© Tony Foale 1986 - 1997

Как одноколейному средству передвижения, мотоциклу не хватает неотъемлемого статического баланса, т.е. он падает при неподвижности.

Однако если он движется быстрее определенной скорости, даже водители с самой плохой координацией обнаруживают, что машина, похоже, сама себя поддерживает. Поэтому очевидно, что есть два аспекта процесса баланса - на низкой скорости и то, что происходит на более высокой скорости. Всегда найдутся «акробаты», которые могут бесконечно балансировать на неподвижном байке, но для большинства из нас требуется минимальное движение вперед, перед тем как это станет возможным. Однако на таких низких скоростях приходится вращать руль из стороны в сторону, чтобы сохранить вертикальное положение, и, как знают все испытатели, легче стоять на подножках, чем сидеть в седле. Давайте рассмотрим, почему так. Рис 1 показывает вид сзади и сверху на байк и водителя. Итак, если комбинированный центр тяжести (ЦТ) по вертикали выше линии, соединяющей пятна контакта передней и задней шин с дорогой, то баланс достигнут, но это неустойчивая ситуация, и любая небольшая помеха, такая как легкий ветер, будет достаточна, чтобы началось опрокидывание, т.е. ЦТ сдвигается в сторону.

Этому можно воспрепятствовать любым из двух методов или их комбинацией: один – сдвинуть линию через пятна контакта шин в новое положение ЦТ. Если байк неподвижен, это можно сделать поворотом руля только в ограниченных пределах, но в движении мы можем при необходимости повернуть весь байк для получения нового положения линии шин, и вот поэтому легче сохранять баланс в движении. Другой метод сохранить баланс на низкой скорости – передвинуть комбинированный ЦТ машины и водителя в положение непосредственно над линией, соединяющей пятна контакта шин с дорогой. Именно это и делают испытатели, когда перемещают свое тело из стороны в сторону, стоя на подножках. Высокий ЦТ водителя больше воздействует на момент опрокидывания и также дает больший контроль над положением ЦТ байка. Итак, до значительной степени процесс балансирования на низкой скорости зависит от индивидуальных навыков водителя. В дополнение, некоторые параметры байка также могут влиять на легкость поддержания вертикальности, главные среди которых:

1. Низкое положение ЦТ помогает.
2. Большой вынос изменяет положение линии шин больше при данном повороте руля.
3. Небольшой угол наклона вилки уменьшает сваливание рулевой колонки, когда руль повернут в сторону от прямого положения, помогая процессу балансирования.

Механизм баланса на более высоких скоростях сложнее, но, по крайней мере, полностью самостоятелен и независим от навыков водителя. Чтобы понять само действие, необходимо рассмотреть несколько особенностей гироскопов, что является другим способом описания вращения колес мотоцикла.

Вращающееся колесо имеет очень устойчивую ось вращения, т.е. сильную склонность к поддержанию своей плоскости вращения. Другими словами, хотя его легко сдвинуть в сторону по оси вращения, оно сопротивляется повороту вокруг любой другой оси, и, что более важно, если его повернуть, оно автоматически вызывает сильный скручивающий момент по оси под 90 градусов к оси изначального поворота. Этот скручивающий эффект усиливается при увеличении скорости вращения колеса, что известно как гироскопическая прецессия.

Когда вы это прочитаете, я полагаю, вы пойдете и снимите переднее колесо с горного велосипеда своего брата, а если вы затем выполните следующие указания, то получите практическую наглядную демонстрацию величины этих прецессионных сил, которые так жизненно важны для баланса и руления любого байка. Первым делом, держите колесо вертикально, как на Рис. 2. Пусть ваш брат (он же не будет в это время ездить на велосипеде, не так ли?) раскрутит колесо так, чтобы верх колеса двигался от вас, как если бы это было переднее колесо велосипеда, на котором вы едете. Если затем вы попытаетесь наклонить ось ВЛЕВО (то, что происходит на вираже), вы обнаружите, что колесо немедленно и сильно поворачивается НАЛЕВО, как будто поворачиваемое невидимой рукой. Другими словами, ваша попытка наклонить колесо вокруг его продольной оси вызвала вращающий момент, самоориентирующий колесо вокруг вертикальной оси. Теперь начните снова, но в этот раз поверните колесо НАЛЕВО вокруг вертикальной оси – настолько же резко и сильно оно наклонится ВПРАВО. Снова попробуйте оба эти маневра, но делайте их при разных скоростях вращения колеса и разных усилиях наклона – вы увидите, что силы прецессии строго зависят от этих факторов. Отметьте, в частности, направления, в которых действуют эти силы, так как это важно для автоматического сохранения баланса.

