Beeinflusst die Masse eines Fahrrads direkt den Bremsweg?

Die Antwort ist etwas nuancierter als ein einfaches Ja oder Nein, aber für die meisten Radfahrer verlängert sich der Bremsweg mit der Masse. Lassen Sie mich erklären, wie:

Wir können den Arbeitsenergiesatz verwenden , um den Abstand aufzuschreiben$x$ein Objekt, das sich mit Geschwindigkeit fortbewegt$v$erfordert, wenn eine Kraft$F$gegenüber angewendet wird$v$:

Sie können also sehen, dass der Bremsweg im Allgemeinen proportional zur Masse ist. Bei Objekten, die Reibung (wie Autos und Fahrräder) zum Anhalten zwischen dem Objekt und dem Boden verwenden, ist die maximale Kraft, die Sie durch Reibung erhalten können, jedoch auch proportional zur Masse des Objekts:$F_{max} = \mu m g$wo$\mu$ist der Reibungskoeffizient und$g$ist die Erdbeschleunigung. Setzt man die maximale Kraft in den Anhalteweg ein, ergibt sich der minimale Anhalteweg:

$$x_{min} = \frac{v^2}{2\mu g} \tag{minimum distance}\label{x_min}$$

Dieser Mindestbremsweg ist massenunabhängig. Wenn Sie Ihre Bremsen betätigen, übt (normalerweise) ein Bremssattel eine Kraft auf das Rad aus. Diese Kraft hängt davon ab, wie stark Sie bremsen, von der Position des Bremssattels und von vielen anderen technischen Besonderheiten. Wovon es nicht abhängt, ist die Gesamtmasse des Objekts, also$m$wird nicht außerhalb des Anhaltewegs abgebrochen.

Zusammenfassung

1. Wenn alle anderen Dinge gleich sind (einschließlich wie stark Sie bremsen), ist der Bremsweg proportional zur Masse.
2. Es gibt einen minimal erreichbaren Bremsweg, der unabhängig von der Masse ist .

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Ein Beispiel könnte einige Verwirrung in den Kommentaren beseitigen. Stellen Sie sich zwei Radfahrer vor, „winziger Tim“ und „großer Bob“. Beide fahren identische Motorräder, aber Bob hat mehr Masse als Tim. Sie nähern sich einem Stoppschild und wollen mit der gleichen Anfangsgeschwindigkeit zum Stehen kommen: Da Bob mehr Masse hat, muss er härter bremsen als Tim, dh eine größere Kraft aufbringen, wenn er dort anhalten will Distanz. Bobs zusätzliches Gewicht erzeugt jedoch mehr verfügbare Reibung mit dem Boden, und daher ist seine maximal verfügbare Bremskraft größer als die von Tim.
Wenn beide im Minimum aufhören müssenAbstand, sollten sie eine Bremskraft aufbringen, die durch die Reibung zwischen dem Boden und den Rädern maximal zulässig ist. Darüber hinaus riskieren sie Radschlupf, der ihren Bremsweg verlängert. Daher ist Bobs minimaler Bremsweg derselbe wie der von Tim, weil seine maximal verfügbare Kraft proportional größer ist (zB wenn er doppelt so massiv ist, hat er die doppelte maximale Bremskraft, bevor seine Räder durchrutschen).

Das hängt davon ab, was der begrenzende Faktor im Anhalteweg vor dem Wechsel der Masse ist.

Wenn man sagen könnte, dass der begrenzende Faktor der Reibungskoeffizient zwischen Reifen und Straße ist (hartes Bremsen bis zum Rutschen), dann würde das bei erhöhter Masse relativ unverändert bleiben, und man hätte eine ähnliche Bremsleistung.

Aber ich vermute, dass mehr Fahrradstopps entweder durch die Bremswirkung oder die Technik begrenzt sind. Eine erhöhte Masse verschlechtert die Bremswirkung (ähnliche Bremskraft, aber erhöhte kinetische Energie, die abgebaut werden muss). Ich weiß nicht genug, um zu spekulieren, ob eine schlechte Technik durch ein schwereres Fahrrad unterstützt oder verschlimmert wird.

Die Kraft, die die Bremsen auf das Rad ausüben können, hängt nur von den Reibungseigenschaften der Bremse-Rad-Grenzfläche, der Kraft der Finger des Fahrers und dem mechanischen Vorteil ab, den das Bremssystem bietet. All das ist unabhängig von der Masse, die das Fahrrad trägt.

