เคยถามตัวเองจริงๆ ไหมครับว่าเราปั่นจักรยานได้ยังไง? ทำไมเราถึงขึ้นไปคร่อมมันแล้วถีบผลักให้มันพาเราไปข้างหน้าได้โดยไม่ล้มคว่ำ? อะไรที่ทำให้เราทรงตัวอยู่ มันมีแรงกระทำอะไรบ้าง? วันนี้ “ใช้” นักเขียนหน้าใหม่ไฟแรงของเราจะพาไปตอบคำถามนี้กันในระดับฟิสิกส์พื้นฐาน กับคำถามที่ง่ายที่สุดแต่ตอบได้ยากที่สุดครับ
“ทำไมคุณถึงปั่นจักรยานได้?”
การปั่นจักรยานอาจจะดูเป็นเรื่องง่าย แต่เกือบร้อยทั้งร้อยของผู้ปั่นไม่รู้ตัวเลยด้วยซ้ำว่าพวกเขาทำได้อย่างไร
หากคุณต้องรับหน้าที่ในการสอนปั่นจักรยานหรือจักรยานยนต์ คุณอาจไม่สามารถอธิบายถึงวิธีการเอาชนะแรงโน้มถ่วงภายใต้อุปกรณ์สองล้อชนิดนี้ได้ เนื่องจากมันไม่สามารถทรงตัวในสภาวะปกติได้ด้วยตนเองหากไร้ซึ่งผู้ควบคุม แตกต่างกับยานพาหนะอื่นที่คุณสามารถควบคุมได้โดยไม่ต้องกังวลว่าจะล้มหรือคว่ำนั่นเอง ดังนั้นในบทความนี้จะนำคุณ Back to Basic ย้อนกลับไปถึงวันที่คุณปั่นจักรยานได้ครั้งแรก และตอบตัวเองได้ว่าคุณสามารถปั่นมันได้อย่างไร
องค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับการทรงตัวบนจักรยาน สามารถแบ่งออกได้เป็นสี่ส่วน ได้แก่ การทรงตัว, แรงปฏิกิริยาจากพื้นถนน, แรงเสียดทาน และแรงไจโรสโคปิค ซึ่งทั้งสี่ส่วนนี้จะมีบทบาทที่ส่งเสริมกัน และมีเอฟเฟคแตกต่างกันตามสภาวะของการปั่นจักรยาน องค์ประกอบแต่ละส่วนสามารถอธิบายได้ดังนี้
1. การทรงตัว (Balancing)
การทรงตัวของผู้ปั่นนั้นหมายถึงการเปลี่ยน “จุดศูนย์กลางมวล” ของระบบ (ผู้ปั่น+จักรยาน) ให้เอียงซ้ายหรือขวาตรงข้ามกับทิศทางที่กำลังจะล้ม ซึ่งส่วนนี้จะมีผลสำคัญที่สุดในสภาวะที่หยุดนิ่ง เพราะมันแทบเป็นไปไม่ได้เลยที่ผู้ปั่นจะนิ่งพอให้จุดศูนย์กลางมวลอยู่ในแนวตรงดิ่งได้ตลอดเวลา
ดังนั้นเพื่อรักษาสมดุลดังกล่าวนักปั่นอาจจะต้องขยับตัวเล็กๆ น้อยๆ ไม่ว่าจะเป็นการกางแขนกางขา, ปั่นไปข้างหน้าหรือหลังสลับกัน หรือแม้แต่การกระโดดตลอดเวลา ซึ่งต้องอาศัยทักษะของนักปั่นเอง
2. แรงปฏิกิริยาจากพื้นถนน (Ground Reaction Force)
เป็นแรงปฏิกิริยาแนวดิ่งขนาดเท่ากับน้ำหนักผู้ปั่น+จักรยาน (หน่วยนิวตัน)
โดยทั่วไปแล้วการเคลื่อนที่จักรยานนั้นไม่ใช่การวิ่งไปข้างหน้าเป็นเส้นตรง แต่จะเป็นอนุกรมของส่วนโค้งเล็กๆ ซึ่งแรงปฏิกิริยาจากพื้นถนนจะเป็นแรงที่ผลักเราให้กลับสู่สมดุล
สิ่งสำคัญที่ขาดไม่ได้เลยสำหรับการควบคุมแรงปฏิกิริยาคือล้อหน้าที่สามารถหมุนซ้ายขวาได้ (Steer)
