Почему одноколесный велосипед с очень высоким центром тяжести может оставаться в вертикальном положении и не падать?

Данная статья посвящена проблеме того, почему одноколесный велосипед с высоким центром тяжести может устойчиво стоять на вертикали. В ней объясняется принцип, согласно которому водитель, используя педали, создает момент трения с дорожным покрытием, уравновешивающий момент опрокидывания, а также рассматривается структура и применение сегвея (электрического самоката) с автоматической системой управления, основанной на том же принципе балансировки.

Почему одноколесный велосипед с очень высоким центром тяжести может оставаться в вертикальном положении и не падать?

Моноцикл — распространённый реквизит в акробатических представлениях. У него всего одно колесо, и его центр тяжести находится очень высоко, поэтому он кажется неустойчивым. Однако под управлением опытного водителя, нажимающего на педали, он может сохранять вертикальное положение, останавливаясь на месте или двигаясь вперёд или назад. Почему моноцикл с таким высоким центром тяжести не падает? Оказывается, секрет его устойчивости заключается в мастерстве водителя. Когда водитель наклоняется вперёд вместе с моноциклом, сила, оказываемая на колесо, больше не проходит через центр тяжести, а создаёт момент силы, действующий на центр тяжести. Момент силы — это внешняя сила, заставляющая объект вращаться. Его величина равна силе, действующей на объект, умноженной на расстояние между точкой приложения силы и центром тяжести. Если не контролировать момент силы, моноцикл упадет в том направлении, куда он действует. В этом случае водитель прикладывает усилие к колесу с помощью педалей и звёздочки, заставляя колесо катиться вперёд. Трение колеса о землю создаёт силу трения, действующую на центр тяжести и противодействующую моменту силы, вызывающему опрокидывание. Регулируя величину усилия на педали, водитель может удерживать моноцикл на месте. Если приложить больше усилия, колесо начнёт катиться вперёд. Чтобы заставить моноцикл двигаться назад, водитель должен слегка наклониться назад и одновременно нажимать на педали в обратном направлении, заставляя колесо катиться назад, а трение колеса о землю снова уравновешивает момент силы, вызывающий опрокидывание.

Если заменить управление моноциклом человеком автоматической системой управления, можно создать новый вид транспорта с самобалансировкой. Это так называемый сегвей или электрический скутер, появившийся в последние годы. Он состоит из горизонтальной платформы и двух колёс, расположенных бок о бок. Колёса приводятся в движение батареей, а вертикальная ручка используется для управления. Водитель стоит на платформе, и его высокий центр тяжести похож на центр тяжести моноцикла. Система управления позволяет водителю сохранять вертикальное положение и не падать вперёд или назад. Этот уникальный транспорт появился на Олимпийских играх в Пекине в 2008 году и теперь стал популярным средством передвижения на спортивных площадках, в аэропортах и на железнодорожных станциях.