จักรยานกับสมดุลต่อการหมุน

จักรยานเป็นพาหนะประเภทหนึ่งที่ต้องออกแรงปั่นเพื่อการขับเคลื่อน ในการทดลองเกี่ยวกับล้อจักรยานกับสมดุลต่อการหมุน เมื่อยังไม่ปั่นล้อจักรยาน ล้อจักรยานจะวางตัวในแนวนอน ดังรูป 1

แต่เมื่อปั่นให้หมุน เหตุใดจึงตั้งได้ในแนวดิ่ง ดังรูป 2 และ 3

การทดลองนี้สามารถอธิบายได้ด้วยหลักการเดียวกันกับที่เราขี่จักรยานนั่งคร่อมบนอานจักรยานแล้วเอาขาขึ้นทั้งสองข้าง จักรยานจะล้ม แต่เมื่อปั่นออกไปกลับตั้งในแนวดิ่งได้ ซึ่งหลักการของฟิสิกส์ กล่าวว่า การที่วัตถุสามารถตั้งได้โดยไม่ล้ม เกิดจากสภาวะสมดุลต่อการหมุน และสภาวะสมดุลต่อการหมุนก็เกิดได้เมื่อแนวแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุผ่านศูนย์ถ่วงของวัตถุ แต่หากแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุออกนอกศูนย์ถ่วง วัตถุก็จะล้ม

ในขณะที่ล้อหยุดหมุนมีแรงลัพธ์กระทำต่อล้ออยู่ชุดหนึ่งและยากแก่การบังคับให้แรงนั้นผ่านศูนย์ถ่วงล้อได้จึงล้มง่าย แต่เมื่อปั่นล้อให้หมุนแล้วจับเชือกที่ผูกกับแกนกลางของล้อหรือดุมล้อแล้วปล่อย ล้อจะตั้งตรงในแนวดิ่งแล้วควงไปรอบ ๆ เส้นเชือกได้ เนื่องจากเมื่อจับขอบล้อและออกแรงหมุนรอบแกนกลาง จะทำให้เกิดทอร์กหรือแรงบิด ในขณะที่แรงกระทำเมื่อล้อหมุนทำให้เกิดโมเมนตัมเชิงมุม มีทิศทางอยู่ในระนาบระดับตั้งฉากกับระนาบของล้อตั้งอยู่ในแนวดิ่ง ทำให้ล้อทรงตัวในแนวดิ่งได้ การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมเชิงมุม ไม่ว่าจะขนาดหรือทิศทางก็ต้องอาศัยทอร์กลัพธ์มากพอจึงจะเปลี่ยนขนาดหรือทิศทางได้ เมื่อล้อหมุนในแนวดิ่งแล้วจับเชือกในแนวดิ่งจะมีทอร์กจากน้ำหนักของล้อ และทอร์กลัพธ์ คือ อัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมเชิงมุม มีผลทำให้ล้อควงไปรอบ ๆ ดังรูป 4

อย่างไรก็ตาม เมื่อผ่านไปช่วงหนึ่งล้อจะเอียง เนื่องจากแรงเสียดทานของระบบล้อและแรงต้านอากาศกระทำต่อล้อจักรยาน ทำให้อัตราเร็วของล้อจักรยานลดลง มีผลทำให้โมเมนตัมเชิงมุมลดลงเช่นกัน ทำให้ล้อเข้าสู่ระบบเหมือนหยุดนิ่ง

แล้วทำไมเมื่อขี่จักรยานแล้วเข้าโค้งต้องเอียงทั้งรถทั้งคนจากแนวดิ่งเข้าจุดศูนย์กลางของโค้ง สาเหตุก็คือ ขณะเข้าโค้ง จักรยานและตัวเราเป็นวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่เป็นวงกลม ต้องมีแรงภายนอกแสดงบทบาทเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง เราต้องเอียงเพื่อทำให้เกิดแรงเสียดทานจากด้านข้างล้อภายนอกพุ่งเข้าสู่จุดศูนย์กลาง เพื่อต้านการไถลออกของล้อรถ แรงเสียดทานนี้จะทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลาง ดังนั้น สำหรับล้อและพื้นถนนคู่หนึ่ง ๆ จะวิ่งเลี้ยวโค้งให้ปลอดภัยได้ด้วยความเร็วสูงสุดที่ควบคุมโดยแรงเสียดทานนี้

ภาพปก : Pixabay