Was sorgt dafür, dass ein Fahrrad beim Fahren aufrecht bleibt?

Diese Frage war kürzlich Gegenstand eines langen Artikels in der Zeitschrift New Scientist. Zusammenfassen:

"Warum lenkt dieses Fahrrad zur richtigen Zeit die richtigen Mengen, um die Selbststabilität zu gewährleisten?" fragt das Papier. "Wir haben keine einfache physikalische Erklärung gefunden."

http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html

Dieser Artikel zitiert auch die Studie, die Sie nicht ganz einordnen konnten – es wurde wissenschaftlich bewiesen, dass Kreiselkräfte, von denen so lange angenommen wurde, dass sie das A und O der Fahrradstabilität sind, nicht die Folgen haben, die allgemein angenommen werden.

Das aufrechte Aufrechterhalten auf einer Rolle wird in dem Artikel nicht behandelt, es wird jedoch erörtert, was passiert, wenn Sie ein Fahrrad mit niemandem darauf die Straße hinunter schicken - anscheinend haben die vom Fahrer vorgenommenen Gewichts- und Lenkungseinstellungen nichts zu tun damit machen.

Ich glaube nicht, dass der Artikel des New Scientist das letzte Wort zu diesem Thema ist. Es ist jedoch neu (ein paar Wochen alt) und ist eine gute Einführung in das Mysterium. Genießen!

Die Fahrradgeometrie bietet ein gewisses Maß an Selbststabilität. Der Winkel und die Neigung der Gabel erzeugen eine Situation, in der der Vorderreifen dazu neigt, sich in eine Schräglage zu drehen, und korrigieren so eine Neigung, auf eine Seite zu fallen.

Der Kreiseleffekt der Räder an sich ist wahrscheinlich nicht so stark, aber der Kreiseleffekt beim Lenken arbeitet mit dem Winkel / Neigungswinkel der Gabel, um den Reifen in Richtung des "Falls" zu drehen und für noch mehr Selbststabilisierung zu sorgen.

Theoretisch unterscheiden sich Rollen nicht von der Straße – der Vorderreifen dreht sich in Richtung der Neigung, entweder bis die Kante der Rollen einen Crash verursacht oder sich das Fahrrad stabilisiert.

Fahrräder sind aufgrund ihrer Geometrie formstabil. Die Geometrie bewirkt, dass sich das Fahrrad immer in die Richtung dreht, in die es sich neigt, was es aufrecht hält. Der Grund lässt sich am besten durch ein Konzept veranschaulichen, das als Gegenlenkung bekannt ist.

Beim Gegenlenken drehen sich alle zweirädrigen Fahrzeuge. Wenn Sie nach links abbiegen möchten, drehen Sie den Lenker etwas nach rechts. Die Reibung der Räder zieht die Unterseite des Fahrrads nach rechts, was eine Neigung nach links auslöst. Die Lenker beginnen dann, nach links zu schwingen, um durch die Kurve zu fahren.

Wenn es Zeit ist, die Kurve zu stoppen, drehen Sie den Lenker etwas mehr nach links. Dadurch wird die Unterseite des Fahrrads weiter nach links gezogen, was die Unterseite des Fahrrads direkt unter den Schwerpunkt bringt und so die Kurve stoppt.

Bei vielen Motorrädern und bei niedrigen Geschwindigkeiten kann der Gegenlenkeffekt von vielen Fahrern unbemerkt bleiben. Bei hohen Geschwindigkeiten oder bei schwereren Fahrzeugen wie Motorrädern ist sie jedoch bedeutsamer.

Wie funktioniert das also, wenn es keinen Reiter gibt? Es liegt an dem Rechen in der Gabel und der dadurch verursachten Schiene. Wenn Sie eine imaginäre Linie durch die Achse Ihrer Gabel zum Boden ziehen, wird sie den Boden vor der Stelle berühren, an der das Rad den Boden berührt.

