Warum rutschen Fahrräder beim Bremsen mit dem Vorderrad so gut wie nie aus?

Denn beim Bremsen verlagert sich Ihr Gewicht auf das Vorderrad. Die mit der Schwerkraft gekoppelte Trägheit verlagert dein Gewicht und das des Fahrrads auf das Vorderrad. Mehr Gewicht ⇒ mehr Druck ⇒ mehr Reibung/Grip mit dem Boden.

Zusätzlich zur Antwort von Alex Doe: Vorderraddrift tritt auf rutschigen Oberflächen auf. Leider ist ein Fahrrad in diesem Modus sehr instabil, sodass Sie sehr bald umfallen (während ein Hinterraddrift ziemlich stabil und kontrollierbar ist).

Warum driftet das Hinterrad leicht?

Berücksichtigen Sie das Drehmoment um den Kontakt des Vorderreifens mit dem Rahmen des Fahrrads.

• Die Pseudokraft auf den Fahrer und das Fahrrad ist in Vorwärtsrichtung

• Somit nimmt das Gewicht und damit die Normalkraft am Hinterreifen tendenziell ab.

• Dadurch wird die Reibungskraft kleiner und das Fahrrad neigt zum Abdriften.

Warum driftet das Vorderrad selten?

• Unter Berücksichtigung der Pseudokraft und der Rotationstendenz ist die Normalkraft am Vorderreifen viel größer (aufgrund der nach vorne gerichteten Pseudokraft auf den Schwerpunkt). Dadurch ist der Griff sehr fest.

es erklärt nicht wirklich, warum das Rad nie rutscht

Nun, das stimmt einfach nicht. Vorderräder können und rutschen. Normalerweise ist der Kontakt zwischen Vorderrad und Straße jedoch einfach zu gut, als dass das Rutschen einsetzt, bevor das Rad blockiert und Sie über die Stangen fahren.

Es ist eigentlich alles auf zwei Faktoren zurückzuführen:

• die Bremskraft, die Ihr Vorderrad ohne Schlupf auf die Straße übertragen kann

• der Winkel zwischen dem Schwerpunkt, dem Rad-Fahrbahn-Kontaktpunkt und der Fahrbahn

Letzterer Faktor ist nur eine Frage der Rahmengeometrie. Wenn Ihr Vorderrad zu blockieren droht, liegt die wirksame Kraft auf Ihren Schwerpunkt genau in diesem Winkel. Da die Schwerkraft fest ist und dieser Winkel fest ist, ist dies auch die Bremskraft, die in dieser Situation aufgebracht wird.

Beachten Sie, dass das gesamte Gewicht von Fahrrad und Fahrer auf dem Vorderrad lastet, wenn es kurz vor dem Blockieren steht, sodass auch die vertikale Kraft am Rad-Fahrbahn-Kontaktpunkt festgelegt ist.

Jetzt können wir zwei Kräfte vergleichen:

• Die maximale Bremskraft, die Ihr Radmaterial in seinem aktuellen Zustand auf die Straße übertragen kann, vorausgesetzt, das Rad wird mit dem gesamten Gewicht auf die Straße gedrückt.

• Die Bremskraft, die erforderlich ist, um Sie zum Kipppunkt zu bringen.

Wenn der erste größer ist, blockiert Ihr Vorderrad und Sie fahren über die Stangen. Wenn das spätere größer ist, beginnt Ihr Vorderrad zu rutschen.

Warum ist nun die erste Kraft bei fast allen Fahrrädern größer?

Nun, ein guter Reifen lässt ungefähr so ​​viel horizontale Kraft auf eine trockene Straße übertragen wie die vertikale Kraft, die aufgebracht wird, um ihn auf die Straße zu drücken. Dh der Winkel zwischen Schwerpunkt, Aufstandspunkt und Fahrbahn kann bis auf 45° sinken und das Vorderrad kann immer noch blockieren. Die meisten Fahrräder sind jedoch so gebaut, dass dieser Winkel deutlich größer als 45° ist.

