Wie absorbiert ein Fahrrad die ganze Energie bei der Landung aus einem großen Sturz?

Es gibt unzählige Videos, die BMX-/Freeride-/Downhill-Fahrer zeigen, die aus der Höhe springen und fallen. Für den unprofessionellen Zuschauer scheinen sie unmöglich zu überleben. Aus physikalischer Sicht erreicht das Fahrrad den Boden mit einer bestimmten kinetischen Energie, die von der Fallhöhe und der kombinierten Masse von Fahrer und Fahrrad abhängt. Wo wird all diese Energie abgeführt? Ich gehe davon aus, dass der größte Teil dieser Energie vom Fahrrad und ein Teil vom Fahrer absorbiert wird. Wie verteilt sich diese Energie auf die verschiedenen Komponenten des Fahrrads?

Antworten (3)

Physik!
Bei der Landung großer Sprünge geht es darum, die Trägheit zu zerstreuen, die die lästige alte Schwerkraft auf Ihrer Reise zurück zur Erde erzeugt hat. Je besser Sie diese Trägheit zerstreuen, desto größer ist die Chance, dass Sie sich nicht umbringen.
Hier spielen mehrere Faktoren eine Rolle:

  • Der Übergang der Landung.
    Die Landung ist fast immer nach unten geneigt. Kombinieren Sie den Vorwärtsschwung mit einem Gefälle und Sie landen deutlich weicher als auf ebenem Boden. Das ist einer der Hauptgründe, warum Fahrer verletzt werden, wenn sie einen Landeübergang überschreiten.
  • Suspension.
    Ein bisschen Federung reicht weit, und viel Federung geht noch weiter. Die Menge an Aufpralldämpfung, die selbst ein Zentimeter Nachgeben bietet, ist enorm. Denken Sie darüber nach, wie es sich anfühlt, rückwärts auf eine Matratze zu fallen oder rückwärts in hohes Gras oder Schnee zu fallen, wobei die Entfernung gleich ist. Das Nachgeben der weichen Oberflächen verringert Ihre Geschwindigkeit und zerstreut Ihre Trägheit, was Sie davon abhält, Ihren Kopf aufzuschlagen, wie Sie es auf Beton tun würden. Big-Hit-Bikes können einen Federweg von 8 oder 10 Zoll (oder mehr) haben. Das ist eine Menge Weg, um einen Aufprall zu zerstreuen. Sogar die Reifen bieten ein wenig Druck, was besonders für BMX-Fahrer wichtig ist (und das ist auch der Grund, warum starre Mountainbike-Fahrer dazu neigen, Reifen mit größerem Volumen zu fahren).
  • Richtige Landung (wie Sie Ihr Fahrrad und die Federung des Fahrrads nutzen)
    Beachten Sie, dass die meisten Fahrer zuerst mit dem Hinterrad nach unten landen, besonders bei flacheren Landungen, die bei Trials und Straßen-BMX üblich sind. Dies reduziert den Aufprall weiter, da der Fahrer in gewisser Weise das Nachgeben von Vorder- und Hinterrad nacheinander nutzen kann. Dies gilt sowohl für starre als auch für gefederte Fahrräder. Wenn Sie zuerst auf dem Hinterrad landen, können Sie das Fahrrad als eine Art Hebel verwenden - einen Teil des Aufpralls absorbieren und die Geschwindigkeit Ihres Körpers verringern, bevor das Vorderrad landet. Dies wird erreicht, wenn Ihr Gewicht richtig ausbalanciert ist, indem Sie sich gegen die Pedale und den Lenker abstützen. Bei einem Fahrrad mit Federung ist der Effekt sogar noch größer. Wenn das Hinterrad auftrifft, saugt der hintere Stoßdämpfer auf, was er kann, dann kommt das Vorderrad herunter und die Gabel saugt noch mehr auf. Vergleichen Sie dies mit einer völlig flachen Landung (beide Räder gleichzeitig), bei der das Fahrrad ungefähr nur so viel Federung bietet wie der durchschnittliche Federweg der Kombination aus vorderem und hinterem Stoßdämpfer oder bei einem starren Fahrrad nur so viel wie die Reifen würde geben (autsch!). Das Hinterrad zuerst zu landen bedeutet nicht, dass Sie den Federweg verdoppeln, aber es gibt dem Fahrrad auf jeden Fall mehr Zeit, um die Kraft der Landung abzubauen.
  • Knie und Ellbogen (noch mehr Federung)
    Wirklich, dazu gehören die meisten Ihrer Gelenke – jeder Teil des Körpers, der sich beugen und bewegen kann, um den Aufprall aufzufangen. Sie sehen keine Fahrer, die große Sprünge machen und sitzend landen. Das liegt daran, dass sie ihre Arme und Beine einsetzen, um so viel Aufprall wie möglich aufzunehmen, was das Fahrrad nicht könnte.