Da das Rad den Boden hinter der Lenkachse berührt, spürt das Rad immer eine Kraft von der Straße, die versucht, es in die Mitte zu bringen und geradeaus zu zeigen. Wenn das Fahrrad auf eine Seite gekippt wird, beginnen die Kräfte, das Rad zu der Seite zu drücken, auf der das Fahrrad gekippt ist.

All diese Kräfte summieren sich also. Der Rechen in der Gabel lässt das Fahrrad geradeaus fahren. Und wenn es in die eine oder andere Richtung eine Unebenheit spürt, neigt die Gegenlenkung dazu, das Fahrrad in die andere Richtung zu bringen. Dann beginnt der Gabelrechen, das Vorderrad weiter wegzuschieben, was dann das Fahrrad aufgrund des Gegenlenkens gerade richtet.

Es ist, als würdest du einen Besen auf deiner Hand balancieren, du lenkst, um die Räder unter dir zu bewegen. Fahrradhersteller helfen, indem sie die Lenkgeometrie so gestalten, dass das Fahrrad von selbst aufrecht bleibt, wenn Sie nicht daran herumspielen.

Die Kreiselkräfte helfen, sind aber nicht wesentlich.

Dazu gibt es neuere Untersuchungen: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

Früher dachte man, dass die rotierenden Räder des Fahrrads durch Kreiseleffekte für Stabilität sorgen; und dass der "Nachlauf" (der Abstand, um den der Aufstandspunkt des Vorderrads hinter der Lenkachse nachläuft, eine wichtige Rolle spielt).

Jedoch:

Eine neue Studie in Science behauptet, das Problem gelöst zu haben – Kreiseleffekte und Nachlaufhilfe, sagt Forscher Dr. Arend Schwab von der 3mE-Fakultät der TU Delft, sind aber ab einer bestimmten Geschwindigkeit nicht mehr notwendig. In einem Artikel der Proceedings of the Royal Society aus dem Jahr 2007 (doi:10.1098/rspa.2007.1857) wurde damals ein mathematisches Modell mit etwa 25 physikalischen Parametern entwickelt, das anscheinend vorhersagte, ob und bei welchen Geschwindigkeiten ein bestimmtes Fahrraddesign verwendet werden würde stabil.

Die Autoren entwarfen und konstruierten ein Zwei-Massen-Skate-Fahrrad mit kleinen und gegenläufigen Rädern, was bedeutet, dass es keinen nennenswerten Kreiseleffekt und eine kleine negative Spur gibt (mit anderen Worten, wo sich der Kontaktpunkt des Vorderrads befindet). knapp vor der Lenkachse). Dennoch blieb das Fahrrad beim Bewegen stabil.

Dieses 7-minütige Video gibt eine Erklärung der Fahrradstabilität und diskutiert Kreisel-, Nachlauf- und Lenkeffekte. Insbesondere zeigt es Beispiele von (fahrerlosen) Fahrrädern, die selbst dann ausbalancieren können, wenn eine oder mehrere der Stabilitätsquellen aufgehoben werden. Daher gibt es mehrere Konstruktionsmerkmale, die Stabilität ermöglichen – einschließlich des Fahrers.

Derzeit gibt es drei Hauptfaktoren, von denen angenommen wird, dass sie die Fahrradstabilität beeinflussen:

1. Betrag des Vorderradnachlaufs (d. h. Laufraddesign)
2. Massenverteilung vor der Vorderradlenkachse
3. Gyroskopische Präzession

In einem modernen Fahrrad arbeiten alle drei zusammen, damit ein Fahrrad automatisch in einen Sturz lenken kann und dadurch ein selbststabilisierendes Verhalten zeigt. Dieses automatische Lenkverhalten würde es einem Fahrrad ermöglichen, stabil auf Rollen zu stehen oder sich über den Boden zu bewegen.

Da Stabilität durch das Gleichgewicht mehrerer Faktoren erreicht wird, kann zu viel von einem Faktor ein Design instabil machen (z. B. durch Überkorrektur). Außerdem haben nicht alle Faktoren den gleichen Einfluss. Einige Faktoren allein können ausreichen, um ein Fahrrad in Abwesenheit der anderen Faktoren (z. B. Massenverteilung vor der Lenkachse ) allein stabil zu machen.

