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/ NetNews Usenet Archive 1992 #27 / NN_1992_27.iso / spool / rec / motorcyc / 39945 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-11-20  |  10.5 KB

  1. Xref: sparky rec.motorcycles:39945 sci.physics:19326
  2. Path: sparky!uunet!noc.near.net!hri.com!snorkelwacker.mit.edu!stanford.edu!leland.Stanford.EDU!leland.stanford.edu!zowie
  3. From: zowie@daedalus.stanford.edu (Craig "Powderkeg" DeForest)
  4. Newsgroups: rec.motorcycles,sci.physics
  5. Subject: PHYSICS OF STEERING (long) (was Re: What would you ride on a long...)
  6. Message-ID: <ZOWIE.92Nov18210725@daedalus.stanford.edu>
  7. Date: 19 Nov 92 02:07:25 GMT
  8. References: <1992Nov17.214052.460@mksol.dseg.ti.com> <Bxw183.92L@news.iastate.edu>
  9.     <1992Nov18.020307.19538@tcsi.com> <BxxoMr.F6@news.iastate.edu>
  10. Sender: news@leland.Stanford.EDU (Mr News)
  11. Organization: Stanford Center for Space Science and Astrophysics
  12. Lines: 188
  13. In-Reply-To: tomes@iastate.edu's message of Wed, 18 Nov 1992 22:47:12 GMT
  14.  
  15.  
  16. It's about time a trained physicist posted something about this...
  17. Here's rec.moto Steering Argument #597.
  18.  
  19. In article <baz> tomes@iastate.edu () writes:
  20.    In article <bar> markk@tcs.com (Mark Kromer)writes:
  21.    >At turn in, the motorcycle rotates about the cg not the contact
  22.    >patches.  Re: countersteering.  Low polar moment in the transverse
  23.    >plane (and in the longitudinal plane but for different reasons) is the
  24.    >key, not low cg.  Keep the mass concentrated as close to the cg as
  25.    >possible.
  26.  
  27.    Ok, I used the wrong term (polar moment).  But show me how an object
  28.    can pivot about a point above the ground and still remain in contact with
  29.    the ground (assume point touching the ground is the point farthest away
  30.    from the CG in that immediate part of the object eg contact patch).
  31.    The instantaneous roll axis for a singletrack vehicle MUST be the
  32.    line between the two contact patches; otherwise the bike is off the ground
  33.    by definition.
  34.  
  35. Okay.  Basically, by moving the center of rotation downward.
  36.  
  37. The point (pun intended) here is that the cg moved (by gravity) downward by
  38. gravity, to maintain the tire's contact with the ground, during the roll
  39. manoeuver.  There's no contradiction here -- for example, (see a different
  40. thread) when you're driving in a straight line, your front wheel is rotating
  41. about a single axis, the center of the front axle.  But that axis (here's the
  42. whole point of owning the machine!) is _moving_ at the time.  Linear motion
  43. and rotation are related but separate.
  44.  
  45. Here's a cheesey ASCII diagram of a mcy doing a *stationary* right roll, as
  46. seen from a guy equipped with an ASCII camera, immediately behind it.  The
  47. mcy was just sitting there upright, and someone breathed on it and it started
  48. falling to the right.
  49.                                   Here, I've marked the cg with an asterisk
  50.            |                     (Little johnny started his bike/upon the
  51.              |          /                road to frisk./What a stupid guy he was,/
  52.              |      /              his little *)  The thing to notice here is
  53.               *     /               that the c.g. went *down* as well as moving
  54.             |    *   <--- c.g.    a bit (I've drawn a dotted line to the
  55.             |   /:                leaned position, caught in mid-fall).
  56.             |  / :
  57.             | /  :
  58.             |/      :
  59.  ======================ground
  60.  
  61. When a stationary motorcycle falls, the contact patch is, by definition,
  62. stationary -- it doesn't move.  Gravity pulls straight down on the c.g.
  63. of the bike, and the ground pushes straight up on the contact patch.
  64. The bike experiences a roll torque proportional to the horizontal distance
  65. between these two points -- so, if you could only balance the bike _perfectly_,
  66. it'd never fall.  But the mere flap of a butterfly's wing would blow it over.
  67.  
  68. When you ride, you (and, in anything that's not a total cafe racer, the
  69. designers of your slanted front forks) are steering the front wheel so as
  70. to keep the contact patches directly under your c.g., so you don't fall over.
  71. If you don't do this, you will fall over.  Try this on a bicycle (*NOT* a
  72. motorcycle): tie the handlebars in a straight-ahead configuration, with some
  73. twine.  Try to ride and balance the bike.  You can't -- the dynamics of the
  74. moving case are the same as the stationary case, if you don't turn the
  75. handlebars.
  76.  
  77. When you steer, you apply a horizontal force to the front contact patch, by
  78. steering the front wheel. This exerts a roll torque on the bike, since the
  79. bike's inertia opposes the applied force (action, reaction, y'know) from the
  80. c.g.  The bike feels a torque proportional to the force you exert by steering,
  81. times the vertical distance between the contact patch and the c.g.
  82. It rotates, not about the c.g. *or* the contact patch, but about the point
  83. half-way in between them.  Here's a diagram:
  84.  
  85.            |
  86.            |                             /
  87.            |        (contact        /
  88.            |        patch gets         /
  89.            *        steered to        /
  90.            |        the left)        *
  91.            |                    /:
  92.            X                   x :
  93.            |                      /: :
  94.            |                 / : :
  95.   =========+==========    =========+=========
  96.  
  97.      BEFORE STEERING        AFTER STEERING
  98.  
  99. Note that the center of rotation (c.r.), here marked with an X, has
  100. moved _down_ a bit, as has the c.g.  (I tried to make it look lower by
  101. making it lower-case, but it really should be 1/2 line lower...)
  102.  
  103. You had to steer the front wheel *left*, to make the bike lean *right*.
  104. Then, to keep from falling over, your trained reflexes, helped a lot by
  105. gyroscopic precession (see the next chapter :-) and the shape of your front
  106. fork, steer the front wheel to the *right*.
  107.  
  108. When you steer the front wheel to the right, you apply a rightward force to
  109. the contact patch, and the bike responds with a reaction force to the left,
  110. from the c.g.  The bike feels a roll torque to the left.  When you're holding
  111. a smooth right turn, the roll torque to the left from the tires exactly
  112. balances the roll torque to the right from gravity.  Here's yet another
  113. diagram:
  114.  
  115.  
  116.                        /
  117.                       /
  118.                            /
  119.        `centrifugal /
  120.         force' <-- *
  121.                   /
  122.                  / | Gravity
  123.               ^ /  V
  124.        Support|/
  125.        ========= --> steering force ======
  126.  
  127. The idea here is that the centrifugal force and gravity acting on you and your
  128. bike, add up to a force along the line from the c.g. to the contact patch,
  129. otherwise the bike would fall over.  The contact patch exerts (you hope!)
  130. whatever force on the road is necessary, to keep from sliding on the road.
  131. The upward part of the force you get for free; the sideways steering force is
  132. why you buy expensive tires with sticky, quick-wearing rubber.
  133.  
  134. This is why it never feels like you're turning, on a bike -- when you're in a
  135. cage, mountain roads throw you around; yawing the vehicle makes `local down'
  136. change towards the side of the vehicle.  When you're on a bike, you *have* to
  137. roll the vehicle so that local down points between the c.g. and the contact
  138. patch; otherwise, you'd fall over, like a bike with the handlebars tied
  139. straight.  You feel a force straight down the direction of your spine into the
  140. seat of your pants, rather than a sideways force that knocks you over.
  141.  
  142. Incidentally, you can ride a bicycle no-hands because you constitute most of
  143. the mass of the rider-vehicle combination.  Moving yourself around, causes the
  144. c.g. to move significantly, and the whole rolling process happens (with the
  145. gyroscopic force on the wheel, and the design of the forks, conspiring to keep
  146. you near equilibrium).  On a motorcycle, the vehicle outweighs you, so the
  147. effect of leaning sideways is minimal -- the c.g. only moves a little bit, and
  148. the bike doesn't turn (yaw) very much at all.  Those of you who are
  149. {adventurous | stupid} have already bought throttle clips and ridden your
  150. motorcycle no-hands on a straight, level road at some point.
  151.  
  152. More quotation:
  153.    (This is bad:  A student pushed much too hard when
  154.    countersteering in a class and threw the bike out from under
  155.    himself.  I saw the front wheel airborne for a fraction of a second while
  156.    the bike was busy pivoting about the CG, like you suggested.  I believe this
  157.    means that there is an upper limit on lean-in rate that is determined by
  158.    the acceleration due to gravity and the CG height above ground.  If one
  159.    increases lean angle too quickly, the bike rolls about the cg and not about
  160.    the contact patches.)
  161.  
  162. Good call -- what went on here is exactly that: the force of gravity couldn't
  163. accelerate the c.g. *down* fast enough to match the roll of the bike.  In a
  164. weightless environment, the c.r. (1/2 way between the contact patch and the
  165. c.g.) would be stationary during the roll; gravity (almost) always pulls the
  166. c.g. down fast enough to maintain the contact with the ground; when it
  167. doesn't, you can't very well roll out of the turn, can you?
  168.  
  169.    BTW, the same argument I used to defend [Honda Gold]Wings applies to polar 
  170.    moment also: since most of the engine/trans lies within a foot of the axis 
  171.    passing through the cg and parallel to the line between the contact 
  172.    patches, the bike handles better than you would think if all you 
  173.    considered was mass.
  174.  
  175. Yep -- bikes, and engines (most of the mass of the bike :-) that cluster
  176. around the c.g., make it easier to steer, than engines that spread out far
  177. above/below it.  Though I believe that, in most cases, steering geometry
  178. (wheel size, fork angle, offset between forks and axle, length of wheelbase)
  179. affects handling *much more* than does mass distribution in the bike.  The
  180. reason I think so is twofold: (a) unless you're screaming along around the
  181. twisties, you're not rolling the bike very much compared to the acceleration
  182. due to gravity -- you just don't lean very fast; and (b) *you* don't have
  183. to apply the force to turn the bike -- the tires do that for you.  Almost 
  184. any steering force you have to apply, was designed in by the engineers who
  185. drew the plans for your bike.  If they wanted effortless turns, they'd 
  186. place the contact patch closer to the (fork-line, ground) intersection;
  187. if they wanted a bike that liked to cruise in a straight line, they'd place
  188. it far behind that intersection.
  189.  
  190. BTW, in a very tight turn the top half of you (the rider) is significantly
  191. closer to the center of rotation of the yaw, than is the bottom of you.
  192. This means that `down' is tilted more, relative to the horizon, for your bike
  193. and your feet, than it is for your head, so you might notice your back swaying
  194. a little while your balance tells you your straight!  [Don't tell novice
  195. riders/passengers this though, or they'll use it to justify keeping their
  196. bodies oriented to the horizon :-(]
  197.  
  198. --
  199. Craig DeForest -- astrophysicist for hire.  
  200.  
  201. Beat Cal - Beat Cal - Beat Cal - Beat Cal - Beat Cal - Beat Cal - Beat Cal 
  202.                [sort-a mindless, eh? That's pac-10 for you.]
  203.