Теперь давайте рассмотрим, как эти силы поддерживают баланс машины и ее относительно прямолинейное движение без помощи со стороны водителя. Предположим, что байк, движущийся вперед на нормальной скорости, начинает падать налево под действием какого-либо внешнего воздействия. Как мы только что видели, гироскопическая прецессия переднего колеса немедленно поворачивает его налево. Это ставит машину на криволинейную траекторию (влево), вызывая таким образом центробежную силу (вправо), которая противостоит наклону и стремится восстановить вертикальное положение машины, таким образом силы прецессии действуют в противоположном направлении, восстанавливая прямолинейное движение. На практике то, что мы считаем прямолинейным движением, на самом деле является серией корректирующих баланс колебаний, и если бы мы могли взглянуть на фактический путь, который проходит центральная линия колес, мы могли бы увидеть, что переднее колесо постоянно пересекает линию заднего колеса.

При объяснении выше я только описал эффекты на переднем колесе, силы прецессии действуют и на заднем колесе тоже, но его гораздо труднее повернуть независимо, так как весь байк должен уйти с курса, а не только колесо и вилка, как спереди. Следовательно, заднее колесо привносит лишь малый вклад в механизм авто баланса. Итак мы рассмотрели баланс на прямой линии, но так как мы наклоняемся при повороте, должны быть другие факторы, работающие для поддержания равновесия при этих условиях.

РУЛЕНИЕ (ПОВОРОТ)

Для его анализа мы можем разделить его на две фазы:

1. Начало поворота,
2. Поддержание поворота.

Так как вторую фазу анализировать легче, давайте и рассмотрим ее сначала. Нет возможности вести мотоцикл в повороте при практически вертикальном положении, как это происходит у автомобилей или у мотоциклов с коляской, так как возникшая центробежная сила вызывала бы его сваливание наружу поворота. Следовательно, нам нужно наклонить байк внутрь, чтобы эта тенденция уравновешивалась весом машины, стремящимся упасть внутрь. Посмотрите на Рис. 3.

Равновесие достигается, когда угол наклона таков, что балансирует оба противодействующих момента, один – из-за центробежной силы, действующей наружу, а другой – из-за силы тяжести, действующей вертикально вниз (оба момента действуют через ЦТ) Фактический угол, который зависит от радиуса поворота и скорости машины, таков, что результирующая двух сил проходит через линию, соединяющую пятна контакта передней и задней шин с дорогой. Это устойчивая ось вращения.

Но как мы в действительности начинаем поворот – сначала мы наклоняемся или поворачиваем руль? Давайте рассмотрим, что происходит при каждом способе. Если мы поворачиваем руль в направлении, в котором желаем двигаться, как центробежная сила, так и прецессия переднего колеса вызывают сваливание байка наружу, а это приводит к асфальтовой болезни. Однако если мы на мгновение постараемся быстро повернуть руль в противоположном направлении (что иногда известно как «противо-руление», то эти две силы в сочетании наклонят машину в нужную сторону. Затем сила тяжести усилит действие наклона, а это, в свою очередь, вызовет гироскопические силы, помогающие доворачивать переднее колесо в поворот, после чего устанавливаются процессы поддержания баланса, описанные выше, которые и будут держать байк на выбранном пути.

Я так и слышу, как вы говорите: «Все это очень хорошо, но если это способ поворота, то как же мы можем управлять байком без рук?». Ну, действительно это можно делать, но только чуть сложнее. Точный контроль и компактные повороты трудно выполнить без манипуляций руками. Просто попробуйте сами! Давайте рассмотрим ситуацию «без рук». Как мы видели раньше простой наклон байка автоматически поворачивает переднее колесо в нужном направлении – посредством прецессии. Но как нам заставить байк сначала наклониться, что и относительно чего нам толкать? Нет ничего закрепленного, от чего бы оттолкнуться, так что единственный способ для получения наклона (без возможности руления), это толкнуть машину инерцией нашего собственного тела. На практике это означает, что для наклона байка вправо мы должны сначала сдвинуть наше тело влево.

