Was bewirkt, dass sich das Heck eines Fahrrads anhebt, wenn die Vorderradbremse betätigt wird?

Durch das Betätigen der Bremsen hört das Rad auf, sich in Bezug auf den Rahmen des Fahrrads zu drehen, aber nicht in Bezug auf die Straße. Der Schwerpunkt des Fahrrads (insbesondere wenn ein Fahrer gegen den Lenker drückt) liegt höher als die Nabe des Vorderrads.

Wenn die Bremsen betätigt werden, hat diese Masse einen Impuls zur Vorderseite des Fahrrads, der eine Kraft auf das Vorderrad ausübt, um sich zur Vorderseite des Fahrrads zu drehen. Da sich das Rad auf der Straße noch drehen kann, tut es das, aber da Rad und Fahrrad miteinander verriegelt sind, dreht sich das Fahrrad mit dem Vorderrad.

Der Schwerpunkt des Fahrrads + Fahrers will sich weiter vorwärts bewegen (Newtons erstes Gesetz)

Da der Schwerpunkt des Fahrrads höher liegt, dreht sich das Fahrrad beim Vorwärtsfahren um den Punkt, an dem das Vorderrad auf der Straße haftet.

Stellen Sie sich vor, Sie befestigen eine Schnur in der Mitte des Holzblocks und ziehen ihn nach vorne, während das Vorderrad am Boden bleibt.

Es gibt eine vereinfachte "Cheat"-Methode, um darüber nachzudenken.

Der harte Weg besteht darin, ein Freikörperbild des Fahrrads zu zeichnen, in dem alle auf es einwirkenden Kräfte verdeutlicht sind: die durch seinen Massenschwerpunkt wirkende Schwerkraft, die Reibungskraft beim Bremsen und so weiter.

Die Cheat-Methode besteht darin, das Fahrrad in einem beschleunigenden Bezugsrahmen zu visualisieren und dann so zu tun, als wäre die Beschleunigung nur eine Form der Schwerkraft. Nach der Newtonschen Physik ist die Beschleunigung nicht von der Schwerkraft zu unterscheiden.

Wenn Sie zum Beispiel in einem Zug stehen, der beschleunigt, dann kippen Sie einfach nach vorne, als ob Sie an einem Hang stehen würden. Es fühlt sich genau so an, als ob die Schwerkraft zugenommen und sich schräg gestellt hätte.

Der Grund, warum das Hinterrad abhebt, ist, dass Sie, da Sie abbremsen, einen steilen Abhang hinunterfahren (auf einem Planeten, auf dem die Schwerkraft etwas größer ist als die der Erde, aber das ist irrelevant). Wenn Sie an einer bergab gerichteten Steigung stehen, wird Ihr Fahrrad nach vorne geneigt, sodass sein Schwerpunkt so verschoben wird, dass er mehr über dem Vorderrad als über dem Hinterrad liegt.

Wenn die Neigung ausreichend ausgeprägt ist, verschiebt sich Ihr Schwerpunkt vor das Vorderrad, und an diesem Punkt hebt das Hinterrad ab.

Während diese Kraft immer noch durch die Stützbasis wirkt, hebt sich das Hinterrad nicht ab. Allerdings stellt sich auch die Frage, wie viel Unterstützung vom Hinterrad im Vergleich zum Vorderrad kommt. Noch bevor das Hinterrad abhebt, findet eine „Gewichtsverlagerung“ auf das Vorderrad statt. Fahrrad und Fahrer werden mehr vom Vorderrad als vom Hinterrad getragen, da die imaginäre Kraft, die durch den Massenmittelpunkt wirkt, die imaginäre Stützbasis näher am Vorderrad als am Hinterrad schneidet. Diese Gewichtsverteilung nach vorne schränkt die Bremswirkung am Hinterrad ein, da die Bremsen nur soweit wirken können, wie das Rad Reibung auf der Fahrbahn aufbauen kann. Außerdem bedeutet es, dass Sie mit der Hinterradbremse niemals so stark bremsen können, dass das Fahrrad kippt. Sobald es kurz vor dem Kippen steht,

Wenn wir den Luftwiderstand außer Acht lassen, gibt es drei Punkte, an denen äußere Kräfte auf den kombinierten Fahrrad-Fahrer-Körper einwirken: Die Kontaktpunkte von Vorder- und Hinterrad mit der Straße und der kombinierte Schwerpunkt. Wenn diese Kräfte ein Drehmoment ungleich Null erzeugen, hebt das Hinterrad beim Bremsen ab (oder das Vorderrad hebt beim starken Beschleunigen ab).

Wenn Sie das System mit einem Holzblock mit Rädern replizieren möchten, der gegen eine Wand stößt, verwenden Sie sehr kleine Räder. Wenn das Vorderrad beim Bremsen plötzlich stehen bleibt, dreht sich das Fahrrad um den Aufstandspunkt des Vorderrads. Auf der anderen Seite, wenn Sie mit dem Vorderrad gegen eine Wand fahren, stoppt das Vorderrad und das Drehzentrum ist die Vorderradnabe. (Ausreichend steife Räder vorausgesetzt.)

Vor einiger Zeit habe ich eine interaktive Webseite gehackt, die die Kräfte auf ein bremsendes/beschleunigendes Trike/Fahrrad auf verschiedenen Steigungen zeigt . Das Spielen mit dieser Seite kann Ihnen beim Verständnis helfen (erfordert SVG+CSS+Javascript).

Ich habe die Seite ursprünglich für ein Kaulquappen-Dreirad gebaut. Um ein normales Fahrrad zu sehen, wählen Sie auf der Seite „aufrechtes Fahrrad“ und spielen Sie dann ein wenig mit den Tasten +und -für die Beschleunigung/Verzögerung. Wenn Sie verstanden haben, was los ist, probieren Sie auch die Tasten +und für die Neigung aus.-

Mein naives Argument würde auf Energieeinsparung beruhen. Ich werde keine Gleichungen schreiben. Dies ist für Sie zu tun.

Das Fahrrad + Fahrer hat zusätzlich zur potentiellen Energie des Systems sowohl rotatorische als auch translatorische kinetische Energie. Wenn Sie die Bremsen betätigen, wird die Translations-KE sowohl in Rotations-KE als auch in PE umgewandelt, was sich als Arbeit gegen die Schwerkraft manifestiert. Sie heben ab und schwenken um einen Punkt, der eine Änderung der Drehbewegung aufgrund eines äußeren Drehmoments (Reibung) ausmacht.

Ein sehr interessantes reales Experiment, das ich jeden Tag mache (ich fahre mit dem Fahrrad zur Arbeit), ist aufzustehen, wenn ich effizient bremsen möchte (in meinem Fall ist es nur geringfügig effizient, aber ich spüre den Unterschied). Die translatorische KE wird in PE umgewandelt und daher müssen die Bremsen nicht so hart arbeiten, um meine Bewegung zu stoppen. Je schwerer die Person, desto effektiver die Technik.

Wenn Sie also ein fetter Bastard sind, kann dies ein nützlicher Weg sein, um schnell aufzuhören.