אופניים נוסעים רק על שני גלגלים, ובכל זאת הם אחד הם לא נופלים כשרוכבים עליהם. הפיזיקה של היציבות הדו-גלגלית

לאלברט איינשטיין מיוחסת האמירה ש"החיים הם כמו רכיבה על אופנים – כדי לשמור על יציבות עליך להמשיך לנוע", כלומר שדברים בחיים נוטים להסתדר כשממשיכים קדימה. ואכן כשרוכבים על אופניים האפקט מפתיע במיוחד, מכיוון שהאופניים מתקנים את נטייתם תוך כדי נסיעה ובמקום ליפול נוטים להזדקף, בלי קשר מיידי לפעולות שעשה הרוכב כדי לאזן את עצמו ברכיבה. למעשה, אם נדחף אופניים למהירות גבוהה מספיק נגלה שהם נוסעים ללא רוכב ושומרים על יציבות לאורך מרחק רב, עד שבסופו של דבר הם יאטו ויפלו הצידה.

השאלה איך אופניים מתאזנים נראית לכאורה פשוטה לפתרון, אולם בפועל התשובה עליה נותרה שנויה במחלוקת במשך שנים רבות. על המנגנון הבסיסי הייתה הסכמה: כשהאופניים מתחילים  ליפול הצידה הם מתקנים את זה על ידי הפניית הגלגל הקדמי לכיוון הנפילה. כך הם פותחים בתנועה מעגלית בכיוון סיבוב ההגה. התנועה הזאת מצמצמת בתורה את זווית הנטייה של האופניים בזכות כוח צנטריפוגלי שדוחף אותם  החוצה מכיוון מרכז הסיבוב, בדומה לאופן שבו אנו נדחפים החוצה כשאנחנו נכנסים במכונית לסיבוב במהירות גבוהה.

עד כאן הכול טוב ויפה, אבל מה גורם לאופניים להטות מעצמם את הגלגל בכיוון הנפילה? הסברים רבים הוצעו לשאלה, עד שעם השנים נותרו שתי תופעות פיזיקליות שונות שנחשבות לסיבות המרכזיות.

הסיבה הראשונה היא שכשהגלגל הקדמי מסתובב הוא פועל כמו ג'יירוסקופ, שהוא עצם ששומר על יציבות בזכות העובדה שהוא מסתובב. דוגמה מוכרת לעצם שכזה הוא הסביבון, שמצליח לעמוד זמן רב על חודו כל עוד הוא מסתובב.

יציבות הג'יירוסקופ מוסברת באמצעות חוקי התנועה של ניוטון, שקובעים שגוף ישאף להתמיד במהירות ובכיוון התנועה ההתחלתיים שלו, כל עוד לא מופעל עליו כוח. כשמדובר בגוף מסתובב נאמר שהוא ישמור על מהירות הסיבוב וכיוונו. גם גלגל האופניים שואף לשמור על כיוון סיבובו באופן הזה.

גוף מסתובב השומר על מהירות הסיבוב ועל הכיוון. ג'יירוסקופ על חוט | מקור: Science Photo Libraryגוף מסתובב השומר על מהירות הסיבוב ועל הכיוון. ג'יירוסקופ על חוט | מקור: Science Photo Library

כשהאופניים מתחילים לנטות הצידה, כוח המשיכה פועל על הגלגל ומנסה לשנות את כיוון סיבובו. באופן מעט לא אינטואיטיבי, כשפועל על גוף מסתובב כוח שכזה הוא ישנה את כיוון סיבובו ואת מהירות הסיבוב בניצב לכיוון שבו הכוח פועל. לכן, אף על פי שלכאורה כוח המשיכה אמור למשוך את הגלגל לכיוון הנטייה שלו, מאחר שהוא מסתובב סביב עצמו הכוח פועל לשנות את כיוון סיבוב הגלגל בניצב לכיוון הנטייה, כלומר אחורה, וזה גורם לגלגל להתאים את כיוון תנועתו לכיוון הנטייה. כלומר מתרחש תיקון עצמי מיידי.

הסיבה הנוספת לפניית הגלגל עם הנפילה אינה קשורה לסיבוב הגלגל הקדמי אלא למבנה שלדת האופניים, ובפרט  לאופי נטיית ציר ההיגוי של הגלגל. ציר ההיגוי הוא החלק בשלדת האופניים שאוחז בגלגל הקדמי משני צדדיו ועולה ישירות אל הכידון. כשאנו מסובבים את הכידון, גם הציר מסתובב וכך הגלגל פונה.

אם נתבונן באופניים מהצד נראה שהציר הזה יורד מהכידון לגלגל בזווית. כשהאופניים נוטים במהלך נסיעה לכיוון מסוים, הרצפה מפעילה על הגלגל כוח בנקודה שבה הגלגל נוגע ברצפה, שגורם לגלגל לפנות סביב ציר ההיגוי. כיוון הכוח מהרצפה ביחס לזווית ציר ההיגוי מבטיח שתמיד הכוח הזה בכיוון הנכון והגלגל יפנה בכיוון הנטייה. זו גם הסיבה שבזכותה כאשר אנו מעמידים את האופניים על הרגלית האחורית והאופניים עומדים בנטייה, גם הגלגל הקדמי יפנה באותו הכיוון.

הזווית של ציר ההיגוי מבטיה פנייה של האופניים בכיוון הנכון | צילום: Shutterstockהזווית של ציר ההיגוי מבטיה פנייה של האופניים בכיוון הנכון | צילום: Shutterstock

 

מנגנונים חדשים

שני ההסברים הללו נחשבו לדרך המקובלת שבה אופניים מייצבים את עצמם, עד שב-2011 קבוצת מדענים מהולנד ומארצות הברית החליטה להעמיד את התיאוריה למבחן. במאמר שפורסם בכתב העת Science, הם תיארו את תנועת האופניים בעזרת מערכת משוואות בעלות 25 פרמטרים, וגילו מנגנונים נוספים שמאפשרים לאופניים לשמור על יציבות.

כדי להוכיח את התיאוריה הם בנו אופניים מוזרים מאוד הכוללים גלגל נוסף שמסתובב באוויר בכיוון מנוגד לזה של הגלגל הקדמי, כדי לבטל את תרומת האפקט הג'יירוסקופי. בנוסף, ציר ההיגוי שלהם אינו יורד בזווית לכיוון הגלגל אלא בניצב לקרקע, כך שאפקט ציר ההיגוי בוטל אף הוא.

המדענים הראו שאופניים כאלה מסוגלים לשמור על יציבות גם בהיעדר שני האפקטים שהזכרנו, אם משקל הכידון גדול ביחס לחלקים אחרים באופניים, כך שבזמן נטייה משקלו של הכידון הוא זה שגורם לגלגל להסתובב לכיוון הפנייה. לבסוף הסיקו החוקרים כי שלושת האפקטים תורמים במקביל ליציבות האופניים, ושאפשר ליצור אופניים יציבים בדרכים רבות, גם בהיעדר שני האפקטים שהזכרנו בתחילה. באופניים רגילים כל השלושה באים לידי ביטוי יחד, מה שמבטיח שלעולם לא נשכח איך לרכוב על אופניים – הם כבר יעזרו לנו לזכור בעצמם.

2 תגובות

  • יובל דרור

    אפשר גם לרכב אופניים הפועלים על עקרון דומה - אך מצריך אימון

    באופניים הללו הוסיפו גלגל שיניים ההופך את כיוון סיבוב ההגה
    ניסוי מעניין, ראו אותו באתר היוטיוב שלו
    https://www.youtube.com/watch?time_continue=395&v=MFzDaBzBlL0 או באתר שלו
    http://www.smartereveryday.com/about/

  • רועי ניב

    מדוע גלגל האופנים יפנה תמיד לצד המתקן

    מכיוון שהציר הדמיוני שעובר בין נקודת המגע של הגלגל בריצפה לבין מייסב הכידון הוא הינו "אצנטרי" ותמיד חציו הגדול והכבד יותר של הגלגל יהיה ממוקם בחלקו העליון "וימשוך" מעצם הנטייה הראשונה לכיוון הנפילה הטבעי