Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - [18]
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.
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 большую мгновенную скорость движения точки на краю колеса. Именно так и работает колесо велосипеда. Чем больше его диаметр, тем больше плечо рычага и тем большую 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).
