイクの研究はより良いホイールにつながる可能性がある」 . Wired . 2011年4月15日閲覧。
  10. ^エリック、ワニー (2005). 「後輪ハンドルバイク」。2011 年 4 月 15 日に取得。
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