หลักสูตรเทคนิคต้องใช้ทักษะการเข้าโค้งที่ดี แต่ตามหลักฟิสิกส์แล้ว คุณสามารถให้ทิปจักรยานได้ไกลแค่ไหนก่อนที่จะถึงดาดฟ้า
นักวิทยาศาสตร์งงกับสิ่งที่ทำให้จักรยานทรงตัวได้ตั้งแต่สมัยคุณอายุมาก ผู้เชี่ยวชาญหลายคนแนะนำว่าห่วงหมุนเหล่านั้นทำให้จักรยานมีพฤติกรรมเหมือนไจโรสโคป แต่ก็ไม่ง่ายอย่างนั้น กลุ่มวิศวกรจากมหาวิทยาลัยนอตติงแฮมระบุตัวแปร 25 ตัวที่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของจักรยาน โดยอ้างว่า 'คำอธิบายง่ายๆ ดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้เพราะเอนเอียงและพวงมาลัยมีการผสมผสานของผลกระทบ รวมทั้งการเคลื่อนตัวของไจโรสโคป แรงปฏิกิริยาพื้นด้านข้าง ที่ล้อหน้า จุดสัมผัสพื้นด้านหลังแกนบังคับเลี้ยว แรงโน้มถ่วงและปฏิกิริยาเฉื่อย…'
เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าตราบใดที่จักรยานยนต์เคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 14 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (9 ไมล์ต่อชั่วโมง) มันก็สามารถตั้งตรงได้โดยไม่ต้องมีคนขี่ แต่อีกครั้ง นักวิทยาศาสตร์อธิบายไม่ได้ว่าทำไม
กับฉากหลังนั้น โยนมิติที่เพิ่มเข้ามาของการโค้งงอแล้วคำนวณมุมที่คุณสามารถเอนได้ขณะเข้าโค้งก่อนที่คุณจะชนกับแอสฟัลต์นั้นเป็นเรื่องที่ซับซ้อนอย่างเห็นได้ชัด ในสภาวะที่เหมาะสม เป็นไปได้ที่จะเห็นมุม 45° แต่เราจะไปถึงจุดนั้นได้อย่างไร
‘เรารู้ว่ามีสามกองกำลังที่แท้จริงที่กระทำต่อจักรยานยนต์และผู้ขับขี่’ Rhett Allain นักปั่นจักรยานที่กระตือรือร้นและรองศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ Southeastern Louisiana University ในสหรัฐอเมริกากล่าว
‘มีแรงโน้มถ่วงทำให้จักรยานและคนขี่ล้ม มีถนนที่ดันขึ้นซึ่งเราเรียกว่าแรง "ปกติ" และมีแรงเสียดทานที่ผลักจักรยานไปยังศูนย์กลางของเส้นทางวงกลมที่มันเคลื่อนที่เข้าไป’
พลังจอมปลอม
มีแรงเหวี่ยงด้วย'สิ่งนี้มีผลกระทบ แต่เป็นพลังปลอม' อัลเลนกล่าว นักฟิสิกส์หลายคนโต้แย้งว่าแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ไม่มีอยู่จริงและเป็นเพียงการขาดแรงสู่ศูนย์กลาง ซึ่งเป็นแรงดึงเข้าด้านในที่ช่วยให้จักรยานเคลื่อนที่เป็นวงกลมคล้ายกับแรงโน้มถ่วงที่ดึงดาวเทียมเข้าด้านในเพื่อให้อยู่ในวงโคจร
คำนวณจากสมการ F=mv2/r โดยที่ F คือแรงสู่ศูนย์กลาง (นิวตัน) m คือมวลของจักรยานและคนขี่ (กก.) v คือ ความเร็ว (m/s) และ r คือรัศมีของมุมเป็นเมตร
‘ฟิสิกส์ของการเลี้ยวก็คือคุณต้องเร่งความเร็วเข้าด้านใน ซึ่งเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง” เดวิด วิลสัน ศาสตราจารย์กิตติคุณด้านวิศวกรรมจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์กล่าว
‘แรงต้องมาจากยาง. จักรยานต้องเอนเพื่อให้ปฏิกิริยาระหว่างยางและแรงในแนวรัศมีสอดคล้องกับแรงที่เกิดจากจักรยานบวกกับผู้ขี่’
ปัจจัยสำคัญที่ทำให้คุณเอนได้ไกลก็คือสัมประสิทธิ์การเสียดสี ซึ่งเป็นอัตราส่วนของแรงเสียดทานระหว่างวัตถุสองชิ้นกับแรงที่กระทำกับวัตถุ – ในกรณีนี้คือยางและแอสฟัลต์
วัสดุแห้งส่วนใหญ่มีค่าความเสียดทานระหว่าง 0.3 ถึง 0.6 ในขณะที่ยางที่สัมผัสกับแอสฟัลต์สามารถสร้างตัวเลขได้ระหว่างหนึ่งถึงสอง เมื่อพื้นผิวเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน – ตามการปั่นจักรยาน – ตัวเลขนี้จะลดลงเล็กน้อย
