సైకిల్ – సైన్స్

కె . శ్రీకృష్ణ సాయి

సైన్స్ పాఠం

మన జీవితంలో సైకిల్కు ఒక ప్రత్యేకమైన స్థానం ఉంది. చిన్నపిల్లలకు అది నేర్చుకోవాల్సిన మొదటి వాహనం. విద్యార్థులకు పాఠశాలకు వెళ్లే సాధనం. రైతులకు, కార్మికులకు, చిరువ్యాపారులకు ఉపయోగకరమైన వాహనం. ఆరోగ్యాన్ని కాపాడుకోవాలనుకునేవారికి వ్యాయామ పరికరం. పర్యావరణాన్ని ప్రేమించేవారికి కాలుష్యరహిత ప్రయాణ సాధనం. అయితే, మనకు ఎంతో పరిచయమైన ఈ సైకిల్ను ఒకసారి శాస్త్రీయ దృష్టితో పరిశీలిస్తే, దానిలో భౌతికశాస్త్రంలోని ఎన్నో అద్భుతమైన సూత్రాలు దాగి ఉన్నాయని తెలుస్తుంది.

మనం నడిపే సైకిల్ దాని చక్రాలు, పెడళ్లు, గొలుసు, గేర్లు, బ్రేకులు, హ్యాండిల్, సీటు—ప్రతి భాగం వెనుక ఒక శాస్త్రీయ కారణం ఉంది. ఈ వ్యాసంలో సైకిల్ చరిత్ర నుంచి దాని పని విధానం వరకు, సాధారణ అనుభవాల నుంచి ఆసక్తికరమైన భౌతిక సూత్రాల వరకు తెలుసుకొంటూ సైకిల్ పై ప్రయాణిద్దాం.

 1. సైకిల్ పరిణామం: చెక్క గుర్రం నుంచి ఆధునిక సైకిల్ వరకు..
ఈరోజు మనం చూస్తున్న సైకిల్ ఒక్కరోజులో తయారైనది కాదు. అనేక ఆవిష్కరణలు, ప్రయోగాలు, వైఫల్యాలు, మార్పుల ఫలితంగా అది రూపుదిద్దుకుంది.

1817లో జర్మనీకి చెందిన కార్ల్ వాన్ డ్రాయిస్ (Karl von Drais) అనే ఆవిష్కర్త రెండు చక్రాలపై నడిచే ఒక వాహనాన్ని రూపొందించాడు. దీనిని డ్రైసీన్ (Draisine) లేదా రన్నింగ్ మెషీన్ అని పిలిచేవారు. దీనికి పెడళ్లు ఉండేవి కావు. దానిపై కూర్చున్న వ్యక్తి తన కాళ్లతో నేలను వెనక్కి తోస్తూ ముందుకు కదిలేవాడు. ఇది ఆధునిక సైకిల్ అభివృద్ధిలో ఒక ముఖ్యమైన ప్రారంభ దశగా గుర్తించబడింది.

తర్వాత 19వ శతాబ్దం మధ్యకాలంలో పెడళ్లతో నడిచే నమూనాలు అభివృద్ధి చెందాయి. 1860లలో ఫ్రాన్స్లో పియరీ లాల్మాన్ (Pierre Lallement) వంటి ఆవిష్కర్తలు పెడల్తో నడిచే సైకిల్ అభివృద్ధిలో ముఖ్యమైన పాత్ర పోషించారు. ఆ కాలపు సైకిళ్లకు ఇనుము, చెక్క వంటి పదార్థాలతో తయారు చేసిన భాగాలు ఉండేవి. అవి బరువుగా ఉండటమే కాకుండా, అసమానమైన రోడ్లపై ప్రయాణించడం కష్టంగా ఉండేది.

తర్వాత పెద్ద ముందుచక్రం, చిన్న వెనుక చక్రం కలిగిన సైకిళ్లు ప్రాచుర్యంలోకి వచ్చాయి. వీటిని పెన్నీ-ఫార్థింగ్ (Penny-farthing) సైకిళ్లు అంటారు. ముందుచక్రం చాలా పెద్దదిగా ఉండటం వల్ల, ఒకసారి పెడల్ తిప్పితే సైకిల్ ఎక్కువ దూరం ప్రయాణించగలిగేది. అయితే, ఎత్తైన సీటు, ప్రమాదకరమైన పడిపోవడం, ఎక్కడం దిగడం వంటి సమస్యలు ఉండేవి.

