A kerékpár fizikája

A kerékpár fizikája

A kerékpár működésén keresztül megérthetünk jó néhány fizikai törvényszerűséget.

Technika, háztartástan

Címkék

bicikli, mountainbike, forgatónyomaték, lengéscsillapító, fék, fogaskerék, erőkar, forgástengely, mechanika, súrlódás, lengés, rezgés, távcső, technika, közlekedés, fizika

Kapcsolódó extrák

Jelenetek

Áttekintő kép

  • teleszkópos villa
  • V-fék
  • első váltó
  • hátsó váltó

Számtalan kerékpártípus létezik. A mountain bike, vagyis hegyi kerékpár nehéz hegyi terepen használatos, ezért a jármű váza robusztus, kerekei vastagok, sebességváltójának áttétele széles sávban változtatható, fékei hatékonyak.
Legjellegzetesebb alkatrésze az első villán található teleszkóp, ami az egyenetlen útfelületen keletkező vibrációkat elnyeli. Alkatrészei száz év konstruktőri tapasztalatait összegzik.

A váltó - nyomaték

  • erő
  • erőkar
  • hátsó fogaskerékrendszer
  • elülső fogaskerékrendszer

A sebességváltó lehetővé teszi, hogy kényelmesen tekerhessük a pedált akkor is, ha emelkedőn hajtunk föl, vagy ha széllel szemben haladunk. A váltó működésének megértéséhez a forgatónyomaték fogalmát kell ismernünk.

A kerék megforgatásához forgatónyomatékra van szükség. A forgatónyomaték nagysága nem csak attól függ, hogy mekkora erőt fejtünk ki, de attól is, hogy ezt az erőt a forgástengelytől milyen távol fejtjük ki.
Nagyon pontosan megfogalmazva: a forgatónyomaték egyenlő a kifejtett erő és az erőkar szorzatával. Az erőkar pedig nem más mint az erő hatásvonalának és a forgástengelynek a távolsága.

Ha ugyanakkora erőt a forgástengelytől távolabb fejtünk ki, akkor nagyobb lesz az általunk kifejtett forgatónyomaték. Erre nem csak emelkedőn vagy széllel szemben haladva van szükség, de induláskor is.
Indulás után viszont, mikor már gyorsan forog a kerék, nagyon kényelmetlen úgy tekerni, hogy a pedál is gyorsan forog, nem csak a kerék, ezért ilyenkor meg kell változtatni az áttételt a váltó segítségével.

A legtöbb kerékpáron két váltó van: egy a hátsó tengelyen, egy pedig a középsőn.
Az áttétel megváltoztatásakor ellentétes módon működik a két váltó: ha nagy nyomatékot akarunk kifejteni, akkor a hátsó váltón nagy fogaskerékre van szükség, az elsőn pedig kicsire.
Egyenletes és gyors haladáskor pedig pont fordítva. Ez azért van így, mert a láncon keresztül a kerék is megpróbál nyomatékot kifejteni a forgó pedálra, csak éppen fékezve annak mozgását. A pedálra kifejtett nyomatékot úgy csökkenthetjük, ha annak erőkarját lecsökkentjük, vagyis kis átmérőjű fogaskereket alkalmazunk.

A V-fék - súrlódás

  • bowden által kifejtett erő (F₂)
  • erőkar (F₂)
  • felni és a fékpofa közötti erő (F₁)
  • erőkar (F₁)
  • fékpofa
  • felni
  • féktest
  • bowden
  • féktest forgástengelye

Ha meg akarunk állni a kerékpárral, akkor fékező irányú nyomatékot kell kifejteni a kerékre. Ezt a nyomatékot V-fék esetén a fékpofák és a felni között keletkező súrlódási erő biztosítja. Bizonyos kerékpárokat tárcsafékkel szerelnek fel. Tárcsafék esetén szintén súrlódási erő keletkezik a féktárcsa és a fékbetét között, de mivel a tárcsa átmérője jóval kisebb a felni átmérőjénél, ezért az erőkar is kisebb, így sokkal nagyobb erővel kell összeszorítani a tárcsát, hogy ugyanakkora fékező nyomaték keletkezzen.
A súrlódási erő annál nagyobb, minél nagyobb erővel szorítjuk össze a súrlódó felületeket, és azok minél érdesebbek. A fékezés hatékonyságát jelentősen csökkenti, ha a felni nedves vagy olajos lesz.
A V-fék féktestjeit egy bowden húzza össze, ha meghúzzuk a kormányon lévő fékkart. A féktest elfordul a tengelye körül, a fékpofákat rányomja a felnire. A féktestet megállítja a felni, de a felni által kifejtett erőnek jóval kisebb az erőkarja, ezért nagyon nagynak kell lennie, hogy kioltsa a bowden által kifejtett forgatónyomatékot. Így jön létre nagy összenyomó erő a fékpofa és a felni között.

A lengéscsillapító - csillapodó rezgés

  • rugó
  • lengéscsillapító
  • dugattyú
  • szelep
  • olaj

A kerékpárok első villáján elhelyezett lengéscsillapítónak vagy teleszkópnak kettős funkciója van.
Egyrészt elnyeli az út egyenetlenségeiből adódó ütéseket, melyek kellemetlenek és károsak a kerékpározó karjának, másrészt stabilabb úttartást tesz lehetővé.
A teleszkópos villa általában egy rugóból és egy lengéscsillapító szerkezetből áll, melyeket akár egybe is építhetnek. Az ütések elnyelésére alkalmas lenne önmagában a rugó is, ám ennek lengései miatt az úttartás romlana, hiszen a rugózás bizonyos fázisaiban a kerék kevésbé tapad az út felületén, ilyenkor a jármű alig kormányozható.
A lengéscsillapító elnyelési tulajdonságai általában változtathatók. Ha túl keményre van állítva, akkor a kerék pattog az úton, ezért nem érintkezik azzal folyamatosan, ha viszont túl lágyra van állítva, akkor túl sokáig hagyja lengeni a rugót, akkor meg éppen ezért nem tapad folyamatosan.
Tehát a lengéscsillapítót úgy kell beállítani, hogy minél rövidebb idő alatt nyelje el a rezgési energiát. A lengéscsillapítóban általában olajat présel egy dugattyú egy szelepen át. Ez természetesen energiát emészt fel, melyet a rendszer a lengéstől von el.
Létezik gázos lengéscsillapító is, ahol nem olaj, hanem levegő áramlik egyik kamrából a másikba a szelepeken át. Ennek előnye, hogy könnyebb, egyszerűen szabályozható a keménysége, másrészt a rugalmasan összenyomható levegő helyettesíti a rugót is.

Kapcsolódó extrák

A kerékpár biztonsági elemei

A KRESZ előírásai nem csupán a közlekedés folyamatára, hanem például a kerékpár felszereltségére is vonatkoznak.

A kerékpár fejlődése

Az először játékszernek gúnyolt kerékpár változása hű tükre az elmúlt három évszázad technikai fejlődésének.

Erőhatások

Az animáció a kerekes és csúszótalpas kiskocsira ható erőhatásokat mutatja be.

Fogaskerék-típusok

A fogaskerék forgása során forgatónyomatékot ad át egy másik alkatrésznek.

Hogyan működik a sebességváltó?

A sebességváltóműben a motor forgatónyomatékát módosítjuk a fordulatszám csökkentésével vagy növelésével.

Newton mozgástörvényei

Az animáció szemlélteti Sir Isaac Newton három mozgástörvényét, amelyek forradalmasították a fizikát.

Kosárba helyezve!