Таким образом теперь у нас есть два возможных способа начала поворота, и интересно отметить, что в обоих случаях (наклон и обратный поворот руля) наше физическое усилие противоположно тому, что могло бы показаться естественным, но по мере обучения мы быстро приспосабливаемся и требуемое действие становится подсознательно автоматическим. Именно эти противоположные действия требуют от нас сначала учиться ездить. Во время учебы большинство из нас качаются на грани контроля, пока мозг не поймет, что противо-руление и противо-наклон и есть как раз способ добиться желаемого. Как только мозг переключится в обратную сторону, весь процесс становится инстинктивным и обычно остается с нами на всю жизнь. Мы можем вернуться к езде после долгого перерыва без необходимости заново обучаться искусству сохранения равновесия или руления.
Так какой же из этих двух возможных методов начала поворота мы применяем на практике? Возможно подсознательно мы комбинируем оба метода, и давим на внутреннюю ручку руля по направлению немного вперед (противо-руление) и немного вниз (наклон). Однако помните, что фактическое движение противо-руления очень мало, так как гироскопическая прецессия зависит по силе от скорости, а не от амплитуды движения. Если вы все еще не верите, что руление в противоположном направлении работает, тогда в следующий раз, когда будете ехать на байке, попробуйте резко толкнуть руль в одну сторону и посмотреть, что произойдет. Выберите большой участок свободной дороги, если ваши реакции слегка замедлены. Сделайте это на скорости 60 км/ч и не вините меня, если упадете. Относительная пропорция каждого из методов при их сочетании частично зависит от стиля вождения, но также и от скорости и характеристик машины. Например, тяжелая машина с легкими колесами на низкой скорости требует техники, отличающейся от той. Что применяется на легкой машине с тяжелыми колесами и на большой скорости, а значит две машины будут давать разное ощущение. Но люди быстро приноравливаются и правильная техника скоро становится второй натурой.

Может показаться странным, что в вышеприведенном обсуждении не упоминаются такие важные параметры, как геометрия рулевого управления, размер колес и шин, колесная база, жесткость рамы и т.д. Это просто потому, что баланс и способность начинать и удерживать поворот могут быть получены при широком различии этих параметров. То есть, эти факторы не важны. Теперь мы рассмотрим немного подробнее один из более важных параметров, который подпадает под заголовок «геометрия рулевого управления», а именно ВЫНОС (TRAIL). Рассмотрим сначала Рис. 4, который показывает основы геометрии рулевого управления.

ВЫЛЕТ (TRAIL)

Первостепенная его функция, как часто говорят, в том, чтобы получить определенную долю прямолинейной стабильности в дополнение к тому, что получено за счет эффектов прецессии, описанных выше. Но вылет также включает другие эффекты, которые жизненно важны для ощущения и управляемости мотоцикла.

Рис. 4 показывает, что как переднее, так и заднее колесо касаются дороги позади точки, в которой ось рулевой колонки пересекается с дорогой, что вызывает самоцентрирующий эффект на обоих колесах, примерно так же, как поворотные колесики на тележке из супермаркета. Размер этого несовпадения называется вылетом. Механизм, благодаря которому вылет вызывает самоцентрирующую силу, можно понять из Рис. 5.

Если колесо отклоняется от прямолинейного положения, т.е. находится под углом к направлению движения (угол скольжения – технический термин), возникает сила, действующая под прямым углом к шине. Так как пятно контакта находится позади оси рулевой колонки (положительный вылет), то сила действует с плечом рычага (примерно равном вылету) для передачи отклоненному колесу корректирующего момента. Другими словами, если руль отклоняется по какой-либо причине, например из-за неровной поверхности дороги, то положительный вылет автоматически действует в направлении, противоположном отклонению и дает средство стабильности направления. Однако, как было показано ранее, мы не можем рассматривать какое-либо руление в изоляции, следует учитывать также гироскопические силы, достаточно сказать на этом этапе, что в данном случае вылет и прецессия работают в согласии, чтобы держать нас на пути истинном.
Можно извинить того, кто изначально считает, что из-за того, что вылет заднего колеса значительно больше, чем переднего, то заднее колесо более значимо в этом отношении. На самом деле происходит обратное по нескольким причинам. Рассмотрим Рис.6.