เช่นหากเรากำลังจะล้มไปทางซ้ายเราจะพยายามหักแฮนด์ไปทางซ้ายเพื่อพลิกให้ตัวเรากลับมาตั้งตรงได้อีกครั้งหนึ่ง
แรงปฏิกิริยาจากพื้นถนนนี้เป็นแรงที่มีบทบาทสำคัญที่สุดในเกือบทุกสภาวะ สังเกตได้ว่าที่ความเร็วต่ำๆ หรือหยุดนิ่ง การหักแฮนด์จะช่วยทำให้ทรงตัวง่ายขึ้น
3. แรงเสียดทาน (Friction Force)
เอฟเฟคของแรงเสียดทานนั้นจะมีส่วนสำคัญสำหรับการเข้าโค้ง
ในขณะที่ตัวเราเข้าโค้งจะเกิดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (Centrifugal Force) ถ้าไม่มีแรงเสียดทานแนวราบด้านตรงข้ามมากระทำ ตัวเราจะหลุดออกจากโค้งได้
แรงเสียดทานนี้จะเป็นแรงเดียวที่ขึ้นกับสภาพแวดล้อม เช่นถนนเปียกจะมีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่น้อยกว่าถนนแห้ง ดังนั้นแรงเสียดทานก็จะน้อยกว่าเช่นกัน
4. แรงไจโรสโคปิค (Gyroscopic Force)
เป็นแรงที่เกิดจากวัตถุที่มีการหมุน นั่นคือเกิดขึ้นที่ล้อจักรยานทั้งหน้าและหลัง (หากนึกภาพแรงนี้ไม่ออกให้ลองถอดล้อมาลองหมุนและเอียงซ้ายขวาเล็กน้อยจะพบแรงมาต้านที่มือ)
แรงตัวสุดท้ายนี้จะเข้ามามีบทบาทมากขึ้นตามความเร็วในการหมุนของล้อที่มากขึ้น ซึ่งยิ่งความเร็วในการหมุนสูงขึ้น แรงนี้จะเพิ่มมากขึ้น และช่วยให้วัตถุทรงตัวสร้างสมดุลได้ง่ายขึ้น
สังเกตได้ว่ายิ่งปั่นจักรยานความเร็วสูงรถจะนิ่งกว่าที่ความเร็วต่ำนั่นเอง หรือถ้าความเร็วในการหมุนสูงมากๆ จะทำให้จักรยานสามารถตั้งตรงอยู่นิ่งๆ ได้โดยที่ไม่ล้ม (แต่ความเป็นจริงไม่มีใครสามารถปั่นได้เร็วในระดับนั้น)
สรุปสภาวะที่แรงต่างๆ จะมีผลได้ดังนี้
- หยุดนิ่ง: ทุกอย่างขึ้นกับการทรงตัวเท่านั้น
- ความเร็วต่ำ: แรงปฏิกิริยาจากพื้นถนน > การทรงตัว
- เข้าโค้ง: แรงเสียดทาน > แรงปฏิกิริยาจากพื้นถนน > การทรงตัว
- ความเร็วสูง: แรงปฏิกิริยาจากพื้นถนน > การทรงตัว > แรงไจโรสโคปิค
จนถึงตอนนี้การปั่นจักรยานที่ดูเป็นเรื่องง่ายก็ไม่ได้ง่ายอีกต่อไปใช่มั้ยครับ :)
และเป็นยานพาหนะที่ต้องใช้สัญชาตญาณเรียนรู้มากที่สุด
ถึงแม้ว่าจักรยานสองล้อถูกคิดค้นขึ้นมาเมื่อหลายร้อยปีที่แล้วแต่จวบจนปัจจุบันยังไม่มีหุ่นยนต์ใดที่สามารถปั่นจักรยานได้อย่างสมบูรณ์แบบ ตรงข้ามกับรถยนต์ที่สามารถขับด้วยตนเองได้แล้ว
บางทีเสน่ห์ของจักรยานส่วนนึงอาจเกิดจากสัญชาตญาณของการเอาชนะแรงโน้มถ่วงของมนุษย์ก็เป็นได้
* * *
