Почему задние колеса крутятся в разные стороны
Если следить за колесами машины, когда она набирает скорость, можно заметить, что в какой-то момент кажется, будто они останавливаются, после чего начинают двигаться назад. Почему так происходит и можно ли с помощью таких наблюдений определить скорость авто?
Объяснить, почему иногда колеса машин могут останавливаться и даже начинать крутиться в обратную сторону, поможет физика и биология. А именно, стробоскопический эффект. Дело в том, что у нашего глаза есть предел частоты смены кадра, которую он может увидеть.
Для разных людей этот показатель разный, но, как правило, мы можем различать действия, длящиеся около 20 миллисекунд. Иначе говорят, предел частоты смены кадров для нашего глаза составляет 50 FPS (frames per second — кадров в секунду). После этого мы начинаем видеть события не в виде отдельных кадров — они сливаются в одно действие.
То же самое происходит, когда мы смотрим на вращающиеся колёса автомобиля: сначала он едет медленно и мы можем заметить вращение диска, но после достижения определенной скорости колесо кажется неподвижным. Это происходит, из-за того, что спицы на диске колеса расположены симметрично через четко заданный угол. При определенной скорости спицы так быстро проходят угол, разделяющий их, что кажется, будто они не сдвинулись с места.
Как мы писали выше, в среднем наш глаз способен заметить событие, которое длится не менее 20 миллисекунд. Значит, колесо останавливается для нашего глаза, когда спица проходит расстояние до другой спицы за это время. Диаметр колеса у машин различается, но возьмём значение в 60 сантиметров как среднее. Тогда длина окружности получится равной 188,5 сантиметров.
Допустим, в диске машины пять спиц, а значит они разделены расстоянием примерно 37,7 сантиметров по внешнему диаметру колеса. Значит, чтобы колесо «остановилось», надо, чтобы за 20 мс оно прошло как минимум 37,7 сантиметров. Значит, скорость его вращения должна быть равной примерно 65 километров в час. После достижения этой скорости колеса начинают для наблюдателя вращаться в обратную сторону, так как спицы начинают проходить за 20 мс расстояние больше, чем разделяет их.
Иногда во время движения автомобиля создается ощущение, что колеса находятся в неподвижном состоянии или даже вращаются в обратную сторону. Почему так происходит? Давайте разберемся в принципах красивой оптической иллюзии, которую мы часто видим на дороге.
Мы наверняка не раз видели на дороге, по телевизору, в Интернете как колеса автомобиля вращаются вопреки законам физики. То есть колеса вращаются в обратную сторону, несмотря на движение машины в другую сторону. Возможно, эта иллюзия озадачила вас. Самое удивительное, что когда автомобиль трогается с места, сначала вращение колес может казаться нормальным и естественным. То есть вращение колес происходит в правильном направлении. Однако, как только вращение колес достигает определенной скорости, спицы, лучи колесных дисков иногда начинают двигаться в другую сторону или даже перестают вращаться. Что же происходит?
Эта иллюзия демонстрирует, как работает наша функция зрения и как мозг может интерпретировать и обрабатывать информацию, получаемую с органов зрения. Наши глаза способны работать на частоте 200 кадров в секунду при обработке нормального статичного изображения. Но когда дело доходит до фиксации и обнаружения движения, то согласно исследованиям установлено, что зрительная система человека может обнаруживать изменение в движении (например вращение колеса) только со скоростью 13 кадров в секунду.
Хотя, как мы уже сказали, наши глаза и мозг могут обрабатывать информацию с большей частотой кадров. Но информацию о движении объекта мозг может обрабатывать только со скоростью 10-15 кадров в секунду. Хотя установлено что эта скорость обработки информации нашим мозгом с органов зрения может быть увеличена с помощью специальных тренировок.
И так давайте на примере вращения колеса подробнее узнаем, как работает наше зрение и как обрабатывает информацию наш мозг. Предположим, что автомобильное колесо имеет четыре спицы или четыре луча колесного диска, расположенные под углом 90 градусов друг к другу. Представим, что один луч повернут на 12 часов (если представить колесный диск в виде циферблата часов). Теперь представим вращение колеса по часовой стрелке.
Если колесо на небольшой скорости будет двигаться вперед, то луч, расположенный на положении 12 часов переместиться на положение 2 часа. В этом положении наш мозг будет обрабатывать информацию, полученную от органов зрения как отдельный кадр. В этом случае мы будем видеть не отдельные кадры, а непрерывную картинку движения колеса в обычную сторону при движении автомобиля вперед.
