Por que um monociclo com o centro de gravidade bem no topo consegue ficar em pé sem cair?

Este artigo aborda a questão de como um monociclo com um centro de gravidade muito alto consegue permanecer ereto sem cair. Explica o princípio de que depende da força de atrito no solo, gerada pelo condutor ao accionar os pedais, para equilibrar o momento de capotagem. Apresenta também a estrutura e a aplicação do Segway (um skate motorizado) que utiliza o mesmo princípio de equilíbrio, mas com um sistema de controlo automático.

Por que um monociclo com o centro de gravidade bem no topo consegue ficar em pé sem cair?

A monocicleta é um adereço comum nos espectáculos de acrobacia. Tem apenas uma roda e um centro de gravidade muito alto, como um pêndulo instável. Mas, sob o controlo de um condutor experiente, consegue manter uma posição vertical estável, podendo parar no local ou avançar e recuar com facilidade. Por que razão consegue a monocicleta, com o seu centro de gravidade tão alto, manter-se vertical sem cair? Na verdade, o segredo da estabilidade da monocicleta reside na habilidade do condutor. Quando o condutor inclina o corpo para a frente, o apoio do solo na roda deixa de passar pelo centro de gravidade, criando um momento de força no centro de gravidade. O momento de força é uma força externa que faz com que um objecto gire. A sua magnitude é igual à força de apoio multiplicada pela distância entre a força de apoio e o centro de gravidade. Se não for controlado, o momento de força faria com que a monocicleta caísse na direcção em que actua. Neste caso, o condutor aplica força na roda através dos pedais e da corrente, fazendo com que a roda role para a frente. A fricção da roda no solo cria uma força de fricção para a frente, que contrabalança o momento de força de apoio e ajuda a manter a posição vertical do veículo. Ao controlar a força dos pedais, o condutor consegue manter a monocicleta no local. Se aplicar mais força, a roda rola para a frente. Para fazer a monocicleta recuar, o condutor deve inclinar-se ligeiramente para trás e, simultaneamente, aplicar força nos pedais no sentido contrário, fazendo com que a roda role para trás, e a fricção do solo na direcção contrária contrabalance o momento de força de apoio.

Se um sistema de controlo automático substituir o controlo do condutor sobre a monocicleta, será possível conceber um novo veículo auto-equilibrado. É o caso do "Segway", ou "skate eléctrico", que surgiu nos últimos anos. É composto por uma plataforma horizontal e duas rodas lado a lado. As rodas são accionadas por baterias e um guiador vertical é utilizado para controlar a direcção. O condutor fica de pé na plataforma e o seu centro de gravidade elevado é semelhante ao da monocicleta. O sistema de controlo interno mantém o condutor na posição vertical, evitando que caia para a frente ou para trás. Este veículo único esteve presente nos Jogos Olímpicos de Pequim de 2008 e tornou-se, desde então, um meio de transporte prático em estádios, aeroportos e estações ferroviárias.