Aufgrund der Geometrie der meisten Fahrräder braucht man also ziemlich rutschige Straßenverhältnisse, damit das Vorderrad rutschen kann. Je länger der Rahmen und je weiter hinten der Schwerpunkt hinter dem Vorderrad liegt, desto schwieriger wird es, das Vorderrad zu blockieren und über den Lenker zu fahren; bis zu dem Punkt, an dem das Überfahren der Stangen unmöglich wird.

Die kurze Antwort darauf lautet: „Weil der Schwerpunkt eines Fahrrads hoch oben liegt“, und zwar weit oben im Vergleich zu einem Auto, wo die Vorderräder oft durchrutschen können .

Um zu sehen, wie dies funktioniert, betrachten Sie ein stark vereinfachtes Modell eines Fahrrads: Nehmen Sie an, dass die Struktur des Fahrrads im Vergleich zu seinem Fahrer leicht ist, und stellen Sie seinen Fahrer als Punktmasse dar (siehe unten, warum dies funktioniert, auch wenn dies nicht der Fall ist). . Und wir werden uns für den Moment interessieren, in dem das Hinterrad abhebt, damit wir das Hinterrad komplett ignorieren und uns nur auf das Vorderrad konzentrieren können, und zwar auf den Punkt, an dem das Vorderrad die Straße berührt. Das System sieht also ungefähr so ​​aus:

Also, hier,$c$ist der Punkt, an dem der Vorderreifen die Straße berührt,$m$ist der Fahrer und die horizontalen und vertikalen Abstände dazwischen$c$und$m$sind$l$&$h$beziehungsweise. Und das Fahrrad bremst ab$a$. Dabei habe ich die Kräfte gezeichnet, die das Vorderrad auf die Straße ausübt$c$(Denken Sie daran, dass das Hinterrad nach Annahme nur anhebt, also ignoriert werden kann: Es übt keine Kräfte auf irgendetwas aus).

Nehmen wir zunächst einmal an, dass der Reibwert zwischen Vorderrad und Fahrbahn hoch genug ist, dass das Rad nicht rutscht, und berechnen wir den Punkt, an dem das Fahrrad gerade anfängt, über das Vorderrad zu kippen: Das sagt uns das maximal Mögliche Wert von$a$, wie klebrig das Vorderrad auch ist.

Es ist ziemlich einfach zu sehen, dass die Kraft an ist$m$hat zwei Komponenten: eine vertikale Komponente, die ist$-mg$, wo$g$Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft ist, und eine horizontale Komponente, die ist$ma$, wo$a$ist die Horizontalbeschleunigung. Und das Fahrrad wird stürzen, wenn dieser Vektor über das Vorderrad zeigt. Nun, nur indem Sie die entsprechenden Komponenten zeichnen, können Sie sehen, dass dies wann der Fall ist

oder mit anderen Worten, damit das Fahrrad nicht stürzt

oder

Sie können sich davon überzeugen: ein sehr hohes Fahrrad ($h \gg l$) fällt sehr leicht um und ein völlig flaches Fahrrad ($h \ll l$) wird fast nie fallen. Und ein Fahrrad mit sehr geringer Schwerkraft stürzt leichter als eines mit hoher Schwerkraft. (1) sagt uns also, wie groß$a$kann sein, egal wie klebrig das Vorderrad ist.

Betrachten Sie nun den Reibwert am Vorderrad. Der Reibungskoeffizient,$\mu$ist definiert als die Kraft, mit der das Rad versucht, entlang der Straße zu gleiten, und die Kraft, mit der es auf die Straße gedrückt wird, an dem Punkt, an dem das Rad gerade durchrutscht. Es ist also offensichtlich,

wo$a_\text{slip}$ist der Punkt, an dem das Rad rutscht. Mit anderen Worten

Und jetzt können wir (1) & (2) verwenden, um uns die gesuchte Antwort zu geben: Das Fahrrad wird fallen, bevor es driftet, wenn$a_\text{slip} \gt a_\text{max}$, mit anderen Worten, wenn

Und hier sieht man jetzt das Problem: Fahrräder sind eher kurz und eher hoch, also$l/h$tendenziell eher klein, was bedeutet, dass das Fahrrad bei einem niedrigeren kritischen Wert von über das Vorderrad stürzt$\mu$. Und moderne Reifen haben auf trockener Fahrbahn Werte von$\mu$was ziemlich nah sein kann$1$(Meiner Ansicht nach$0.8$zu$0.9$ist plausibel), während$l/h$ist in der Regel deutlich kleiner als$1$.