Sobald dies und nicht mehr die Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn zum limitierenden Faktor wird, erhöht sich durch das erhöhte Gewicht der Bremsweg. Um ein absurdes Beispiel zu nehmen: Wenn Sie mit tausend Tonnen Neutronensternen in Ihrem Rucksack herumradeln, wird Sie nichts, was Sie mit Ihren Bremsen tun, nennenswert verlangsamen.

Hier ist eine praktische Antwort. Wenn Sie Ihre Reifen zum Rutschen bringen können, hat die Masse keinen wirklichen Einfluss auf den Bremsweg. Dies ist eine andere Art zu sagen, dass der begrenzende Faktor die Reibung zwischen Straße und Reifen ist. Somit steigt die maximale Bremskraft proportional mit der Masse und gleicht die F=ma-Gleichung aus. Die meisten Menschen können ihre Reifen ins Rutschen bringen, wenn die Bremsen richtig eingestellt/gewartet/funktioniert werden. Sie müssen nur stärker drücken. Wenn Sie nicht sehr schwer sind und/oder relativ schwache Hände haben, können Sie wahrscheinlich Ihre Bremsen blockieren. Beachten Sie, dass Sie Ihre Bremsen eigentlich nicht blockieren möchten, da der Haftreibungskoeffizient normalerweise etwas höher ist als der Gleitreibungskoeffizient.

Ja, die Masse eines Fahrrads (einschließlich seines Fahrers) wirkt sich auf den Bremsweg aus, wenn die Luftgeschwindigkeit des Fahrrads erheblich ist. Insbesondere bei starkem Gegenwind kann mehr Masse den Bremsweg spürbar beeinträchtigen.

Schauen wir uns einige typische Werte für ältere Rennräder an:

• Masse Fahrrad plus Fahrer = 90 kg
• Beste Bremsverzögerung, auf trockenem, ebenem Untergrund = 0,55 g = 5,4 m/s²
• Rollwiderstand bei 20 km/h = 35 W (proportional zur Geschwindigkeit)
• Windwiderstand bei 12 mph Luftgeschwindigkeit = 35 W (proportional zur Kubikzahl der Luftgeschwindigkeit)
• 12 km/h = 5,45 m/s

Vergleichen wir ohne Gegenwind bei 20 km/h den Luftwiderstand (in W) mit der Bremsleistung (ebenfalls in W). In diesem Szenario ist der Luftwiderstand im Vergleich zur Bremsleistung vernachlässigbar:

• Windwiderstand = 35 W.
• Bremsleistung = 90 kg * 5,4 m/s² * 5,45 m/s = 2.650 W.

Ohne Gegenwind, bei 30 km/h, wiederholen wir den Vergleich. In diesem Szenario wird der Effekt der erhöhten Masse kaum messbar:

• Windwiderstand = 35 W * ((30 mph) / (12 mph))³ = 550 W
• Bremsleistung = 2.650 W * (30 mph) / (12 mph) = 6.620 W

Bei 18 mph Gegenwind, bei 12 mph:

• Windwiderstand = 35 W * ((30 mph) / (12 mph))³ = 550 W
• Bremsleistung = 90 kg * 5,4 m/s² * 5,45 m/s = 2.650 W.

Bei 18 mph Gegenwind, bei 30 mph:

• Windwiderstand = 35 W * ((48 mph) / (12 mph))³ = 2.240 W
• Bremsleistung = 2.650 W * (30 mph) / (12 mph) = 6.620 W

Bei einem Gegenwind von 18 mph ist also etwa 1/6 - 1/4 der Verzögerung das Ergebnis des Windwiderstands. Wenn Big Bobs Fahrrad/Fahrer-Kombination doppelt so massiv ist wie Tiny Tims Fahrrad/Fahrer-Kombination, würde ich erwarten, dass Tiny Tims Bremsweg ein paar Prozent kürzer ist als Big Bobs Bremsweg, wenn er solchen Gegenwinden ausgesetzt ist. (Es wäre einige Prozent kürzer, aber ich gehe davon aus, dass Big Bob eine größere Querschnittsfläche hat als Tiny Tim. Der größere Windwiderstand von Big Bob könnte etwa 3/5 - 2/3 des Vorteils von Tiny Tim aus seiner geringeren Masse ausgleichen.)