1880లలో ఆధునిక సైకిల్కు దగ్గరగా ఉండే సేఫ్టీ సైకిల్ అభివృద్ధి చెందింది. దీనిలో దాదాపు సమాన పరిమాణం కలిగిన రెండు చక్రాలు, గొలుసు ద్వారా వెనుక చక్రానికి శక్తిని అందించే వ్యవస్థ ఉండేది. జాన్ కెంప్ స్టార్లీ (John Kemp Starley) రూపొందించిన రోవర్ సేఫ్టీ సైకిల్ ఈ పరిణామంలో ప్రసిద్ధి చెందింది. గాలి నింపిన రబ్బరు టైర్ల అభివృద్ధి కూడా సైకిల్ ప్రయాణాన్ని మరింత సౌకర్యవంతంగా మార్చింది. 1888లో జాన్ బాయ్డ్ డన్లప్ (John Boyd Dunlop) అభివృద్ధి చేసిన గాలి టైర్ సాంకేతికత ఈ విషయంలో ముఖ్యమైనది.

తరువాతి కాలంలో తేలికైన లోహాలు, అల్యూమినియం మిశ్రమాలు, కార్బన్ ఫైబర్, మెరుగైన బ్రేకులు, గేర్లు, షాక్ అబ్జార్బర్లు, విద్యుత్ సహాయక మోటార్లు వంటి సాంకేతికతలు సైకిల్ను మరింత సమర్థవంతంగా మార్చాయి.

2. సైకిల్లోని ప్రధాన భాగాలు: ప్రతి భాగం వెనుక ఒక శాస్త్రీయ కారణం:
సైకిల్ను ఒక సమగ్ర యంత్రంగా పరిగణించవచ్చు. దానిలోని ప్రతి భాగం ఒక నిర్దిష్ట పనిని చేస్తుంది. కొన్ని భాగాలు బలాన్ని ప్రసారం చేస్తాయి. మరికొన్ని దిశను మార్చడానికి ఉపయోగపడతాయి. ఇంకొన్ని వేగాన్ని నియంత్రిస్తాయి లేదా ప్రయాణికుడికి సౌకర్యాన్ని కలిగిస్తాయి.

చట్రం లేదా ఫ్రేమ్ (Frame): సైకిల్లోని ప్రధాన నిర్మాణం ఫ్రేమ్. ఇది చక్రాలు, సీటు, హ్యాండిల్, పెడల్స్ వంటి భాగాలను కలిపి ఉంచుతుంది. సాధారణంగా ఉక్కు లేదా అల్యూమినియం మిశ్రమాలతో తయారు చేస్తారు. కొన్ని అధిక పనితీరు కలిగిన సైకిళ్లలో కార్బన్ ఫైబర్ను ఉపయోగిస్తారు. ఫ్రేమ్ బలంగా ఉండాలి; అదే సమయంలో సాధ్యమైనంత తేలికగా కూడా ఉండాలి. ఎందుకంటే బరువు ఎక్కువైతే, ముఖ్యంగా ఎత్తైన ప్రాంతాల్లో సైకిల్ను ముందుకు నడిపేందుకు ఎక్కువ శ్రమ అవసరం కావచ్చు.

చక్రాలు (Wheels): సైకిల్ గమనానికి చక్రాలు అత్యంత ముఖ్యమైనవి. చక్రం తిరిగేటప్పుడు దాని కేంద్రం ముందుకు కదులుతుంది. టైరు, నేల మధ్య ఏర్పడే స్థిర ఘర్షణ సైకిల్ ముందుకు కదలడానికి సహకరిస్తుంది. చక్రాలపై ఉండే స్పోక్స్ (spokes) బరువును పంచుకోవడంలో, చక్రం ఆకారాన్ని నిలబెట్టడంలో సహాయపడతాయి.

టైర్లు (Tyres): టైర్లు సాధారణంగా రబ్బరుతో తయారు చేస్తారు. వాటిలో గాలి నింపడం వల్ల రోడ్డులోని చిన్న గుంటలు, ఎత్తుపల్లాల ప్రభావం కొంత తగ్గుతుంది. టైరు, నేల మధ్య తగిన ఘర్షణ ఏర్పడటానికి కూడా అవి సహకరిస్తాయి.

పెడళ్లు (Pedals), క్రాంక్ (Crank): సైకిల్ నడిపే వ్యక్తి తన కాళ్లతో పెడళ్లపై బలం ప్రయోగిస్తాడు. ఆ బలం క్రాంక్ ద్వారా భ్రమణ ప్రభావాన్ని కలిగిస్తుంది. భ్రమణ అక్షం నుంచి బలం పనిచేసే దూరాన్ని పెంచితే, ఒకే బలంతో ఎక్కువ టార్క్ పొందవచ్చు. అయితే క్రాంక్ పొడవు పెరగడం వల్ల పెడల్ను పూర్తి చక్రంలా తిప్పే కదలిక కూడా మారుతుంది.

గొలుసు (Chain): పెడల్స్తో అనుసంధానమైన ముందరి చైన్రింగ్ నుంచి గొలుసు ద్వారా వెనుక స్ప్రాకెట్కు శక్తి చేరుతుంది. గొలుసు వెనుక చక్రాన్ని తిప్పే వ్యవస్థలో భాగంగా పనిచేస్తుంది. గొలుసుకు సరైన లూబ్రికేషన్ లేకపోతే ఘర్షణ, శబ్దం, అరుగుదల పెరుగుతాయి.

గేర్లు (Gears): గేర్లు సైకిల్లో వేగం, టార్క్ మధ్య సంబంధాన్ని మార్చడానికి ఉపయోగపడతాయి. తక్కువ గేర్లో పెడల్ తిప్పడం సులభంగా ఉంటుంది; కానీ ప్రతి పెడల్ చక్రానికి సైకిల్ సాధారణంగా తక్కువ దూరం ప్రయాణిస్తుంది. ఎక్కువ గేర్లో ప్రతి పెడల్ చక్రానికి ఎక్కువ దూరం ప్రయాణించవచ్చు; అయితే అదే బలంతో పెడల్ తిప్పడం కష్టమవుతుంది. గేర్లు కొత్త శక్తిని సృష్టించవు; బలం, వేగం మధ్య అనుకూలమైన మార్పిడి కలిగిస్తాయి.

హ్యాండిల్ (Handlebar): హ్యాండిల్ ద్వారా ముందు చక్రం దిశను నియంత్రిస్తాం. మలుపు తిరిగేటప్పుడు సైకిల్ దిశను మార్చడంలో హ్యాండిల్తో పాటు శరీర వంపు, వేగం కూడా ముఖ్యమైనవి.

బ్రేకులు (Brakes): బ్రేకులు సైకిల్ వేగాన్ని తగ్గిస్తాయి. బ్రేక్ ప్యాడ్లు రిమ్ లేదా డిస్క్పై ఘర్షణ కలిగిస్తాయి. దీనివల్ల సైకిల్ గమనశక్తిలో కొంత భాగం ఉష్ణశక్తిగా మారుతుంది. బ్రేకులు సైకిల్ను ఆపడానికి మాత్రమే కాకుండా, ప్రమాదాన్ని నివారించడానికి వేగాన్ని నియంత్రించడానికీ ఉపయోగపడతాయి.

సీటు (Saddle): సీటు ప్రయాణికుడి బరువులో గణనీయమైన భాగాన్ని మోస్తుంది. సరైన ఎత్తులో సీటు ఉండటం వల్ల కాళ్లు సమర్థవంతంగా పెడల్ తొక్కగలవు.

బేరింగులు (Bearings): చక్రాలు, పెడల్ అక్షాలు వంటి భాగాలు సులభంగా తిరగడానికి బేరింగులు సహాయపడతాయి. ఇవి అనవసరమైన ఘర్షణను తగ్గిస్తాయి. బేరింగులు సరిగా పనిచేయకపోతే, సైకిల్ నడపడానికి ఎక్కువ శ్రమ అవసరం కావచ్చు.

3. పెడల్ తొక్కితే సైకిల్ ఎలా ముందుకు కదులుతుంది?
మనిషి కాళ్లలోని కండరాలు రసాయన శక్తిని ఉపయోగించి బలాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తాయి. మనం పెడల్పై కాలు ఉంచి కిందికి నొక్కినప్పుడు, ఆ బలం క్రాంక్పై పనిచేస్తుంది. క్రాంక్ తిరుగుతుంది. దానికి అనుసంధానమైన చైన్రింగ్ తిరుగుతూ గొలుసును కదిలిస్తుంది. గొలుసు వెనుక చక్రంలోని స్ప్రాకెట్ను తిప్పుతుంది. దాంతో వెనుక చక్రం తిరిగి సైకిల్ ముందుకు కదులుతుంది. ఈ ప్రక్రియలో అనేక శక్తి పరివర్తనలు జరుగుతాయి. ఆహారంలో నిల్వ ఉన్న రసాయన శక్తిని మన శరీరం కండరాల పనికి ఉపయోగిస్తుంది. కండరాలు పెడల్పై యాంత్రిక పని చేస్తాయి. ఆ పని గొలుసు, గేర్లు, చక్రాల ద్వారా ప్రసారం అవుతుంది. చివరకు సైకిల్ గమనశక్తి పెరుగుతుంది.

4. న్యూటన్ మూడవ గమన నియమం: చక్రం నేలను వెనక్కి తోస్తుంది!
సైకిల్ ముందుకు కదలడంలో న్యూటన్ మూడవ గమన నియమం కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది. ఈ నియమం ప్రకారం, ప్రతి చర్యకు సమాన పరిమాణంలో, వ్యతిరేక దిశలో ప్రతిచర్య ఉంటుంది. సైకిల్ వెనుక చక్రం తిరిగేటప్పుడు, టైరు రోడ్డుపై వెనుకవైపు బలాన్ని ప్రయోగిస్తుంది. దానికి ప్రతిచర్యగా రోడ్డు టైరు మీద ముందువైపు బలాన్ని ప్రయోగిస్తుంది. ఈ ముందువైపు బలం సైకిల్ను ముందుకు నడిపించడంలో సహాయపడుతుంది. ఒకవేళ రోడ్డుపై ఇసుక, బురద లేదా మంచు ఉండి టైరు జారిపోతే, తగిన స్థిర ఘర్షణ ఏర్పడకపోవచ్చు. అప్పుడు సైకిల్ను ముందుకు నడిపించే బలం తగ్గుతుంది.

5. సైకిల్ చక్రాలు ఎందుకు జారకుండా తిరుగుతాయి?
సైకిల్ సాధారణంగా రోడ్డుపై ముందుకు కదిలేటప్పుడు, టైరు నేలను తాకే బిందువు క్షణికంగా నేలతో పోలిస్తే జారకుండా ఉంటుంది. ఈ పరిస్థితిని రోలింగ్ వితౌట్ స్లిప్పింగ్ (rolling without slipping) అంటారు. టైరు, రోడ్డు మధ్య ఏర్పడే స్థిర ఘర్షణ చక్రం తిరిగే విధానానికి అవసరమైన బలాన్ని అందిస్తుంది.

6. జడత్వం: సైకిల్ ఒకసారి కదలడం ప్రారంభించిన తర్వాత ఎందుకు కొంతసేపు ముందుకు వెళుతుంది ?
న్యూటన్ మొదటి గమన నియమం ప్రకారం, ఒక వస్తువు విశ్రాంతిలో ఉంటే విశ్రాంతిలోనే ఉండటానికి, గమనంలో ఉంటే అదే వేగంతో సరళరేఖలో కదలడానికి మొగ్గు చూపుతుంది. దాని గమనస్థితిని మార్చడానికి బాహ్య బలం అవసరం. ఈ లక్షణాన్ని జడత్వం (Inertia) అంటారు.

సైకిల్ వేగంగా కదులుతున్నప్పుడు పెడల్ తొక్కడం ఆపితే, అది వెంటనే ఆగిపోదు. కొంతదూరం ముందుకు వెళుతుంది. ఎందుకంటే సైకిల్కు గమనశక్తి ఉంటుంది. దాని గమనాన్ని తగ్గించడానికి గాలి నిరోధం, టైర్లు మరియు బేరింగుల్లోని నిరోధం, ఇతర ఘర్షణలు పనిచేస్తాయి. చివరకు ఈ నిరోధక ప్రభావాల వల్ల సైకిల్ ఆగిపోతుంది.

7. సైకిల్ తొక్కడం ఆపితే మనం ఎందుకు పడిపోతాం?
సైకిల్ నడపడం నేర్చుకునే ప్రతి ఒక్కరికీ ఎదురయ్యే అనుభవం ఇదే. మొదట్లో సైకిల్పై కూర్చోగానే అది ఒకవైపు వాలుతుంది. మనం కాళ్లను నేలపై ఉంచి పడిపోకుండా చూసుకుంటాం. కానీ కొంతకాలం సాధన చేసిన తర్వాత, సైకిల్ను ముందుకు నడిపిస్తూ సమతుల్యతను కాపాడుకోవడం నేర్చుకుంటాం. దీనికి కారణం ఏమిటి?దీనికి ఒకే కారణం లేదు. సైకిల్ సమతుల్యత అనేది అనేక భౌతిక ప్రక్రియల కలయిక. వాటిలో ప్రధానమైనవి సైకిల్ దిశను సరిచేసుకునే సామర్థ్యం, చక్రాల గమన లక్షణాలు, గురుత్వాకర్షణ, మనిషి శరీర కదలికలు, వేగం మరియు హ్యాండిల్ నియంత్రణ.

8. కదులుతున్నప్పుడు సమతుల్యత ఎలా కాపాడబడుతుంది?
సైకిల్ ముందుకు కదులుతున్నప్పుడు, దాని చక్రాలు మరియు స్టీరింగ్ వ్యవస్థ దిశను సర్దుబాటు చేసుకునే అవకాశం కల్పిస్తాయి. సైకిల్ ఒకవైపు వాలడం ప్రారంభించినప్పుడు, హ్యాండిల్ను తగిన దిశలో స్వల్పంగా తిప్పడం ద్వారా చక్రాల నేలను తాకే స్థానం, సైకిల్ కదిలే దిశ మారుతాయి. దీనివల్ల సైకిల్ గురుత్వ కేంద్రాన్ని మళ్లీ చక్రాల మద్దతు ప్రాంతం మీదకు తీసుకురావడానికి సహాయపడే గమనం ఏర్పడుతుంది.

సైకిల్పై సమతుల్యతను కాపాడుకోవడానికి మనిషి మెదడు కూడా నిరంతరం పనిచేస్తుంది. కళ్ల ద్వారా పరిసరాలను గమనించడం, చెవి లోపలి భాగంలోని వెస్టిబ్యులర్ వ్యవస్థ ద్వారా తల స్థితిని గుర్తించడం, కండరాలు మరియు కీళ్ల నుంచి వచ్చే సమాచారాన్ని ఉపయోగించడం ద్వారా శరీరం చిన్న చిన్న దిద్దుబాట్లు చేస్తుంది. అందుకే సైకిల్ నేర్చుకునే మొదటి రోజుల్లో కష్టంగా అనిపించిన పని, సాధనతో సహజంగా మారుతుంది.

సైకిల్ చక్రాలు వేగంగా తిరిగినప్పుడు వాటిలో కోణీయ ద్రవ్యవేగం (Angular Momentum) ఉంటుంది. దీనికి సంబంధించిన జైరోస్కోపిక్ ప్రభావాలు సైకిల్ గమనంపై ప్రభావం చూపగలవు. అయితే చక్రాలు తిరగడం వల్ల మాత్రమే సైకిల్ సమతుల్యత సాధిస్తుందని చెప్పడం సరైనది కాదు. సైకిల్ ఫ్రేమ్ ఆకారం, ఫోర్క్ నిర్మాణం, స్టీరింగ్ జ్యామితి, చక్రాల గమన లక్షణాలు, రైడర్ చేసే దిద్దుబాట్లు – ఇవన్నీ సమతుల్యతలో పాత్ర పోషిస్తాయి. అంటే సైకిల్ సమతుల్యత అనేది ఒకే సూత్రంతో పూర్తిగా వివరించలేని సంక్లిష్టమైన గమన సమస్య.

9. సైకిల్ ఆగిపోయినప్పుడు ఎందుకు పడిపోతుంది?
సైకిల్ పూర్తిగా ఆగిపోయినప్పుడు దాని దిశను నిరంతరం సరిచేసుకునే అవకాశం తగ్గిపోతుంది. చక్రాలు తిరగడం వల్ల కలిగే కొన్ని గమన ప్రభావాలు కూడా తగ్గుతాయి. సైకిల్ స్వల్పంగా వాలితే, రైడర్ వెంటనే కాలు నేలపై ఉంచడం లేదా హ్యాండిల్ను తగిన విధంగా తిప్పడం ద్వారా సమతుల్యతను కాపాడుకోవాలి. ఆ చర్యలు లేకపోతే గురుత్వాకర్షణ వల్ల సైకిల్ మరింత వాలి పడిపోవచ్చు. చిన్నపిల్లలకు సైకిల్ నేర్పేటప్పుడు పెద్దలు వెనుక నుంచి పట్టుకుంటారు. పిల్లలు వేగాన్ని, హ్యాండిల్ను, శరీరాన్ని నియంత్రించడం నేర్చుకున్న తర్వాత మద్దతు అవసరం తగ్గుతుంది. ఇది సమతుల్యత సాధన ద్వారా అభివృద్ధి చెందుతుందని చూపిస్తుంది.

10. మలుపు తిరిగేటప్పుడు సైకిల్ను ఎందుకు వంచాలి?
ఒక సైకిల్ సరళరేఖలో వెళ్తున్నప్పుడు దాని గమన దిశను మార్చడానికి కేంద్రాభిముఖ బలం (Centripetal Force) అవసరం. ఈ బలం సైకిల్ను మలుపు కేంద్రం వైపు మళ్లిస్తుంది. సైకిల్, రైడర్ కలిసి మలుపు తిరిగేటప్పుడు అవసరమైన కేంద్రాభిముఖ బలాన్ని ప్రధానంగా టైరు-రోడ్డు మధ్య ఏర్పడే పార్శ్వ ఘర్షణ అందిస్తుంది. మలుపు తిరిగేటప్పుడు సైకిల్ను లోపలివైపు వంచకపోతే, గురుత్వాకర్షణ మరియు మలుపు కోసం అవసరమైన బలం మధ్య సమతుల్యత దెబ్బతింటుంది. అందువల్ల సైకిల్, రైడర్ కలిసి మలుపు కేంద్రం వైపు వాలుతారు.

ఈ సమీకరణం ఒక ఆసక్తికరమైన విషయాన్ని తెలియజేస్తుంది. ఒకే వ్యాసార్థం ఉన్న మలుపులో వేగం పెరిగితే, అవసరమైన వంపు కోణం కూడా పెరుగుతుంది. అదే వేగంతో తిరుగుతున్నప్పుడు మలుపు మరింత పదునుగా ఉంటే, ఎక్కువ వంపు అవసరమవుతుంది.

11. బ్రేకులు ఎలా పనిచేస్తాయి? గమనశక్తి ఎక్కడికి వెళుతుంది?
సైకిల్ వేగంగా కదులుతున్నప్పుడు దానికి గమనశక్తి (Kinetic Energy) ఉంటుంది. వస్తువు ద్రవ్యరాశి m, వేగం vఅయితే దాని గమనశక్తి:

ఈ సమీకరణం ప్రకారం, వేగం రెట్టింపు అయితే గమనశక్తి నాలుగు రెట్లు అవుతుంది. అంటే వేగం పెరగడం వల్ల సైకిల్ను ఆపడానికి అవసరమైన శక్తి గణనీయంగా పెరుగుతుంది.

బ్రేకులు వేసినప్పుడు బ్రేక్ ప్యాడ్లు రిమ్ లేదా డిస్క్పై ఒత్తిడి కలిగిస్తాయి. ఏర్పడే ఘర్షణ సైకిల్ భ్రమణాన్ని తగ్గిస్తుంది. గమనశక్తిలో ఎక్కువ భాగం ఉష్ణశక్తిగా మారుతుంది. అందుకే వరుసగా ఎక్కువసేపు బ్రేకులు వేస్తే కొన్ని బ్రేక్ వ్యవస్థలు వేడెక్కవచ్చు. బ్రేకులు వేయడం అంటే కేవలం చక్రాలను ఆపడం కాదు. సైకిల్, రైడర్ గమనాన్ని సురక్షితంగా తగ్గించడం. ముందరి బ్రేక్ సాధారణంగా ఆపే శక్తిలో ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తుంది; ఎందుకంటే బ్రేకింగ్ సమయంలో సైకిల్-రైడర్ వ్యవస్థపై బరువు ముందువైపుకు మారుతుంది. అయితే ముందరి బ్రేక్ను అకస్మాత్తుగా, అతిగా ఉపయోగిస్తే నియంత్రణ కోల్పోయే ప్రమాదం ఉంటుంది. అందువల్ల రెండు బ్రేకులను పరిస్థితికి తగిన విధంగా, క్రమంగా ఉపయోగించడం అవసరం.

12. చిన్న గేర్ ఎప్పుడు ఉపయోగపడుతుంది?
సైకిల్లో గేర్లు ఉండటానికి ప్రధాన కారణం మనిషి కాళ్ల బలం, పెడల్ వేగం, చక్రాల వేగం మధ్య సంబంధాన్ని అనుకూలంగా మార్చడం.

చిన్న గేర్లో ముందరి చైన్రింగ్ చిన్నదిగా లేదా వెనుక స్ప్రాకెట్ పెద్దదిగా ఉంటుంది. ఈ అమరికలో ఒక పెడల్ చక్రానికి వెనుక చక్రం తక్కువ సంఖ్యలో తిరుగుతుంది. దాంతో తక్కువ బలంతో పెడల్ తిప్పడం సులభమవుతుంది. ఎత్తైన కొండలు ఎక్కేటప్పుడు ఇది ఉపయోగపడుతుంది. పెద్ద గేర్లో ముందరి చైన్రింగ్ పెద్దదిగా లేదా వెనుక స్ప్రాకెట్ చిన్నదిగా ఉంటుంది. ఒక పెడల్ చక్రానికి వెనుక చక్రం ఎక్కువసార్లు తిరుగుతుంది. అందువల్ల వేగంగా ప్రయాణించడానికి ఇది అనుకూలంగా ఉంటుంది. అయితే అదే బలంతో పెడల్ తిప్పడం కష్టమవుతుంది. ఇక్కడ టార్క్ (Torque) అనే భావనను అర్థం చేసుకోవాలి. ఒక అక్షం చుట్టూ వస్తువును తిప్పే ప్రభావాన్ని టార్క్ అంటారు. పెడల్పై ప్రయోగించే బలం, క్రాంక్ పొడవు రెండూ టార్క్పై ప్రభావం చూపుతాయి. గేర్ల అమరిక ఈ టార్క్, భ్రమణ వేగం మధ్య సంబంధాన్ని మారుస్తుంది.

ఒక ఉదాహరణ తీసుకుందాం. మీరు సైకిల్పై ఎత్తైన వంతెన ఎక్కుతున్నారని అనుకోండి. ఎక్కువ గేర్లో పెడల్ తిప్పడం కష్టంగా అనిపించవచ్చు. గేర్ను తక్కువ స్థాయికి మార్చితే పెడల్ తిప్పడం సులభమవుతుంది. కానీ వేగం తగ్గవచ్చు. ఇది శక్తి సృష్టించడం కాదు; అందుబాటులో ఉన్న శక్తిని ఉపయోగించే విధానాన్ని మార్చడం.

13. కొండ ఎక్కేటప్పుడు సైకిల్ తొక్కడం ఎందుకు కష్టంగా ఉంటుంది?
సమతల రోడ్డుపై సైకిల్ తొక్కడం కంటే ఎత్తైన కొండపైకి సైకిల్ తొక్కడం ఎక్కువ శ్రమతో కూడుకున్న పని. దీనికి ప్రధాన కారణం గురుత్వాకర్షణకు వ్యతిరేకంగా పని చేయాల్సి రావడం.

భూమి గురుత్వాకర్షణ వల్ల ప్రతి వస్తువుపై కిందివైపు బలం పనిచేస్తుంది. ఒక వస్తువును ఎత్తుకు తీసుకెళ్లినప్పుడు దాని గురుత్వ స్థితిశక్తి (Gravitational Potential Energy) పెరుగుతుంది. సైకిల్తో పాటు ప్రయాణికుడి మొత్తం ద్రవ్యరాశి m, ఎత్తులో మార్పు h అయితే స్థితిశక్తిలో మార్పు:

14. దిగువకు వస్తున్నప్పుడు సైకిల్ ఎందుకు వేగం పెంచుకుంటుంది?
కొండపై నుంచి దిగేటప్పుడు గురుత్వ స్థితిశక్తి తగ్గుతుంది. దానిలో కొంత భాగం గమనశక్తిగా మారుతుంది. అందువల్ల సైకిల్ పెడల్ తొక్కకపోయినా వేగం పెరగవచ్చు. అయితే గాలి నిరోధం, రోలింగ్ నిరోధం, బ్రేకులు వంటి అంశాలు వేగాన్ని పరిమితం చేస్తాయి.

15. గాలి నిరోధం: వేగంగా సైకిల్ తొక్కడం ఎందుకు కష్టమవుతుంది?
సైకిల్ నడుపుతున్నప్పుడు మనకు ఎదురుగా గాలి వీస్తున్నట్లు అనిపించవచ్చు. వాస్తవానికి మనం ముందుకు కదులుతున్నప్పుడు, చుట్టూ ఉన్న గాలితో పోలిస్తే మన శరీరం, సైకిల్ కదులుతాయి. ఈ సాపేక్ష గమనం వల్ల గాలి నిరోధం (Air Resistance) ఏర్పడుతుంది. సాధారణ పరిస్థితుల్లో గాలి నిరోధ బలాన్ని సుమారుగా ఈ సమీకరణంతో సూచించవచ్చు:

ఈ సమీకరణం ఒక ముఖ్యమైన విషయాన్ని తెలియజేస్తుంది. ఇతర అంశాలు మారకుండా ఉంటే, వేగం పెరిగే కొద్దీ గాలి నిరోధ బలం సుమారుగా వేగం వర్గానికి అనులోమంగా పెరుగుతుంది. అందుకే అధిక వేగంతో సైకిల్ తొక్కేటప్పుడు గాలిని ఎదుర్కోవడానికి ఎక్కువ శక్తి అవసరం అవుతుంది. రోడ్ సైక్లింగ్లో ప్రయాణికులు కొన్నిసార్లు శరీరాన్ని ముందుకు వంచి సైకిల్ నడుపుతారు. ఈ భంగిమ వల్ల గాలికి ఎదురుగా ఉండే విస్తీర్ణం తగ్గుతుంది. ఫలితంగా గాలి నిరోధం తగ్గవచ్చు. అయితే గాలి నిరోధం మాత్రమే సైకిల్ వేగాన్ని నిర్ణయించదు. రోడ్డు వాలు, టైర్ల ఒత్తిడి, రైడర్ బలం, గేర్ల అమరిక, సైకిల్ బరువు, రోడ్డు ఉపరితలం వంటి అంశాలు కూడా ప్రభావితం చేస్తాయి.

16. టైర్లలో గాలి ఎందుకు నింపాలి?
సైకిల్ టైర్లలో గాలి నింపడం కేవలం టైరు గట్టిగా ఉండటానికే కాదు. అది ప్రయాణ సౌకర్యం, శక్తి వినియోగం, నియంత్రణ, భద్రతతో కూడా సంబంధం కలిగి ఉంటుంది.

గాలి నింపిన టైరు రోడ్డులోని చిన్న ఎత్తుపల్లాలను కొంతవరకు గ్రహిస్తుంది. దీనివల్ల రైడర్కు వచ్చే కుదుపులు తగ్గుతాయి. టైరు సరైన ఒత్తిడిలో ఉన్నప్పుడు రోలింగ్ నిరోధం కూడా అనుకూలంగా ఉండవచ్చు. అయితే టైరు ఒత్తిడి ఎంత ఉండాలనేది టైరు రకం, రైడర్ బరువు, రోడ్డు పరిస్థితి, తయారీదారు సూచనలపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

ఇక్కడ గాలి పీడనం (Air Pressure) అనే భావనను గుర్తుంచుకోవాలి. టైరు లోపలి గాలి టైరు గోడలపై పీడనం కలిగిస్తుంది. టైరు తన ఆకారాన్ని నిలుపుకోవడంలో ఈ పీడనం సహాయపడుతుంది.

