Глава 4. Красота велосипедов

Из этой главы вы узнаете…

Почему велосипед работает по принципу подвесного моста.

Почему езда на велосипеде похожа на замешивание теста.

Чему любознательный велосипедист может научиться у выскакивающего из воды лосося.

Как можно хитрить с велосипедом? Например, создать машину длиной с автобус и высотой в три человеческих роста? Или велосипед, на котором умещаются 24 человека? Или такую машину, которая может следовать за гоночным автомобилем в потоке разреженного воздуха со скоростью поезда? Согласно Книге рекордов Гиннеса, всё это уже сделано.

Однако способов обмана в велосипедном спорте гораздо больше. Это подтвердит семикратный победитель престижнейшей велогонки «Тур де Франс» американец Лэнс Армстронг, который использовал сильнодействующий допинг, чтобы прибавить себе сил, когда он, словно паровоз, мчался к победам в своей знаменитой желтой майке лидера[43]. Признание Армстронгом своей вины вызвало взрыв возмущения среди профессиональных велосипедистов. И это было справедливо. Но пораженные спортсмены не заметили, что велосипед – один сплошной обман. Всё в велосипедном спорте крутится вокруг того, как передвигаться быстрее, дальше и эффективнее, чем на своих ногах. Наука зачастую помогает нам решать рутинные проблемы. И велосипед – один из лучших тому примеров.

Велосипеды и колеса

Задолго до того как вы начинаете крутить педали велосипеда, почти касаясь ими земли, он начинает демонстрировать вам свои чудеса. Помните, как мы рассчитывали давление на почву, создаваемое типовым жилым домом, и обнаружили, что оно в принципе не отличается от давления, которое оказывает наше тело на наши колени? А что происходит, когда вы катите на велосипеде?

Когда вы садитесь в седло, весь ваш вес опирается на два или больше пустых круга (колеса), связанных несколькими металлическими прутами или трубками. Чем внимательнее вы вглядитесь в велосипедное колесо, тем более впечатляющим оно покажется. Первые колеса представляли собой сплошные кругляши дерева, и можно было ясно видеть, как они несут на себе вес груза. Дерево крепких пород практически невозможно сильно сдавить. Его атомы давят вверх, сопротивляясь давлению груза. Этого вполне хватает, чтобы преодолеть эффект сжатия и спокойно выдерживать соответствующее напряжение в деревянном массиве. Сплошные деревянные колеса выдерживают нагрузку в несколько тонн. Но и сами они весят тонну, а то и больше. Поэтому так тяжело сдвинуть с места покоящуюся на них повозку, а тем более толкать ее вверх или через препятствия. Потому-то люди изобрели спицевые колеса. Бо льшая часть тяжелого дерева в них отсутствовала, остались лишь несколько прочных опор внутри колеса, которые и несли на себе вес. Этот проверенный долгим человеческим опытом принцип используется и по сей день при конструировании колес для автомобилей. Но не для велосипедов.

Пустые обещания

Велосипедные колеса устроены иначе. Обычно треугольная рама покоится на двух втулках. Те опираются на оси, а колеса прикреплены к втулкам и вращаются вокруг осей. Но взгляните внимательно на эти колеса.

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

Колеса велосипеда – тоже, по сути, рычаги, хотя с первого взгляда это и неочевидно. Как мы видели в предыдущей главе, многие рычаги, облаченные в формы молотков, пусковых рукояток и гаечных ключей, предназначены для того, чтобы увеличивать вашу силу: вы поворачиваете длинный конец с имеющейся у вас силой на большее дуговое расстояние, чем поворачивается его центр, который движется медленнее, но создает большее усилие. Мы обычно пользуемся велосипедом, чтобы попасть куда-нибудь быстрее, чем если бы шли пешком. Мы хотим, чтобы в велосипеде традиционные рычаги работали в порядке, обратном обычному. Так и происходит.

Если вы вытянете руку вперед и поднимете ее на 90°, как будто хотите бросить крикетный мяч, ваша кисть опишет гораздо более длинную дугу, чем ваше плечо. Она преодолеет большее расстояние, причем (хотя это может быть незаметно) с меньшим усилием. Именно поэтому высокие теннисисты бьют по мячу с большей силой, чем их низкие соперники. А приложение некоторого усилия в центре колеса дает бо льшую мгновенную скорость движения точки на краю колеса. Именно так и работает колесо велосипеда. Чем больше его диаметр, тем больше плечо рычага и тем бо льшую скорость вы получаете, хотя прикладываемая сила уменьшается. Поэтому гоночные велосипеды, которые должны развивать более высокую скорость, имеют колеса большего диаметра, чем их горные собратья, для которых нужна меньшая скорость, но большее усилие при преодолении крутых склонов. Первые велосипеды имели гигантские колеса для достижения скорости. Но ездить на них было так же непросто, как и на слонах (кто захочет использовать лестницу, чтобы сесть на велосипед; и представьте себе, что произойдет, если вы с него упадете).