Wenn Sie all diese Elemente harmonisch kombinieren, haben Sie eine wirklich beträchtliche Menge an Bewegung, und obwohl es nur einen Bruchteil einer Sekunde dauert, um einen großen Sprung zu landen, ist es genug Zeit, um die Masse eines Fahrers zu verlangsamen und ihn am Werden zu hindern ein Fettfleck am Boden von The Tooney Drop .

Dies erklärt Drops im Mountainbike-Stil gut, und die Konzepte sind ähnlich, werden jedoch für BMX- und Trial-Drops etwas anders angewendet. Mit dem gleichen Stil der "richtigen Landung", aber übertrieben, lassen diese Motorräder erhebliche Entfernungen mit geringer Geschwindigkeit auf flache Landungen fallen.
Es versteht sich von selbst, dass Joint ein Teil großer Tropfen ist.
Alle sind hervorragende Punkte, aber einer wurde übersehen. Die Fahrradgeometrie spielt auch eine große Rolle und deshalb fahren wir immer noch den Fahrradstil, den wir heute fahren. Das Doppeldreieck von Fahrrädern wurde entwickelt, um Vibrationen / Stöße von der Straße zu absorbieren und vom Fahrer weg zu übertragen. Wenn Sie es ausarbeiten, wird die Aufprallkraft um die Dreiecke herum umgeleitet und konzentriert die Kräfte auf die Hauptrohrschweißnähte eher als Kompression als als Biegung. Die Stoßdämpfer/Knie/Ellbogen/Reifen und die extrem entspannte Geometrie von Big-Hit-Bikes ermöglichen viel mehr Kraft, bevor Sie einen katastrophalen Ausfall erreichen.
@Glenn hat bearbeitet, um besser zu erklären, wie diese Faktoren bei Trials und BMX-Bikes funktionieren.
@ChefFlambe Geometrie spielt eine große Rolle dabei, wie Fahrräder das tun können, was wir heute auf ihnen tun, aber ich habe sie ausgeschlossen, weil sie mehr damit zu tun hat, warum Sie bei der Landung nicht die Kontrolle über Ihr Fahrrad verlieren, als damit, warum Aufprall der Landung tötet dich nicht.
Apropos Geometrie: Alle Arten von Fahrrädern, die Drops nehmen, haben ein kürzeres Sitzrohr und halten ihre Sitze eher niedrig, um mehr Platz zum Beugen der Knie zu bieten. Dieses Setup ist für die entsprechenden Techniken unerlässlich und möglicherweise erwähnenswert.
Heutzutage machen die Leute beim BMX Big Drops to Flat und versuchen, beide Reifen gleichzeitig zu landen. Früher ging es darum, zuerst mit dem Hinterreifen zu landen, aber nicht mehr so ​​sehr, da alle ohne Bremsen sind und nicht aussteigen wollen. Nehmen Sie einfach alles in den Beinen und Armen (und Reifendruck) auf.
+1 Der Red Bull Amoklauf findet in Utah nicht nur wegen des Geländes statt, sondern auch, weil der weiche Boden am Boden der Drops effektiv einen zusätzlichen Zoll an Federweg bietet, wodurch viel größere Drops durchgeführt werden können.