Однако если колесо будет вращаться с большой скоростью, то наш мозг будет не успевать обрабатывать каждый кадр получаемой информации о вращении колесного диска. То есть, интервал вращения спиц или лучей колесного диска, расположенных под углом 90 градусов будут попадать на три, шесть, девять и 12 часов в тот момент, когда наш мозг не будет успевать обрабатывать предыдущие кадры. В итоге при определенной скорости вращения колес нам может показаться, что колесные диски остановились, несмотря на движение машины.
То есть, наш мозг, запомнив первоначальное положение колесных спиц или лучей из-за низкой скорости обработки информации (в среднем 13 кадров в секунду), не успевая обрабатывать каждый кадр, будет думать, что колесо стоит на месте.
При увеличении скорости вращения колес, начинает появляться обратный эффект неэффективности обработки визуальной информации нашим мозгом, который заключается в том, что нашему мозгу будет казаться, что центральная спица или луч колесного диска, расположенный ранее на положении 12 часов, после каждого круга вращения будет смещаться против часовой стрелки на 1 час назад, то есть на 11 часов. В итоге после обработки информации наш мозг будет ошибочно думать, что колесо вращается в обратном направлении.
Вот почему, несмотря на движение вперед, наш мозг будет интерпретировать движение колес на определенной скорости в обратную сторону. Все дело в нехватке скорости обработки зрительной информации.
То же самое происходит и при просмотре видео по телевизору или в Интернете, на котором снято движение автомобиля со скоростью 50 кадров в секунду. В идеале мы видим правильное вращение колес на таком видеоролике при скорости полного оборота вращения колеса меньше 1/50 в секунду. Как только скорость вращения колеса сравняется со скоростью работы камеры или станет выше, то камера снимающая ролик будет не успевать фиксировать полное вращение колесных спиц и лучей и нам будет казаться, либо что вращение колеса прекратилось, либо колесо, несмотря на движение машины вперед, начало вращаться в обратную сторону.
Также аналогичный эффект вы можете увидеть при работающих лопастях вертолета или при движении пропеллеров авиадвигателей.
Способ установки колес «домиком» означает, что они смонтированы с так называемым отрицательным углом развала. Имеется в виду угол между плоскостью колеса и вертикалью. Соответственно, случай, когда машина — наоборот, словно старается подобрать под себя колеса, называется «положительный угол развала».
Заметим, что в просторечии столь длинны технические термины обычно сокращаются до совершенно безграмотных, но абсолютно понятных каждому автомобилисту из числа «тех, кто в теме». Так, название «колеса с отрицательным углом развала» обычно усыхает до примитивного — «колесо с развалом».
Но зачем он нужен, этот отрицательный развал. Такой технический прием очень часто применяется в автоспорте на машинах, участвующих в кольцевых гонках и дрифт-сериях. Дело в том, что шины, установленные ровно — перпендикулярно к земле (с нулевым развалом) — в по-настоящему резком и быстром повороте или при сносе/заносе норовят подломиться. Что провоцирует срыв машины с траектории поворота. И что бы предотвратить такое подламывание, колеса устанавливают под углом, который его заранее компенсирует и предупреждает.
При этом используется специфического размера резина — с тонким и широким профилем, позволяющим ей без проблем катиться практически на одной боковине.
Со спортсменами все понятно, а зачем это все на обычных легковушках в повседневной езде? С прагматичной точки зрения ответа на такой вопрос не получить.
Машина «с развалом» имеет, как правило, минимальный дорожный просвет и преодоление чуть ли не каждого «лежачего полицейского» сопряжено для нее с риском остаться без выхлопной системы или пластикового обвеса кузова. Такая подвеска должна быть зубодробительно жесткой, чтобы колеса имели минимальные ходы в арках и не цепляли за них при преодолении неровностей. Иначе говоря, комфорта при езде «с развалом» — минимум.
И, наконец, поскольку резина контактирует с дорогой, как уже говорилось выше, фактически одной лишь своей боковиной, изнашивается она крайне неравномерно и с катастрофической скоростью. Для владельцев спортивных команд это не проблема. Для среднестатистического же частника замена всего комплекта шин с той же периодичностью, что и смена масла в моторе, может показаться более чем накладным мероприятием.
Так зачем же тогда морочиться с «колесами домиком»? А для фана. Чтоб все видели, какой крутой гонщик сидит за рулем обычной 10–15–20-летней «помойки», только неимоверными стараниями хозяина все еще не оказавшейся на свалке старых авто…
Если бросить взгляд на проезжающее рядом на высокой скорости авто, может показаться. Что колеса вращаются в обратном направлении, хотя такого в принципе быть не может. Частенько и дети задают родителям вопросы из разряда: «Машина еде вперед, а колеса назад крутятся. Почему?». Многие промычат что-то в духе царя из старого советского мультика: «Оптический обман зрения», в надежде, что этого вполне достаточно. В чем же на самом деле причина подобной «иллюзии»?