Weitere Informationen (und Quellen für die meisten „typischen Werte“) finden Sie unter Bicycling Science von Prof. David Gordon Wilson.

Hängt von 3 Dingen ab:

1. Wie stark können Sie bremsen (wie viel Reibung zwischen Bremse und Rad)?
2. Rutschen die Räder (wie viel Reibung zwischen Reifen und Boden)?
3. Geht der Fahrer über den Lenker?

Rutschen die Räder (wie viel Reibung zwischen Reifen und Boden)?

Unter der Annahme ausreichend starker Bremsen (und möglicherweise sind alle legalen Bremsen ausreichend stark, z. B. müssen die Bremsen in einigen Gerichtsbarkeiten stark genug sein, um das Hinterrad zu rutschen), scheint der 2. der oben genannten Punkte (dh die Reibung des Reifens auf dem Boden) häufig zu sein der limitierende Faktor sein. Dann ist der Abstand (theoretisch) unabhängig von der Masse - je schwerer das Fahrrad, desto größer die Reibung (gemäß dem ersten Gesetz von Amontons ), daher hebt sich die Masse auf, sodass der Mindestabstand unabhängig von der Masse ist - denn mit größerer Masse benötigen Sie mehr Bremskraft, aber entsprechend mehr Reibung.

Das erste Gesetz von Amontons ist nur eine Annäherung (aber vielleicht eine gute), die Sie vielleicht mit realen Experimenten (verschiedene Reifen, Gewichte, Straßenoberflächen) überprüfen möchten.

Geht der Fahrer über den Lenker?

Ich denke jedoch, dass das Vorderrad unter der Annahme guter Bremsen im Allgemeinen nicht rutscht (und das Hinterrad bei angezogener Hinterradbremse), da sich bei jeder Verzögerung das scheinbare Gewicht nach vorne vom Hinterrad auf das Vorderrad bewegt.

Und so wird das Fahrrad anhalten und der Fahrer nicht (der Fahrer wird also über den Lenker fahren); oder das Fahrrad schwimmt, wenn die Hinterradbremse betätigt wird (die Vorderradbremse stoppt, während die Hinterradbremse rutscht).

Daher kommt es (ausreichende Bremswirkung vorausgesetzt) ​​eigentlich auf die Position des Fahrers an: Der Fahrer sollte bei einer Vollbremsung tief und möglichst weit hinten sitzen – so dass sein Schwerpunkt möglichst weit hinter dem Vorderrad liegt.

Bild von Wie man auf einem Fahrrad bremst

Da nur wenige Fahrer jemals so hart bremsen, wie kommt es, dass sie immer noch über die Lenker gehen? Folgendes scheint den meisten Fahrern zu passieren, die über den Lenker gehen: Wenn sich die Fahrer nicht gegen den Lenker stützen, wird ihr Schwung sie nach vorne über den Lenker schieben, wenn das Fahrrad langsamer wird. (Stellen Sie sich vor, Sie wären ein Beifahrer in einem Auto ohne Sicherheitsgurt, während der Fahrer stark bremst.)

Um dies zu vermeiden, stützt sich Hahn auf dem Foto oben gegen den Lenker und sperrt seine Ellbogen. Er hat sein Gewicht so weit wie möglich nach hinten verlagert. Unter seinem Bauch sieht man seinen Fahrradsattel. Mit dieser Technik ging er nicht „über die Stangen“. Und wenn sich das Hinterrad Ihres Fahrrads abhebt, geschieht dies langsam genug, dass Sie dem entgegenwirken können, indem Sie den vorderen Bremshebel leicht lösen.

Wenn die Positionen der Fahrer gleich sind, könnte ein schwereres Fahrrad theoretisch besser anhalten (weniger leicht rutschen oder kippen), da dies den Schwerpunkt der Kombination aus Fahrer und Fahrrad senkt. In der Praxis bezweifle ich, ob dies ein großer / wichtiger Effekt ist, da ein Fahrer ein gutes Stück schwerer (und höher) ist als jedes Fahrrad.

Eine andere Art, wie Masse das Bremsen beeinflussen kann, besteht darin, dass Überbremsen (übermäßige Hitze) die Bremse durchbrennen kann - aber ich denke, das ist ungewöhnlich und tritt nur bei langen Abfahrten auf, z. B. bei alpinen Touren oder möglicherweise bei Lastenrädern oder Tandemfahrräder.