Das Vorhandensein mehrerer Faktoren bedeutet auch, dass unterschiedliche Stalldesigns unterschiedliche Mengen jedes Faktors verwenden können. Beispielsweise verwendeten Randonneur-Fahrräder in den 1940er Jahren viel weniger Nachlauf , fügten jedoch Masse vor der Lenkachse hinzu (dh Fronttaschen , die Ausrüstung tragen), um ein stabiles Fahrrad zu schaffen.

MinutePhysics hat ein gutes kurzes Video , das die Auswirkungen dieser Effekte aufschlüsselt. Ich glaube, dass bei den stabilsten Designs die gyroskopische Prozession (3) die schwächste Wirkung haben wird.

Unterstützt durch die Eigenschaften der Selbststabilität, wie oben erwähnt, bleibt der Hauptgrund, warum ein Fahrrad während der Fahrt aufrecht bleibt, darin, dass Sie aktiv balancieren, indem Sie die Kontaktpunkte des Fahrrads unter Ihrem Schwerpunkt halten. Während Sie fahren, machen Sie subtile Drehbewegungen, um das Fahrrad unter sich zu halten – wenn das Fahrrad nach links fällt, biegen Sie nach links ab, wodurch sich das Vorderrad bewegt und das Fahrrad wieder unter Ihnen platziert wird. Auf Rollen können Sie dies sehen, wenn sich das Fahrrad über die Rolle hin und her bewegt - und wenn es das nicht kann, stürzen Sie um.

Sie können dies nach dem Erlernen des Fahrens so unbewusst tun, dass es eine ziemliche Herausforderung ist, ein Fahrrad mit umgekehrter Lenkung zu fahren.

Die grundlegende Antwort, ohne zu sehr in die Physik einzusteigen, ist der Drehimpuls . Grundsätzlich übt ein sich drehendes Objekt (Ihre Räder) eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung aus, wenn Sie versuchen, sie zu "kippen". Um dies zu Hause auszuprobieren, nehmen Sie Ihr Vorderrad ab. Halten Sie die Achse mit beiden Händen fest und drehen Sie das Rad. Versuchen Sie nun, das Rad zu kippen. Beachten Sie, wie sich das Rad zurückzieht. Versuchen Sie dasselbe mit dem Rad, das sich nicht dreht, und beobachten Sie, wie es sich nicht zurückzieht. Je schneller sich das Rad dreht, desto stärker zieht es zurück. Ich bin mir nicht sicher, ob die Beziehung linear ist oder nicht. Werfen Sie hier einen Blick auf einen grundlegenderen Blick auf den Drehimpuls . Es zeigt ein Video, das eine Demonstration mit einem Fahrradreifen durchführt.

So einfach sollte es sein:

• Aktion = Reaktion. Wenn das Fahrrad aufrecht steht, bleibt es aufrecht, es sei denn, es wirken seitliche Kräfte. Dies gilt auch dann, wenn sich das Fahrrad nicht bewegt.
• Wenn es eine Kraft gibt, die das Gleichgewicht stört, muss es eine gleiche Gegenkraft geben, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
• Wenn sich das Fahrrad bewegt, übersetzt die Lenkung einen Teil des Vorwärtsimpulses in seitliche Kraft, sodass die Lenkung zum Ausbalancieren des Fahrrads verwendet werden kann.
• Auf einer Rolle kann sich das Fahrrad seitlich bewegen, um das Gleichgewicht zu halten.
• Das Bewegen des Fahrergewichts sollte keine seitliche Kraft erzeugen, da der Fahrer das Fahrrad mit der gleichen Kraft in die andere Richtung schieben muss, um sich auf eine Seite zu bewegen. Jeglicher Erfolg damit ist auf Ineffizienzen im System zurückzuführen.

Dann gibt es den Kreiseleffekt der Räder, der die Menge und Richtung der auf das System wirkenden Kräfte ändern kann.