17. స్పోక్స్, చక్రాల ఆకారం, వృత్తం వెనుక ఉన్న గణితం.
సైకిల్ చక్రం సాధారణంగా వృత్తాకారంలో ఉంటుంది. ఈ ఆకారం వెనుక గణితశాస్త్రంతో పాటు యాంత్రిక ప్రయోజనాలు కూడా ఉన్నాయి.

చక్రం తిరిగేటప్పుడు దాని కేంద్రం నేలపైకి పైకి కిందికి ఎక్కువగా కదలకుండా ముందుకు సాగుతుంది. ఒకే వ్యాసార్థం కలిగిన వృత్తాకార చక్రం సమతల రోడ్డుపై సజావుగా తిరగగలదు. ఒకవేళ చక్రం చతురస్రాకారంలో ఉంటే, ప్రతి మూలం నేలను తాకేటప్పుడు సైకిల్ ఎగిరినట్లు కుదుపులు వస్తాయి. ప్రయాణం చాలా అసౌకర్యంగా మారుతుంది.

వృత్తాకార చక్రం చుట్టుకొలత:

చక్రంలోని స్పోక్స్ కూడా ముఖ్యమైనవి. అవి చక్రం హబ్ను రిమ్తో అనుసంధానించి బరువును పంచుకుంటాయి. సరైన టెన్షన్తో అమర్చిన స్పోక్స్ చక్రం ఆకారాన్ని నిలబెట్టడానికి సహాయపడతాయి. ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ స్పోక్స్ దెబ్బతింటే చక్రం వంకరగా తిరగవచ్చు.

18. సైకిల్ ఎందుకు ఆరోగ్యానికి మంచిది?
సైకిల్ కేవలం భౌతికశాస్త్ర ప్రయోగ పరికరం మాత్రమే కాదు; ఆరోగ్యాన్ని మెరుగుపరచడంలో కూడా ఉపయోగపడే సాధనం. సైకిల్ తొక్కేటప్పుడు కాళ్లు, తొడలు, పిరుదుల కండరాలు పనిచేస్తాయి. గుండె, ఊపిరితిత్తులు శరీరానికి అవసరమైన ఆక్సిజన్ను అందించడానికి చురుకుగా పనిచేస్తాయి. నియమితంగా, వ్యక్తి సామర్థ్యానికి తగిన విధంగా సైకిల్ తొక్కడం శారీరక దృఢత్వాన్ని పెంపొందించడంలో, గుండె ఆరోగ్యాన్ని మెరుగుపరచడంలో, శక్తి వినియోగాన్ని పెంచడంలో సహాయపడుతుంది. సైకిల్ తొక్కేటప్పుడు కండరాలు సంకోచించి, విస్తరించి పనిచేస్తాయి. ఈ కదలికకు ATP అనే శక్తి మాధ్యమం అవసరం. శరీరం ఆహారంలోని పోషకాల నుంచి ATPను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. ఎక్కువసేపు సైకిల్ తొక్కేటప్పుడు శరీరానికి శక్తి, నీరు అవసరం అవుతాయి

19. సైకిల్ ఉపయోగించడం వల్ల పర్యావరణానికి ఎలా ప్రయోజనం కలుగుతుంది?
సాధారణ సైకిల్కు ఇంధనాన్ని దహనం చేసే ఇంజిన్ అవసరం లేదు. అందువల్ల ప్రయాణ సమయంలో నేరుగా ఎగ్జాస్ట్ వాయువులు విడుదల కావు. చిన్న దూరాల ప్రయాణాలకు సైకిల్ను ఉపయోగించడం వల్ల ఇంధన వినియోగం, వాహన రద్దీ, శబ్ద కాలుష్యాన్ని తగ్గించడంలో సహాయపడవచ్చు.

20. విద్యుత్ సైకిల్: సంప్రదాయ సైకిల్కు ఆధునిక రూపం.
సాంకేతిక అభివృద్ధితో సైకిల్కు విద్యుత్ మోటారు, బ్యాటరీ వంటి భాగాలు జోడించబడ్డాయి. వీటిని ఎలక్ట్రిక్ సైకిళ్లు లేదా ఇ-బైక్లు అంటారు. కొన్ని నమూనాల్లో పెడల్ తొక్కినప్పుడు మోటారు సహాయం అందిస్తుంది. మరికొన్ని నమూనాల్లో అదనపు నియంత్రణ వ్యవస్థలు కూడా ఉంటాయి.

కాబట్టి, మీరు కేవలం రెండు చక్రాలపై ముందుకు సాగడం లేదు; శతాబ్దాల ఆవిష్కరణలు, ప్రకృతి నియమాలు, మానవ మేధస్సు కలసి పనిచేస్తున్న ఒక అద్భుతమైన యంత్రం పై ప్రయాణం చేస్తున్నారు కదూ!