Aus diesem Grund stürzen Fahrräder, bevor sie abdriften.

Diese Annäherung kann auch verwendet werden, wenn das Fahrrad (oder ein anderes Fahrzeug) im Vergleich zum Fahrer nicht leicht ist: Sie müssen nur herausfinden, wo sich der Schwerpunkt des Fahrzeugs befindet, und diesen verwenden. Bei Fahrzeugen mit Federung (einige Fahrräder haben dies natürlich und sogar bei Fahrrädern, bei denen die Gabel beim Bremsen nicht einfedert) müssen Sie auch die Änderung der Geometrie beim Bremsen berücksichtigen.

Ich kann nicht sagen, warum, aber ich kann Ihnen sagen, dass es eine Eigenschaft von mehrrädrigen Fahrzeugen ist. Nehmen Sie ein Spielzeugauto und blockieren Sie die Hinterräder, damit sie sich nicht bewegen, und schieben Sie es auf eine glatte Oberfläche, und Sie werden sehen, dass die blockierten Hinterräder immer nach vorne wechseln. Aus diesem Grund ist eine "Bootleg-Kurve" möglich, indem die hintere Notbremse verwendet wird, um sie zu blockieren, und das Auto ändert die Richtung, ohne den ursprünglichen Vektor wesentlich zu ändern. Aus diesem Grund übernehmen die Vorderradbremsen eines Autos 90 % des Bremsvorgangs und die Bremsen am Vorderrad eines Motorrads können viel mehr dazu beitragen, die Kontrolle zu behalten als die Hinterradbremsen.

Das liegt daran, dass die Reibungskraft ungefähr proportional zu zwei Dingen ist:

• Der " Reibungskoeffizient " zwischen den beiden Oberflächen (dh wie klebrig sie sind)
• Das „Gewicht“ oder die Normalkraft (Senkrechtkraft) zwischen den beiden Flächen.

Letzteres bedeutet zum Beispiel, dass sich bei doppeltem Gewicht auf einem Schlitten auch die Reibung zwischen Schlitten und Boden mehr oder weniger verdoppelt.

Wenn Sie Ihr gesamtes (oder den größten Teil) Ihres Gewichts vom Hinterrad auf das Vorderrad eines Fahrrads verlagern, dann:

• Die Kraft aufgrund der Reibung am Vorderrad verdoppelt sich mehr oder weniger (dh Sie benötigen doppelt so viel seitliche oder rückwärts gerichtete Kraft, um es ins Schleudern zu bringen).
• Die Reibungskraft am Hinterrad geht gegen Null (d. h. es rutscht leichter, wenn es vom Boden abzuheben beginnt).

Im Vorderrad haben Sie eine viel stärkere vertikale Komponente, wenn Sie die Bremsen aufgrund des durch die Trägheit verursachten Schwungs verwenden. Bei der Verteilung von Kräften und Gewicht einer normalen Person neigt das Hinterrad dazu, sich anzuheben, was mehr Reibung hinzufügt. Ich bin das Vorderrad und Sie immer härter stoppen. Um zu driften, muss das Hinterrad träge sein, aber wenn Sie so anhalten, wird die gesamte Energie freigesetzt, die Sie stoppt und Ihr Hinterrad anhebt

Wenn Sie nur die Bremse des Hinterrads verwenden, neigt der durch die Trägheit verursachte Schwung dazu, das Hinterrad anzuheben, wie im obigen Fall. Dadurch ist die Reibung geringer, ich bin das Hinterrad und somit wird nicht plötzlich Energie freigesetzt, sodass Sie driften können.

Ich glaube, wenn Sie ein Rad mit schlechtem Grip im Vorderrad verwenden, sollten Sie in der Lage sein, zu driften

Ich denke, das liegt daran, dass Sie den Lenker in den besten Winkel drehen können, um Ihren Schwerpunkt in der Nähe des Körpers zu halten.

Das Hinterrad kann sich zwar nicht drehen, verliert also an Grip, weil der Schwerpunkt beim Driften außerhalb des Körpers liegt.