Una bicicleta de dos masas y patines (TMS) es un modelo teórico creado por un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell , la Universidad de Wisconsin-Stout y la Universidad Tecnológica de Delft para demostrar que no es suficiente ni necesario que una bicicleta tenga efectos giroscópicos o un recorrido positivo para ser autoestable . [1] [2] [3] Los aspectos de dos masas y patines del modelo se eligieron para eliminar los parámetros de diseño de modo que los nueve que quedan, las ubicaciones de las masas y la geometría de la dirección, pudieran analizarse más fácilmente. [1] En lugar de tensores de inercia completos , la masa total de la bicicleta se reduce a solo dos masas puntuales , una unida al cuadro trasero y otra unida a la horquilla delantera . [1] En lugar de ruedas giratorias , los contactos con el suelo no holonómicos son proporcionados por patines de radio pequeño . [1]
La autoestabilidad de las bicicletas fue descrita ya en 1876. [1] Emmanuel Carvallo en 1897 y Francis Whipple en 1899 desarrollaron ecuaciones de movimiento para una bicicleta que demostraban esta autoestabilidad. [1]
En 1970, David Jones explicó en Physics Today cómo experimentó con una bicicleta tradicional para ver si cancelar el efecto giroscópico de la rueda delantera la haría imposible de manejar. Añadió una segunda rueda delantera que rotaba en sentido contrario y que no tocaba el suelo. Informó de que su bicicleta particular ya no se mantenía en pie sin un ciclista, pero que todavía podía manejarla fácilmente, e incluso podía manejarla apenas sin manos. [4] Ya no era autoestable, todavía era controlable, pero ya no era fácil de controlar. Jones también intentó aumentar el avance, invirtiendo la horquilla delantera, y descubrió que la autoestabilidad aumentaba drásticamente, pero que esto hacía que fuera más difícil de manejar: "era demasiado estable para ser dirigida". [4] Finalmente, hizo una bicicleta con avance negativo, añadiendo extensiones delanteras a los extremos de la horquilla, y descubrió que tenía una autoestabilidad insignificante y que era "de hecho muy peligrosa de manejar, aunque no tan imposible como [él] había esperado". [4] Al evaluar qué modificaciones hacían que una bicicleta fuera fácil de manejar, con las manos puestas y no, Jones concluyó que los efectos giroscópicos eran menos importantes que el recorrido para la estabilidad de la bicicleta.
La literatura científica y popular siguió informando que el avance positivo, también llamado avance de avance, [1] era necesario para la estabilidad, [5] [6] aunque no siempre se hacía una distinción clara entre autoestabilidad y controlabilidad . Los investigadores que desarrollaron la bicicleta de dos masas se centraron únicamente en la autoestabilidad, aunque sí mencionan que "la estabilidad controlada por el ciclista de las bicicletas está relacionada de hecho con su autoestabilidad". [1]
La existencia del TMS y la autoestabilidad que exhibe sugieren que el diseño de las bicicletas manejables es más amplio de lo que se pensaba anteriormente. [7] [8] [9] Por ejemplo, la dirección de la rueda trasera puede no ser tan imposible como se ha afirmado. [1] [10] En el caso de la bicicleta TMS, los autores explican que el centro de masa del conjunto delantero es más bajo que el centro de masa del cuadro trasero, por lo que cae más rápido en una inclinación; y está delante del eje de dirección, por lo que tiende a dirigir la parte delantera en la dirección de la inclinación. [1]
Concluyen:
Por regla general, hemos descubierto que casi cualquier bicicleta autoestable puede volverse inestable si se ajusta mal solo el eje, o solo el giroscopio de la rueda delantera, o solo la posición del centro de masa del conjunto delantero. Por el contrario, muchas bicicletas inestables pueden volverse estables si se ajusta adecuadamente cualquiera de estas tres variables de diseño, a veces de una manera inusual.
Se ha creado un ejemplo físico que se aproxima mucho al modelo TMS y muestra autoestabilidad sin efectos giroscópicos de las ruedas y sin un avance positivo. [1] Dado que las masas puntuales no existen en la naturaleza, el modelo solo puede aproximarse a ellas con piezas de material denso (plomo), montadas en un marco de materiales ligeros (fibra de carbono y aluminio). Para evitar que la bicicleta con solo dos masas, como se muestra en la imagen anterior, se incline hacia adelante, se ubica una tercera masa justo encima de la zona de contacto de la rueda trasera, donde no altera la dinámica. En lugar de patines, se utilizan ruedas de radio pequeño que impulsan ruedas contrarrotatorias casi idénticas para proporcionar el contacto con el suelo no holonómico con un efecto giroscópico mínimo. Este ejemplo físico imita de cerca la autoestabilidad del modelo teórico. [1]
Estos otros tres criterios pueden funcionar junto con el recorrido de la horquilla para aumentar la estabilidad, pero no son indispensables como lo es el recorrido de la horquilla.
el parámetro más importante que rige la estabilidad es el
avance
de la rueda delantera, como lo sugirió Jones