Представьте, что пятно контакта каждого колеса в свою очередь отклонено в сторону на одно и то же расстояние (скажем, ½ дюйма). Тогда переднее колесо будет повернуто примерно на 7-10 градусов (в зависимости от размера вылета) вокруг оси рулевой колонки, что приводит к углу скольжения того же значения и вызывает боковую силу, у которой есть лишь относительно небольшая инерция переднего колеса и вилки для стремления обратно к прямолинейному положению. Но угол скольжения отклоненного заднего колеса будет гораздо меньше (около ½ градуса), а значит и возвращающая сила будет соответственно снижена, но все это также влияет на инерцию основной пропорции машины и водителя, а следовательно ответ значительно медленней, чем в случае с передним колесом. Из этого мы можем видеть, что увеличение вылета как средства увеличения возвращающей силы колес подчиняется закону уменьшающихся возвратов. Также следует подчеркнуть, что искажение направления движения машины из-за бокового отклонения пятна контакта шины с дорогой гораздо меньше от заднего колеса, чем от переднего, так как при таком отклонении заднее колесо вызывает гораздо меньший угол увода от направления движения.

Итак, в то время как большой вылет заднего колеса дает относительно малый эффект возврата, эффект отклонения заднего колеса на устойчивость направления движения также мал, а следовательно, компенсируется. Как упоминалось раньше, вылет имеет другие эффекты помимо курсовой устойчивости, и сейчас давайте рассмотрим пару наиболее важных из них.

ЭФФЕКТ ПОВОРОТА РУЛЯ

Если мы наклоним неподвижную машину на одну сторону, а затем повернем руль, мы обнаружим, что рулевая колонка приподнимается и опускается в зависимости от положения руля. В движении эффективный вес байка и водителя, поддерживаемый рулевой колонкой, действует на дорогу через пятно контакта шины. Эта сила стремится повернуть руль в положение, когда рулевая колонка находится в самом нижнем положении (т.е. в положении минимальной потенциальной энергии). Для данного размера вылета на этот угол поворота руля влияет угол наклона рулевой колонки и диаметр колес (одна из причин, почему колеса разных размеров дают разное ощущение от езды), если все остальное неизменно. Пока у нас есть положительный вылет, что нормально, этот поворачивающий эффект действует в сторону поворота. Таким образом, размер вылета переднего колеса влияет на величину поворачивающего момента, который должен приложить водитель (а значит и на ощущение от управляемости) для поддержания нужного угла поворота руля, соответствующего радиусу поворота и скорости движения байка. Иногда кажется, что некоторые байки приходится больше класть на бок при прохождении поворота, в то время, как другие требуют противоположного подхода. Характеристики шин также сильно влияют на этот процесс, но их рассмотрение подождет другого случая.

ОЩУЩЕНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ

Как мы все знаем, даже когда мы едем прямо управление ощущается легче на мокрой и скользкой дороге, чем на сухой. Это из-за того, что как мы видели, наша кажущаяся прямой линия в действительности является серией кривых, корректирующих баланс, а руль все время поворачивается на мгновение из стороны в сторону. Также, как мы видели, небольшое отклонение руля вызывает угол скольжения, который в свою очередь вызывает восстанавливающий момент. При данном угле скольжения этот момент зависит от свойств шины, сцепления с дорогой и вылета. На скользких поверхностях корректирующий момент меньше, а значит через руль мы получаем ответ (зависящий от вылета) об имеющемся сцеплении. Байк с небольшим вылетом может давать слишком большое ощущение скользкости на мокрой дороге и вызывать у водителя определенную степень опасения, в то время как с другой стороны большой вылет при этих условиях может давать ощущение безопасности, что легко может породить излишнюю самоуверенность с предсказуемыми результатами.