Физика в Мотокроссе

Jeffrey R. Giles and Charles D. Ross

Мотокросс - это вид спорта, в котором участники гоняют на мотоциклах по трассе, содержащей искусственные или естественные препятствия. Некоторые из встречающихся препятствий - это крутые холмы, внезапные обрывы и трамплины различных размеров.

Естественно, гонщик ищет самый быстрый путь по трассе. В мотокроссе это часто означает преодоление препятствий, оставаясь в воздухе двигаясь на большие расстояния (часто достигая более десяти метров  в высоту и 30 метров в длину). Быстрый гонщик должен знать, как управлять полетом мотоцикла, чтобы преодолеть прыжки.

 Как законы физики позволяют гонщику управлять полетом мотоцикла.

Мотоцикл, преодолевающий препятствие, является примером скоростного движения (см. рис. 1). Следовательно, достигнутая высота, время полета и пройденное расстояние по горизонтали могут быть рассчитаны с помощью уравнений движения снаряда. Вертикальное ускорение, ay, составляет -9,80 м/с2 из-за силы тяжести.
Путем умножения исходной скорости v0 на синус угла 0, с которого был запущен мотоцикл, можно найти начальную вертикальную скорость мотоцикла, Voy•

Как только вертикальная составляющая скорости известна, достигнутая высота, y, может быть рассчитана по формуле:

После определения v0y и y может быть рассчитано время полета, t:

 Предполагается, что сопротивление воздуха оказывает минимальное влияние; поэтому горизонтальное ускорение будет приниматься равным нулю. Горизонтальная скорость, v<w, определяется путем умножения исходной скорости на косинус угла, с которого был запущен мотоцикл.

Горизонтальное расстояние, x, пройденное во время прыжка, может быть рассчитано:

Как изменить траекторию полета мотоцикла 

Гонщики используют множество приемов на поверхности взлетной рампы, чтобы изменить схему полета мотоцикла. В большинстве случаев гонщик разгоняется к рампе (чтобы, достичь достаточно высокой скорости, для  приземления на нижней стороне следующего препятствия).

Отпускает дроссель перед основанием рампы (чтобы избежать "предварительной загрузки" подвески, как описано ниже) и дает короткую очередь дроссельной заслонки, прежде чем заднее колесо покинет рампу (чтобы переднее колесо не упало).

Однако иногда гонщику требуется большая высота и меньшее расстояние, чтобы приземлиться на спуске следующего препятствия.

Чтобы получить большую высоту, гонщик сжимает подвеску мотоцикла на лицевой стороне пандуса. Это обычно называют "предварительной загрузкой" подвески. Для предварительной загрузки подвески обычно используются два метода.

Методы прохождения трамплинов 

Первый метод заключается в ускорении, когда заднее колесо соприкасается с основанием пандуса из-за прилагаемой силы.
Второй способ сжатия подвески заключается в том, чтобы надавить вниз на руль и подножки у основания прыжка. Верхняя часть тела всадника располагается над рулем, наклоняясь вперед.

Это положение позволяет водителю нажимать вниз на руль. Всадник также давит ногами вниз на подножки. Возникающее в результате ускорение рамы мотоцикла вниз сжимает подвеску.

В результате этого первоначального сжатия подвеска восстанавливается.  Когда мотоцикл собирается покинуть рампу, этот отскок подвески создает усилие на раме мотоцикла в вертикальном направлении.

Эта дополнительная сила вызывает увеличение v0y, обеспечивая желаемый прирост высоты.

Много раз гонщик допускает ошибку на рампе прыжка, из-за которой мотоцикл становится неустойчивым в воздухе. То, как гонщики решают эти проблемы и избегают аварий, также можно объяснить законами физики.

Одна из наиболее распространенных ошибок известна как "зацикливание". Зацикливание происходит, когда переднее колесо находится слишком высоко над центром масс мотоцикла (см. рис. 3). Это часто приводит к тому, что мотоцикл переворачивается назад перед посадкой. Даже в малейших случаях зацикливание приводит к очень грубой посадке, что замедляет поступательный импульс мотоцикла. 

