Чтобы велосипедист мог проезжать по «чертову колесу» (или колесу обозрения), необходимо, чтобы на верхней точке колесо обеспечивало достаточную центростремительную силу, чтобы велосипедист не упал вниз.
Радиус колеса \( R \) равен половине диаметра. Таким образом:
\[ R = \frac{d}{2} = \frac{20 \, \text{см}}{2} = 10 \, \text{см} = 0.1 \, \text{м} \]
На верхней точке колеса, сила тяжести \( mg \), действующая на велосипедиста (где \( m \) — масса велосипедиста, \( g \) — ускорение свободного падения) должна равняться центростремительной силе, необходимой для поддержания его в круговом движении:
\[ mg = \frac{mv^2}{R} \]
где \( v \) — скорость велосипедиста на верхней точке. Упрощая уравнение, мы можем сократить массу \( m \):
\[ g = \frac{v^2}{R} \]
Отсюда выражаем скорость \( v \):
\[ v^2 = gR \]
Для достижения необходимой высоты, следует рассмотреть подъем на спине колеса, который должен равняться высоте самой конструкции.
Если велосипедист начинает движение с высоты \( h \) (где \( h \) — высота, с которой он двигается), и если вся потенциальная энергия преобразуется в кинетическую при спуске (без учета сопротивления), то:
\[ mgh = \frac{1}{2} mv^2 \]
Сокращая массу \( m \):
\[ gh = \frac{1}{2} v^2 \]
Подставим \( v^2 \) из предыдущего уравнения:
\[ gh = \frac{1}{2} gR \]
Сокращая \( g \) (при \( g \neq 0 \)):
\[ h = \frac{1}{2} R \]
Теперь подставим значение радиуса:
\[ h = \frac{1}{2} \cdot 0.1 \, \text{м} = 0.05 \, \text{м} = 5 \, \text{см} \]
Таким образом, минимальная высота, с которой должен начать движение велосипедист, должна составлять 5 см.