Скутер Дайджест. Журнал о скутерах и людях

Поворот без поворота…

Уважаемый и старейший российский мотожурнал в последнем номере опубликовал интересный материал «Зачем мотоциклу руль?». Собственно, интересен он не столько тем, что там написано, сколько спорностью сделанного вывода. Попробуем сами разобраться, зачем же мотоциклу нужен руль, если, по мнению редакции, при повороте он может совсем не поворачиваться…

Сначала приведу текст статьи из «Мото». Автор не указан, материал шёл без подписи как редакционный, в нём анализировались ответы читателей журнала на вопросы конкурса.

ЗАЧЕМ МОТОЦИКЛУ РУЛЬ?

Многие ответы, по сути, содержат утверждение, что мотоцикл поворачивает оттого, что наклоняется, а наклоняется оттого, что водитель рулит туловищем. Так, Вадим Мататов вспомнил про моноцикл и интрацикл, которые прекрасно обходятся без руля, а изменение траектории происходит только с помощью наклона транспортного средства. Но ведь сам по себе наклон мотоцикла еще не повод для поворота. Автомобили, например, наклоняются в противоположную от поворота сторону и ничего, как-то поворачивают.
Многие связывали возможность поворачивать с наклоном рулевой колонки и вылетом переднего колеса (рис. 1). Однако наклон оси поворота колеса и вылет есть и у автомобиля. И именно он заставляет колесо стабилизироваться при движении по прямой. Этим пользуются конструкторы: нужно сделать мотоцикл более «вертким» - угол должен быть меньше, нужна стабильность на траектории - угол больше. Кстати, чтобы мотоцикл острее отреагировал на движение руля, опытные мотоциклисты тормозят до самого поворота – за счет загрузки вилки меняется геометрия рулевого управления. Но собственно в повороте рулить-то почти не требуется!

Давайте на время отвлечемся от нашего вопроса и рассмотрим, как вообще мотоциклист начинает поворот. Конечно, без руля тут не обходится, но первое движение происходит в сторону, противоположную повороту – так называемое контрруление. Многие из тех, кто пытается освоить этот прием, и не подозревают, что коли они вообще ездят на мотоцикле (или велосипеде) уже владеют им – хотя бы потому, что иначе на более или менее приличной скорости наклонить аппарат внутрь поворота просто нельзя. Движение это порой незаметно для самого водителя, но сила инерции (или, как ее еще называют в данном случае, центробежная) мгновенно заваливает байк наружу, после чего водитель возвращает руль «в нейтраль» (или почти в нейтраль – это зависит от скорости, геометрии и загрузки байка, размера и свойств шин и т.п.) – и проходит поворот. В повороте, чтобы заузить траекторию, руль нужно толкать от себя, чтобы распрямить – наоборот.
В статике (и на малых скоростях, когда силы инерции невелики), байк начинает падать от поворота руля внутрь (рис. 2), причем с увеличением наклона действие этой силы бывает трудно скомпенсировать – и мотоцикл, если ему не хватает скорости, может упасть. Естественно, что на малых скоростях, когда наклонить мотоцикл на приличный угол невозможно, приходится намного активнее работать именно рулем, поворачивая по автомобильному.

Итак, мы выяснили, как поворачивает мотоциклист – наклоняя байк. Но за счет чего же поворачивает мотоцикл? Автомобиль поворачивает благодаря тому, что повернуты передние колеса – сила трения в пятне контакта и жесткость каркаса шины обеспечивают следование по заданной траектории (хотя и существует так называемый увод – следствие эластичности шины). А вот мотошина, благодаря округлому профилю протектора при наклоне ведет себя как конус: внутренняя ее часть имеет меньший радиус, чем внешняя (рис. 3). В результате возникает сила, тянущая колеса (и весь мотоцикл) к центру «конуса». Чем сильнее наклонен мотоцикл, тем больше эта сила. Именно поэтому мотоциклу, движущемуся в повороте на хорошей скорости руль поворачивать не нужно. Бывает даже, что руль повернут в обратную от поворота сторону, чтобы скомпенсировать слишком большую боковую силу.
Как пишут Сергей Левин и Анатолий Домненко, наклонять мотоцикл фактически приходится для того, чтобы скомпенсировать центробежную силу, которая стремится завалить его наружу поворота – иначе мотоцикл упадет (рис. 4).

Однако если нужно совершить резкий поворот, то можно (и нужно!) наклонять мотоцикл и на малой скорости, иначе он просто не впишется в поворот. Ведь наклон зависит как от скорости, так и от радиуса поворота. Кстати, на «спортах» угол поворота руля так мал, что при попытке перекатить их с места на место порой возникают проблемы, но в движении недостаток «расхода руля» совершенно незаметен. Большие углы поворота руля на других мотоциклах (особенно для эндуро и кросса) делают для удобства преодоления препятствий. Важную роль в управлении мотоциклом играют и гироскопические силы. При наклоне мотоцикла или велосипеда гироскопический момент переднего колеса стремится повернуть его в сторону крена (рис. 5), тем самым как бы помогая повернуть, но одновременно препятствуя наклону. А при повороте колеса, например, вправо мотоцикл наклоняется влево – это помогает быстрее «положить» байк при контррулении на входе в поворот. К тому же есть и момент от вращающегося маховика, который может как «помогать», так и «мешать» повороту и наклону мотоцикла, в зависимости от того, совпадает ли направление его вращения с направлением вращения колес.

Большое значение имеет также диаметр и ширина колес. Как отмечает Big-Ben, «автор вопроса, скорее всего, ездил на обычном дорожном мотоцикле. В этом случае размерности колес, а точнее резины на них, говорят, что задняя резина шире передней. А это приводит к тому, что при наклоне мотоцикла создается разница углов атаки в движении переднего и заднего колес». Поясним. При наклоне мотоцикла пятно контакта (условно обозначим его точкой) на широкой задней шине сместится внутрь больше, чем на узкой передней (рис. 6). За счет этого весь мотоцикл оказывается направленным круче внутрь поворота, чем в том случае, если он обут в шины одинаковой ширины.

Такова статья, теперь проведём анализ. Самый ключевой момент выделен мной жирным шрифтом – это утверждение, что (ещё раз цитирую) «…мотоциклу, движущемуся в повороте на хорошей скорости руль поворачивать не нужно».
Именно этот тезис и вызвал недоумение, и я стал думать, как его проверить. Как говорил В.И. Ленин: «Практика – критерий истины». Что может быть проще – зафиксировать руль и попытаться повернуть только наклоняя байк. Для начала подопытным объектом выбрал велосипед: он по принципу рулёжки не отличается от скутера или мотоцикла, но гораздо легче. Его можно наклонять сколько угодно, без напряга удерживая одной рукой. В качестве фиксатора руля выбрал подручное средство – костыль (какой мотоциклист не держит такой аксессуар «на чёрный день»?). Его оказалось удобно зафиксировать резинками: широким концом на руле, а «толчковой» частью – за сиденье. Получился двухколёсный монолит. Выставил его по линии, наклонил, удерживая за сиденье, и покатил по прямой вперёд. И… ничего не произошло, байк ни на градус не отклонился от прямолинейного движения.

Фиксация руля на велосипеде подручными средствами

Однако эксперимент показался неполным – проехать на велобайке оказалось невозможным, потому что неудобно сесть. Повторил на скутере на пустынной дороге. Эксперимент с ведением скутера с наклоном так же, как и в случае с велосипедом, не дал ни малейшего отклонения от прямой. Мало того, просто проехать по прямой с зафиксированным рулём не удалось – аппарат валило вбок (костыль не давал сидеть строго симметрично). Объяснение можно почерпнуть из приведённой выше статьи «Мото» – мал гироскопический момент, и поэтому аппарат неустойчив. Вот если бы удалось разогнаться …

	У скутера руль жёстко зафиксирован
	Попытка тронуться
	Даже на прямой на малой скорости скутер валится
	Даже если сильно наклонить, скутер катится прямо

