編集部イチオシ

N輪車の安定性

車輌工学の基礎の基礎,N=1,2とN>=3の場合のロール軸とピッチ軸に関する静安定についてまとめました。 知ってる人には常識な話ですが,個人的に興味をもったので。
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結論

{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

まとめると,こんな感じかな 三輪車以上…停車中も倒れない 前後二輪車…走行しないと左右に倒れる 左右二輪車…制御を入れないと前後に倒れる 一輪車…走行しないと左右に倒れ,制御なしだと前後に倒れる

2017-05-25 22:40:54

自転車のロール安定のしくみ

{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

なぜ自転車は倒れないか?これは明快! よく「ジャイロ効果で」と説明されて納得したつもりになってしまうけど,ジャイロ効果だけじゃないし,しかもそのジャイロ効果の中身もちゃんと理解されてない How Do Bikes Stay Up? youtu.be/oZAc5t2lkvo

2017-05-24 21:43:40
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{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

飛行機と同じで自転車も「人による操縦」に頼らない車体(機体)自体の安定性を持っている。 倒れないのはこのうちロール軸(前後軸)回りの安定性で,これはハンドルが切れることで生まれる。動画にもあるように,もしハンドルを固定してしまうと,簡単に倒れる不安定な車体になってしまう。

2017-05-24 21:46:00
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

自転車は,車体が倒れるにつれてハンドルが内側(倒れる側)に切れていくようにできている。そのことによって,走る自転車の旋回半径は小さくなり,遠心力が外側に向かって働いて(復元力),車体が起きるようになっている。 左右どちらでもこれは起こるから,走っている自転車は倒れない。

2017-05-24 21:48:33
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

遠心力のところ,言い換えるなら,ハンドルの舵角が大きくなっても車体重心(倒れかかってるので前輪接地点より内側にある)は今までの動き(直進)を続けようとするので,前輪の接地点だけ内側(すなわち重心の下側)に入り込むことになり,姿勢が立て直される。ってことだ。

2017-05-24 21:51:27
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

そして車体が倒れるにつれてハンドルが内側に切れるのは, ①ジャイロ効果 ②トレール ③フォークオフセット の3つの原因による。後二者は図参照 en.m.wikipedia.org/wiki/Bicycle_a… pic.twitter.com/GRrTUmltqC

2017-05-24 21:53:53
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{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

「ジャイロ効果」っていうと,なんとなく「回転面の向きが保持される」と理解されているかもだけど,ジャイロの回転軸の向きを変える力がかかったときに,実際にはその力より回転方向に90度進んだ方向に回転軸の向きが変わる現象。

2017-05-24 21:56:29
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自転車の場合,回ってる前輪を倒す方向に力がかかると,それより90度進んだ方向,すなわち倒れるのと同じ方向にハンドルが切れる。 トレールとフォークオフセットの効果もこのジャイロ効果と同じ働きをする。これらが自転車のロール静安定に寄与している。

2017-05-24 21:59:44
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ハーレーに代表されるクルーザータイプの二輪車は,キャスター角を小,トレールを長にして,ロール・ヨーを安定にするから長距離巡航も苦じゃないんですね 大型アメリカンバイクのおすすめ25選! bikemanv2.com/entry/ogata-am… pic.twitter.com/5qQVwehVnW

2017-05-25 22:20:25
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飛行機のロール安定

{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

ハイテクの塊?っぽい飛行機の安定性とかは自転車よりよほど単純。 ちなみに一輪車は人間がうまいこと操縦しないと本質的に不安定。

2017-05-25 07:54:36
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回転翼の航空機(ヘリコプター)と違って固定翼の航空機(飛行機)は機体自身が安定性をもっている。ロール軸回りの安定性のgif Flight dynamics (fixed-wing aircraft) en.m.wikipedia.org/wiki/Flight_dy… pic.twitter.com/kxBLUeZPIo

2017-05-25 07:55:57
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飛行機の翼って,正面からより少し下方から風が当たる方が(迎角が大きい方が)大きな揚力が出るんだけど,左右に傾くと,下がってく翼の方が迎角が大きくなって揚力を余計に獲得できるので,その傾きを元に戻すような復元力が働く。 pic.twitter.com/CpS3Y029w3

2017-05-25 08:00:21
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{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

重要なのは,自転車も飛行機も「進んでないとロール静安定がない(復元力が働かない)」ということ。 止まってたら,ハンドル切れても遠心力は働かないし,対気速度ゼロでは迎角の増減もない(それ以前に失速するから空中に止まっていられない)。 twitter.com/Polyhedrondiar…

2017-05-25 08:09:38

一輪車や左右二輪車のロール安定とピッチ安定

{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

こう書いちゃったけど,一輪車でもロール軸回りは安定ですね。自転車の前輪のジャイロ効果と同じで, 左(右)に傾く→タイヤの舵角が左(右)に切れ込む→遠心力で車体が右(左)に振れる→車体が起きるってなるから。これは輪回しも同じ。 twitter.com/Polyhedrondiar…

2017-05-25 22:06:53
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

輪回しってこれね。安定じゃなかったら遊びにならない 45mix.net/wamawasi/

2017-05-25 22:08:45
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一輪車が不安定なのは,前後方向(ピッチ軸回り)に関して。初心者はサドルが車輪より前や後ろに倒れてしまってうまく乗れない。 なので,ペダルにかける踏力なんかを(傘を掌に立てる倒立振子の要領で)うまく制御してやらなきゃならない。小学生もそんな高度な制御ができるんだから,人間て凄い!

2017-05-25 22:23:37
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

一輪車では人間が前後に倒れないよう制御してるけど,セグウェイなんかだとこれを自動でやってる。車体自体にピッチ安定はないので,制御しなければ倒れる。 goo.gl/images/u08P3N

2017-05-25 22:28:32
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

セグウェイは左右二輪あるから,ロール安定はもともと備えてますね

2017-05-25 22:29:42
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

普通の二輪車は当然ピッチ軸回りに安定。復元力は前後輪のサスペンション(含タイヤやフレームの剛性)によるので走ってなくても安定。 三輪車以上だとピッチとロールの両方がサスペンションの復元力で安定。どの方向にも倒れない。

2017-05-25 22:36:07

まとめ

{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

だいたいの乗り物には安定性があるんだけど,最も身近な二輪車の安定性が意外に複雑なのって,これだから,世界は楽しいよね! twitter.com/Polyhedrondiar…

2017-05-25 07:48:09