Противодействуя зацикливанию, гонщик может сделать одну из двух вещей: перенести вес своего тела вперед или заблокировать заднее колесо. Центр масс мотоцикла и гонщика (как единого целого) движется по параболической траектории. Перенос веса гонщика на переднюю часть велосипеда изменяет расположение центра масс блока велосипед/гонщик на более переднее расположение на мотоцикле.

Поскольку центр масс следует по параболической траектории, новый центр масс заставляет мотоцикл вращаться вперед, тем самым опуская переднее колесо.
Заблокировав задние тормоза, водитель может остановить вращение заднего колеса. Результирующее изменение ориентации мотоцикла объясняется сохранением углового момента. Перед тем, как гонщик блокирует задние тормоза, заднее колесо, вращающееся вокруг задней оси, демонстрирует угловой момент, как и весь мотоцикл.

Как только заднее колесо заблокировано, угловой момент, первоначально заложенный в заднем колесе, должен быть передан другой части мотоцикла, чтобы сохранить угловой момент всего мотоцикла. Таким образом, рама мотоцикла поворачивается вниз, опуская переднее колесо.

Эти два метода используются гонщиками для устранения поломок передних колес и часто предотвращают катастрофические аварии.
"Эндоинг" - это еще один случай, когда мотоцикл находится в воздухе. Окончание происходит, когда переднее колесо опускается слишком далеко ниже центра масс мотоцикла. Это часто приводит к тому, что переднее колесо не преодолевает следующее препятствие на трассе. Гонщики решают эту проблему, увеличивая обороты двигателя в воздухе.

Заднее колесо вращается быстрее из-за применения дроссельной заслонки и набирает угловой момент. Осью этого дополнительного углового момента является задняя ось. Угловой момент должен быть сохранен внутри системы. Результатом добавленного углового момента к заднему колесу является то, что рама мотоцикла поворачивается вверх вокруг оси через центр масс, обеспечивая необходимую подъемную силу для переднего колеса.
Гонщики могли решить проблему, наклонившись к задней части мотоцикла, чтобы изменить центр масс. Однако гонщики предпочитают располагаться над передней частью мотоцикла, чтобы поддерживать надлежащий контроль над мотоциклом. Поэтому наклон через заднюю часть мотоцикла не является эффективным средством устранения неполадок.

Последний случай, который будет обсуждаться, известен как "скрабление" мотоцикла.

Скрабление мотоцикла

Это воздушный манёвр, часто выполняемый для того, чтобы произвести впечатление на толпу, наблюдающую за гонкой. Находясь в воздухе, гонщик поворачивает мотоцикл из его нормальной вертикальной плоскости в горизонтальное положение.

Затем гонщик возвращает мотоцикл в вертикальное положение перед приземлением, делая прыжки гораздо более зрелищными для наблюдения. Если гонщик хочет, чтобы правая сторона мотоцикла была выше левой, он перенесет свой вес с правой подножки, чтобы убрать нисходящую силу своего веса с подножки.

Это достигается простым снятием правой ноги с подножки, снятием веса, который давил непосредственно на подножку, и переносом кольца на левую подножку.

Давление прикладывается к левой стороне рамы путем вращения тела ниже бедер в направлении против часовой стрелки и сверху бедер в направлении по часовой стрелке. Это движение похоже на движение кошки, падающей и приземляющейся на лапы.

Вращательное движение гонщика поворачивает правую сторону мотоцикла вверх. Как только мотоцикл окажется в горизонтальном положении, перемещение тела и веса в противоположном направлении возвращает мотоцикл в вертикальное положение для посадки.

Мотокросс в настоящее время набирает большую популярность и привлекает молодую аудиторию, как лично, так и по  телевидению. Одним из самых больших развлечений для зрителей является наблюдение за прыжками мотоциклов на большие расстояния.

Объяснение того, как законы физики позволяют гонщикам управлять мотоциклом в этих прыжках, — интересный способ привлечь внимание ваших учеников. Это также продемонстрирует, как теория классной комнаты применима к реальным ситуациям.