Но всё же главная причина – движения даже по прямой требуется стабилизирующий поворот руля, возникающий вследствие вылета вилки. Вот на этом остановимся подробнее, тем более что действие этого фактора легко и наглядно подтверждается.
Надо сказать термин «вылет вилки» не так понятен, как наклон оси рулевой колонки. Но суть не в терминологии, а в том, что смещение точки касания земли передним колесом от воображаемой точки пересечения оси рулевой колонки с дорогой даёт поразительный эффект. Стоит наклонить мотоцикл (скутер, велосипед) в любую сторону не трогая при этом руль, то переднее колесо само повернется в сторону наклона. Проще всего проверить это, взяв в руки любой велосипед, его способность к «рулежке» точно такая же, как у мотоцикла или скутера. Поставьте руль прямо и ведите велосипед вперед, держа за седло. Он едет прямо, пока стоит вертикально, но стоит немного наклонить его в какую-либо сторону, как тут же переднее колесо повернется туда же. Чем сильнее наклон, тем больше сопутствующий поворот руля.

Наглядная демонстрация поворота руля при наклоне

Это не случайное совпадение, если бы ось рулевой колонки располагалась перпендикулярно к земле, колесо бы никуда не поворачивало, а если бы имела наклон в противоположную сторону, то и колесо бы поворачивало «наоборот». Это несложно проверить с тем же велосипедом – поднимите его заднюю часть и меняйте угол рулевой колонки относительно земли.

Вот это свойство и лежит в основе поворота мотоцикла, и все разговоры, что мотоцикл поворачивает без поворота руля практика не подтверждает. Перефразируя высказывание Галилея (стоившее ему жизни), можно сказать: «И всё-таки оно поворачивает!».
Другие эффекты, приведённые в статье «Мото» имеют место быть, и их действие тоже нетрудно проверить. Самый значимый эффект – гироскопический. С одной стороны гироскоп – вещь всем известная (взять детский волчок), а с другой – довольно сложная, там есть несколько законов, формулы и запутанные схемы с действующими силами. С помощью гироскопов торпеды и ракеты попадают в цель, а самолёты не сбиваются с курса; гироскопический эффект не только помогает мотоциклистам не падать, но и увеличивает дальность боя пуль со снарядами, и выполняет сотни других полезных дел.

Двухколёсный гирокар русского инженера Шиловского, 1914 год

Насколько я понял запутанную теорию, главное свойство гироскопа – это стремление сохранять плоскость вращения (или положение оси вращения). Действительно, взяв руки велосипедное колесо (оно легче мотоциклетного, и снимать быстрее) и раскрутив его, при попытке изменить положение оси чувствуешь некоторое сопротивление. Если сделать это резко, то действительно ось будет стремиться повернуться в пространстве, то есть повернуть колесо.

Несложный опыт, чтобы почувствовать гиро-эффект

Думаю, именно на этом свойстве основана способность моноциклов поворачивать. Там, из-за большого диаметра и массы колеса, гироскопический момент весьма значителен, даже если моноцикл едет не быстро. Водитель смещает корпус к центру поворота, мотогироскоп начинает заваливаться (то есть меняется положение оси вращения), и колесо поворачивает в ту же сторону. А дальше по свойству гироскопа-волчка, восстанавливает вертикальное положение. Но это мои догадки, на моноцикле я не ездил.

	Детский волчок – тот же гироскоп, его непросто свалить
	Моноцикл мичиганца Керри Маклина

На мотоциклах же, повторюсь, главную роль при поворотах играет вылет вилки. Поворот (плавный, на скорости) происходит так: мотоциклист небольшим наклоном вводит байк в поворот, при этом он на руль не давит – тот сам, из-за вылета вилки, слегка поворачивается в сторону наклона. Хотя центр тяжести при наклоне сместился внутрь поворота, и возникла опрокидывающая сила, падения не происходит, поскольку тут же, из-за искривления траектории движения, возникает центробежная сила, направленная вовне и удерживающая байкера от опрокидывания внутрь поворота. Если обе силы уравновешиваются, благополучно происходит плавный поворот по искривленной траектории.

Силы, действующие при повороте: G – вес мотоцикла с водителем; Pc – центробежная сила; Rz - результирующая сила

Вот, вроде разобрались. А что касается высказываний журнала «Мото», внимательно вчитавшись во фразу «…руль поворачивать не нужно» можно понять и так, что он сам поворачивается (но не стоит неподвижно!).
А с другой стороны, медведи ездят на мотоциклах и не парятся, что там поворачивает или нет. Главное – получать кайф от драйва!

Медведь не парится теорией…