Когда автомобиль только начинает движение на малой скорости, колеса, как и положено, крутятся в одном направлении с ним. Но стоит ему только набрать солидную скорость, как наблюдателям начинает казаться, будто диски застыли или же вообще наплевали на все законы физики и решили крутиться в обратную сторону.
Якобы вращающиеся не в ту сторону колеса обычно порождают множество спорах на просторах всемирной паутины. Некоторые «эксперты» утверждают, что это еще один из трюков освещения, другие же авторитетно заявляют что все дело в видеокамере. Но ни одно из не является истиной.
На самом деле все объясняется стробоскопическим эффектом. И, да, это действительно обман зрения. Который, если быть точным, вызывается искаженным восприятием движения спиц диска колеса. Обусловлено это не только «мерцанием» элементов на свету, но и устройством нашей зрительной системы. Когда объект «подсвечивается», находясь на в одном положении, кажется, будто он не двигается, перемещается вперед — значит движение есть. А вот если скорость реального движения объекта очень высокая и «мерцание» происходит чаще, глаз не успевает зафиксировать прохождение объектом полного круга, начинает казаться, что вращение происходит в обратную сторону.
И подобный эффект мы можем наблюдать не только на дисках автомобиля. Если посмотреть на лопасти вертолета или вентилятора, тоже будет казаться, что они двигаются в обратную сторону.
Ради интереса проведите самостоятельный тест. Выверните руль до упора, выйдите из машины и посмотрите на колёса. Одно будет вывернуто сильнее. Паниковать не стоит, так надо.
- 05.04.2019
- /
- Полезное , Как это устроено
- /
- Яков Фрудгарт
Почему так происходит?
Для того, чтобы понять эту систему, нам понадобится напрячь воображение. Представьте себе автомобиль, который едет по кругу по часовой стрелке. Его передние колёса будут рисовать окружности, и окружность правого колеса будет меньше, чем у левого. Если скорость движения у автомобиля будет постоянной, то колёса одной оси будут крутиться по разному, с разными скоростями. В этом случае внутреннее колесо будет пытаться догнать внешнее, что должно вызывать проскальзывание внешнего колеса, делая его поведение непредсказуемым и увеличивая износ резины до катастрофических масштабов. Подобную ситуацию вы можете видеть на многоосных телегах прицепов и грузовиков. Не поворачивающиеся колеса в повороте движутся с проскальзыванием
Движение колёс. Механика
Внутреннее колесо приносило проблемы своим проскальзыванием ещё до момента изобретения автомобилей в целом. Конные повозки и телеги страдали этим же, ну кроме износа шин. Соответственно, рулевое управление впервые появилось на телегах в 1817 году, благодаря Георгу Ланкшпергеру. Но , как обычно бывает в мире, всю славу получил Рудольф Аккерман, запатентовавший это в 1918 году, а принцип поворота управляющих колёс на разные углы знаком многим из вас, как принцип Аккермана.
Для обеспечения нужных углов поворота колёс, необходимо рассчитать геометрию рулевой трапеции по условной единой схеме. Поперечная рулевая тяга в этой схеме должна быть короче управляющей оси и смещена за неё. Рулевые рычаги лежат строго на линии между осью поворота колёс и центром задней оси. Тут проще будет просто посмотреть на схему, если написанное выше вызывает у вас панику.
Таким образом мы видим, что при повороте колёс они «уходят» на разные углы. Угол внутреннего колеса будет больше, а у наружного меньше. Центры окружностей у колёс совпадают, а по радиусу окружности наружного колеса мы определяем радиус разворота автомобиля с поправкой на ширину шин.
Так просто? А как же спорт?
Абсолютно правильный вопрос. Данные изображения очень упрощённые, а схема применима для гражданских автомобилей.
Автомобили, предназначенные для спорта обладают другим подходом к настройке данного угла. В некоторых соревнованиях угол может быть даже обратным, чтобы компенсировать боковой увод колеса в поворотах. Дрифтеры стараются делать колёса параллельными даже в поворотах. Дрифтеры пытаются экономить на шинах, ведь таким способом передние шины износятся меньше.
Но кроме этого, есть множество других технических частей автомобиля, которые могут влиять на вращение колёс на одной оси. Об этих узлах мы будем рассказывать постепенно, и в дальнейшем. Stay Tuned.
Читайте также: