Imagine equilibrar um cabo de vassoura em uma mão – guiar uma bicicleta é equivalente aos movimentos de mão necessários para manter o cabo de vassoura equilibrado
Já fazem mais de 200 anos de pedalar e pedalar, e parece tão simples fazer isso. Porém, embora andar e equilibrar uma bicicleta possa parecer simples e sem esforço, o processo de controle real usado por um ciclista humano ainda é um mistério. Usando equações matemáticas, os pesquisadores explicaram como uma bicicleta sem ciclista pode se equilibrar e identificaram os recursos de design da bicicleta essenciais para que isso aconteça.
Porém, explicar isso não é tão simples assim. A estabilidade – ou seja, a capacidade de permanecer equilibrado – de uma bicicleta com um ciclista é difícil de quantificar e descrever matematicamente, especialmente porque a habilidade do ciclista pode variar muito. Stephen Cain, Pesquisador do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Michigan resolveu ir mais a fundo no assunto. “Meus colegas e eu trouxemos pilotos experientes e novatos ao laboratório para investigar se eles usam diferentes técnicas de balanceamento”, diz Stephen.
A física de ficar de pé em uma bicicleta
Boa parte do equilíbrio de uma bicicleta tem a ver com o controle do centro de massa do sistema ciclista. O centro de massa é o ponto em que toda a massa (pessoa mais bicicleta) pode ser considerada como concentrada. Durante a pedalada em linha reta, o piloto deve sempre manter esse centro de massa sobre as rodas, ou o que é chamado de base de suporte – um polígono imaginário que conecta os dois contatos do pneu com o solo.
Pode-se usar duas estratégias principais de equilíbrio: direção e movimento do corpo em relação à bicicleta. A direção é crítica para manter o equilíbrio e permite que a bicicleta se mova para trazer a base de suporte de volta ao centro de massa. Imagine equilibrar um cabo de vassoura em uma mão – guiar uma bicicleta é equivalente aos movimentos de mão necessários para manter o cabo de vassoura equilibrado. A orientação da direção pode ser fornecida pelo ciclista diretamente por meio do guidão (torque de direção) ou por meio da autoestabilidade da bicicleta, que surge porque a direção e o rolamento de uma bicicleta são acoplados; uma bicicleta inclinada para o lado (roll) causará uma mudança em seu ângulo de direção.
Já os movimentos do corpo em relação à bicicleta – como inclinar-se para a esquerda e para a direita – têm um efeito menor do que dirigir, mas permitem que o ciclista faça correções de equilíbrio mudando o centro de massa de um lado para o outro em relação à bicicleta e à base de apoio.
Guiar é absolutamente necessário para equilibrar uma bicicleta, enquanto os movimentos do corpo não são; não há uma combinação específica dos dois para garantir o equilíbrio. A estratégia básica para equilibrar uma bicicleta, conforme observado por Karl von Drais (inventor da Draisiana), é guiar para a queda indesejada.
Experimento utilizado no estudo de Stephen Cain
Novatos X profissionais
Embora os ciclistas tenham sido descritos por meio de equações matemáticas, as equações ainda não são úteis para entender as diferenças entre os ciclistas com diferentes níveis de habilidade ou para prever a estabilidade de um determinado ciclista em uma determinada bicicleta. “Portanto, o objetivo do meu trabalho recente e dos meus colegas era explorar os tipos de controle usados por pilotos novatos e experientes e identificar as diferenças entre os dois grupos. Em nosso estudo, ciclistas experientes se identificaram como ciclistas habilidosos, que participavam de passeios regulares de treinamento, pertenciam a um clube ou equipe de ciclismo, competiam várias vezes por ano e usavam patins para treinar em ambientes fechados. Os pilotos novatos sabiam andar de bicicleta, mas o faziam apenas ocasionalmente para recreação ou transporte e não se identificavam como especialistas, diz Stephen.”
“Conduzimos nossos experimentos em um laboratório de captura de movimento, onde os pilotos andavam em uma típica mountain bike sobre rolos. Os rolos restringem a bicicleta na direção frente-ré, mas permitem o movimento lateral livre (esquerda-direita). Eles exigem que o ciclista mantenha o equilíbrio pedalando, dirigindo e inclinando-se, como se estivesse ao ar livre. Montamos sensores e usamos um sistema de captura de movimento para medir o movimento da bicicleta (velocidade, ângulo de direção e taxa, ângulo de rolamento e taxa) e o torque de direção usado pelo ciclista. Uma plataforma de força por baixo dos rolos permitiu calcular a posição lateral do centro de massa em relação à base de apoio; que nos permitiu determinar como um piloto estava inclinado.”
“Assim, descobrimos que tanto os pilotos novatos quanto os experientes exibem desempenho de equilíbrio semelhante em velocidades lentas. Mas em velocidades mais altas, os pilotos experientes obtêm desempenho de equilíbrio superior, empregando movimentos corporais menores, mas mais eficazes, e menos direção. Independentemente da velocidade, os pilotos experientes usam comandos de direção menores e menos variáveis e menos variação de movimento corporal. Concluímos que os pilotos experientes são capazes de usar os movimentos corporais de forma mais eficaz do que os pilotos novatos, o que resulta na redução da demanda por grandes voltas corretivas e movimentos corporais”, relata Stephen.
Os mistérios que permanecem
Stephen continua: “apesar do nosso trabalho e de outras pessoas na área, ainda há muito a ser aprendido sobre como os humanos andam e equilibram bicicletas. A maioria das pesquisas, incluindo a nossa, tem se limitado a pedalar em linha reta, o que representa apenas uma fração de um passeio típico de bicicleta. Nosso trabalho revela diferenças mensuráveis entre pilotos de diferentes níveis de habilidade. Mas seu significado não é claro. As diferenças estão associadas a um maior risco de queda para os pilotos novatos? Ou as diferenças simplesmente refletem um estilo diferente de controle que é ajustado ao longo de horas e horas de passeios de treinamento?”
E conclui: “gostaríamos de identificar as medidas que quantificam o desempenho do equilíbrio, estratégia de controle e risco de queda de um piloto no mundo real. Com essas medições, poderíamos identificar ciclistas com alto risco de queda, explorar até que ponto o projeto da bicicleta pode reduzir o risco de queda e aumentar o desempenho do equilíbrio e desenvolver as equações matemáticas que descrevem ciclistas com diferentes níveis de habilidade.”
Baseado no artigo do portal news24.com, escrito por Stephen Cain, Pesquisador do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Michigan. O artigo original foi retirado do portal The Conversation (theconversation.com/us).