Wie stark kann man bremsen

Der oben zitierte Artikel sagt,

Sehr, sehr hart. Wir stellten fest, dass wir den vorderen Bremshebel mit aller Kraft ziehen mussten, um den kürzesten Bremsweg zu erreichen. Sehen Sie sich die prallen Muskeln des Testers an seinem rechten Arm an [...] Als wir anhielten, wehte der Geruch von verbrannten Bremsbelägen durch die Luft. Nach 21 Vollbremsungen hatte das Aheadset des Testbikes Spiel entwickelt [...]

Vielleicht ist das typisch für Straßen(renn)räder, die eher zum Gehen als zum Anhalten optimiert sind. Meine Erfahrung ist mit hydraulischen Scheibenbremsen (die häufiger als Felgenbremsen bei Lastenrädern, Tandems, Mountainbikes, Tourenrädern verwendet werden), die sich anfühlen, als könnten sie einen Lastwagen anhalten (oder zumindest das Vorderrad ohne großen Aufwand anhalten). erfordern daher ein wenig Vorsicht bei ihrer Verwendung).

Wenn wir ein Fahrrad anhalten, wandeln wir seine kinetische Energie (Energie aufgrund der Bewegung) aufgrund der Reibung der Bremsen in Wärme um. Jetzt ist die kinetische Energie von der Masse abhängig (1/2mv ^ 2). Eine Erhöhung der Masse erhöht also die kinetische Energie und damit die Der Bremsweg sollte sich ERHÖHEN, vorausgesetzt, es wird eine konstante Bremskraft ausgeübt, da die Menge an Energie, die zum Abbau benötigt wird, größer ist. Ziehen Sie eine intuitivere Erklärung in Betracht: Stellen Sie sich vor, dass die gleiche Kraft der Bremsen jetzt auf die Pedale eines Fahrrads mit mehr ausgeübt wird Masse, würde es länger dauern, die gleiche Geschwindigkeit zu erreichen wie die eines Fahrrads mit geringerer Masse. Ähnlich könnte man in Bezug auf die Verlangsamung schließen, Prost.

Sie haben eine großartige theoretische Antwort von CMS.

Die erforderliche Anschlagarbeit ist proportional zur Masse. Der Abstand zum Anschlag ist proportional zur Kraft.

Es gibt zwei Reibungskoeffizienten Reibungskoeffizient: statisch und kinetisch. Statik ist größer und tritt auf, wenn Sie nicht rutschen. Das maximale Bremsen besteht darin, genügend Druck auszuüben, um die Reifen kurz vor dem Schleudern zu bringen. Nicht unbedingt, dass die Bremsen genug Kraft aufbringen können, um den Reifen zum Schleudern zu bringen. Die meisten guten Fahrradbremsen können einen Reifen ins Rutschen bringen.

Reibung als$F_{max} = \mu m g$wo$\mu$ist der Reibungskoeffizient und$g$geht von einem idealen Gummi und einer Straße aus. In der Praxis verdoppelt sich die Bremskraft möglicherweise nicht vollständig, wenn Sie die Masse verdoppeln. Die Eigenschaften des Gummis können sich verschlechtern. Im normalen Fahrergewichtsbereich wie 120 lb - 200 lb ist ein Gummireifen nahezu ideal. Sie können dies nicht auf 2000 lbs erweitern, da der Reifen stark verformt wird und möglicherweise nicht einmal das Gewicht hält.

Der andere Faktor bei einem Fahrrad ist, den Vorderreifen auf maximale Reibung zu bringen, was normalerweise bedeuten würde, nach oben zu fahren. Wenn Sie das Gewicht niedrig hinzufügen, können Sie der maximalen Reibung am Vorderrad näher kommen.

Das Bremsen selbst erzeugt eine Kraft. Die Vorderreifen bekommen mehr Abwärtskraft und die Hinterreifen mehr. Wäre linear mit einem idealen Fahrrad. Ich denke, das maximale Bremsen wäre kein Gewicht auf der Rückseite (negativ wäre, nach oben zu gehen). Und dies müsste genau bei maximaler Reibung des Vorderreifens erfolgen.

Ich denke, die theoretische Antwort von CMS ist richtig, aber sie setzt ein ideales Fahrrad und einen idealen Gummi / eine ideale Straße voraus.

In der Praxis braucht ein schwererer Fahrer länger zum Anhalten.