Du hast KINETIC ENERGY erwähnt, die offensichtlich irgendwo hin müssen. Manchmal haben Sie Empfang und das Fahrrad kommt mit Geschwindigkeit, aber manchmal, wie beim Fahrradfahren, landet das Fahrrad "flach" auf glattem Beton. Manchmal landen Freerider auch mit hoher Geschwindigkeit auf flachem Beton, und zumindest die vertikale Komponente der kinetischen Energie des Tropfens verschwindet.

Ich würde sagen, es gibt nur drei Orte, an die diese Energie gehen kann:

  1. Das meiste davon wird durch die vom Fahrer erzeugten Verzögerungskräfte neutralisiert. Je mehr Technik und Stil, desto mehr Energie kann absorbiert werden. Normalerweise bedeutet dies, dass Streckmuskeln eine exzentrische Kontraktion ausführen (während sie gedehnt werden, wenden sie eine Kraft an, um die Gelenkbewegung zu verlangsamen / entgegenzuwirken). Dies impliziert den Energieverbrauch der Muskelzellen, der aus Nahrungskalorien stammt. Wenn der Drop hoch ist, ziehen es die meisten Trial-Fahrer vor, zuerst hinten zu landen, damit sie mehr Zeit haben, die gleiche Kraft auszuüben, und mehr Muskelgruppen, um während jedes Abschnitts der Landung zu agieren (das ist sehr schnell und hat mit gut zu tun erlernte Fähigkeiten).
  2. In einem Fahrrad mit Federung kann VIEL kinetische Energie in den Dämpfern aufgrund des viskosen Hochgeschwindigkeitsölflusses "verschwinden", was die Öltemperatur erhöht. Moderne Extrem-Freeride-Fahrwerke mit großem Federweg haben viel Öl im Inneren und arbeiten mit geringeren Strömungsgeschwindigkeiten (größere Bohrungen, größere Ventillöcher), damit das Öl keine zu hohen Temperaturen erreicht.
  3. Schließlich kann die Verformung der Grenzfläche zwischen Reifen und Gelände viel Energie absorbieren und die Spitzenverzögerung (Aufprall) einer Landung verringern. Gute Landungsbeispiele wären weicher Strandsand, Gras und einige Arten von Schlamm.

Es ist wichtig zu erwähnen, dass starre Elemente des Fahrrads (Rahmen, Laufräder) die kinetische Energie nicht aufnehmen, sondern nur Kräfte an eine andere Stelle übertragen. Um das zu ergänzen, was @jm2 gesagt hat, übertragen die Gelenke nur die Kräfte und nehmen (glücklicherweise) keine nennenswerte Energiemenge auf: Die kinetische Energie der Landung wird durch die durch das Gelenk wirkende Muskelkontraktion kompensiert.

Wie bereits von jm2 erwähnt, gibt es viele Gründe, warum Fahrer größere Tropfen nehmen können. Da Ihre Frage jedoch war, wie es verteilt wird ...

Schauen Sie sich zum Beispiel die Schwinge an ... ein vertikaler Aufprall des Fahrrads bewirkt, dass sich die hintere untere Strebe vom Drehpunkt an der Kurbel nach oben bewegt. Diese Bewegung (Kraft) wird auf die obere hintere Strebe umgeleitet und auf den Stoßdämpfer übertragen, der den größten Teil der Kraft absorbiert, bevor schließlich die letzte Menge in einem senkrechten Winkel zum Fahrer und nicht durch den Fahrer nach oben auf das Sitzrohr übertragen wird.

Deshalb wird nicht die volle Kraft direkt auf die Beine des Fahrers übertragen.

Die Geometrie ist es, die den Löwenanteil auf 10-Zoll-Stoßdämpfer aufteilt, die es dem Fahrer ermöglichen, 20 Fuß zu fallen, ohne zuerst das Fahrrad zu zerstören, und dann mit einer viel geringeren Menge an Energie, die er in seinen Beinen und Armen aufsaugen kann, zurückbleibt.