เพื่อให้จักรยานอยู่ในแนวตั้ง แรงด้านข้าง (สู่ศูนย์กลาง) ต้องเท่ากับสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน และตัวเลขนี้อาจมีขนาดใหญ่อย่างน่าประหลาดใจ ตัวอย่างเช่น ผู้ขี่ 70 กก. บนจักรยาน 10 กก. ความเร็ว 20 ไมล์ต่อชั่วโมงรอบโค้งที่มีรัศมี 20 เมตรจะพบกับแรงสู่ศูนย์กลางที่ 316 นิวตัน
แรงนี้ต้องเกิดจากยาง และถ้าแรงนั้นไม่มีอยู่จริง รถมอเตอร์ไซค์และผู้ขี่ก็จะวิ่งต่อไปเป็นเส้นตรง
ใช้การคำนวณตรีโกณมิติที่น่าประทับใจที่จะเติมเต็มหนังสือทั้งเล่ม สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจะเท่ากับฟังก์ชันแทนเจนต์ของมุมเอนสูงสุด
‘วงล้อจะลื่นเมื่อเกินสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน’ Marco Arkesteijn อาจารย์ด้านวิทยาศาสตร์การกีฬาแห่งมหาวิทยาลัย Aberystwyth กล่าว 'อาจเป็นเพราะแรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้น [เนื่องจากการกระชับเส้นผ่านมุมเช่น] หรือแรงปกติลดลง [เนื่องจากภาวะซึมเศร้าในถนน]'
สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสามารถเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิว นั่นเป็นสาเหตุที่การเข้าโค้งบนเส้นสีขาวอาจเป็นอันตรายได้ 'นี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในที่เปียก' Arkesteijn กล่าว 'สีมีรูพรุนน้อย น้ำจึงไม่กระจาย'
น้ำหนักคนขี่
เรื่องจะซับซ้อนกว่านี้คือเรื่องน้ำหนักคนขี่ 'คนที่ฉลาดทางฟิสิกส์ คนที่ตัวเล็กกว่าควรจะสามารถพึ่งพาได้มากกว่านี้' Arkesteijn กล่าว ‘พวกมันมักจะว่องไวกว่าด้วย ซึ่งช่วยได้’
Allain ไม่ค่อยชัดเจนนัก โดยแนะนำว่าน้ำหนักของผู้ขี่มีความสำคัญเพียง "เล็กน้อย" แต่สิ่งที่สำคัญกว่าคือจุดศูนย์กลางมวลของผู้ขับขี่และจักรยานยนต์
‘ท้ายที่สุด นั่นคือปัจจัยที่สำคัญที่สุด’ เขากล่าว นักขี่ที่หนักกว่ามักจะเป็นคนตัวสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกลุ่มโปร peloton ซึ่งหมายความว่าขนาดเฟรมจะใหญ่ขึ้นและจุดศูนย์กลางมวลจะสูงขึ้น คุณต้องคำนึงถึงสภาพถนนด้วย หากคุณถึงขีดจำกัด การชนบนถนนอาจทำให้สูญเสียการยึดเกาะและการหกล้ม
ถนนในสหราชอาณาจักรบางครั้งอาจยึดเกาะได้ดีกว่าถนนลูกพี่ลูกน้องของเราในยุโรปแผ่นดินใหญ่ เพราะมีรูพรุนมากกว่าในการดูดซับฝนและป้องกันพื้นผิวที่ลื่น นั่นเป็นสาเหตุที่ถนนของเราหยาบกร้าน แต่พวกมันมักจะเป็นหลุมเป็นบ่อและอยู่ในสภาพที่แย่ลงเนื่องจากความเสียหายจากน้ำค้างแข็ง ดังนั้นทำไมการปั่นจักรยานและการขับรถในฝรั่งเศสจึงเป็นความสุขอย่างยิ่งเมื่ออากาศแห้ง
หลังจากนั้น มุมเอนสูงสุดคืออะไร? สำหรับจิม ปาปาโดปูลอส ศาสตราจารย์ด้านเครื่องกลและวิศวกรรม คุณไม่สามารถตอบได้จนกว่าคุณจะใส่ปัจจัยสุดท้ายอย่างใดอย่างหนึ่ง – เทรล
นี่คือเส้นจินตภาพที่ฉายลงมาที่ท่อบังคับเลี้ยวลงกับพื้น หากจุดนี้อยู่หน้าจุดสัมผัสล้อกับพื้น ถือว่า 'เป็นบวก' และมีเสถียรภาพมากขึ้น ด้านหลังและจักรยานมีแนวโน้มที่จะพลิกคว่ำ เทรลลดยิ่งเอน
'นักปั่นจักรยานมักจะอยู่ในเส้นทางที่เป็นบวกและต้องไม่เกิน 45° ของยัน เขากล่าว 'โดยปกติแล้วจะน้อยกว่า แต่เมื่อเลี้ยวมากกว่ารัศมี 5 เมตร คุณสามารถไปถึง 45° นั่นเป็นเพราะว่าเทรลกลายเป็นปัญหาน้อยลง – จากนั้นเราก็กลับมาที่ประเด็นเรื่องการลาก’
ดังนั้น 45° เป็นไปได้ในเทิร์นที่รวดเร็ว กว้าง และมีพื้นผิวที่ดี แต่ด้วยตัวแปรมากมายในการเล่น น่าเสียดายที่ไม่มีคำตอบที่ชัดเจน คุณสามารถยันได้ไกลแค่ไหนเป็นกรณีของการทดลองและข้อผิดพลาด (หวังว่าจะไม่เจ็บปวดเกินไป)