Ende des 19. Jahrhunderts, als die Fahrräder aufkamen, musste man dafür einen Führerschein machen. Ein angesehener Ausschuss wurde eingesetzt, um die Theorie und Praxis des Fahrens zu lehren und die Nummernschilder auszugeben. Niemandem wurde erlaubt, das Fahrzeug zu übergeben. Der Grund für die Vorsicht wurde mit dem erhöhten Risiko beim Fahren eines Zweirads erklärt. Ein normaler Mensch kann nicht verstehen, warum ein Fahrrad während der Fahrt nicht umkippt. Erstaunlicherweise können selbst Physiker, die die Funktionsweise von Systemen auf Rädern untersuchen, diese einfache Frage nicht eindeutig beantworten.
Theoretische Analysen und physikalische Experimente haben gezeigt, dass der Kreiselimpuls und der positive Gabelweg für die Stabilität des Fahrrads nicht ausreichen. Neben der kontrollierten Lenkung gibt es auch eine automatische Lenkung. Darüber hinaus spielt die Lastverteilung eine wichtige Rolle bei der Erhaltung des Gleichgewichts. Wie Sie sehen, werden auch nach der langen Lebensdauer des Fahrrads immer noch neue Qualitäten entdeckt und verfeinert.
Warum ein Fahrrad nicht umkippt, wenn es fährt
Um die einfache Aufgabe zu erklären, wird oft eine Metapher verwendet: „Es ist so einfach wie Fahrradfahren“. Man muss nämlich dafür sorgen, dass die Verkehrsmittel nicht umfallen. Zunächst dachte man, dass das Fahrrad auf Kosten des Fahrers fährt. Eine Person spürt die Neigung der Struktur, dreht den Lenker leicht in Richtung des Sturzes und gleicht die Fahrt aus. Aber bei hoher Geschwindigkeit gewinnt das Fahrrad an Stabilität und fällt nicht um, auch wenn der Lenker losgelassen wird. Später gab es Hypothesen über die gyroskopische Wirkung des Vorderrads und die Lenkung. Es stellte sich jedoch heraus, dass auch ungelenkte Fahrräder und Roboterradfahrer nicht stürzen.
Die Hauptfrage nach der Ursache für die Stabilität lautet: Wie entsteht das richtige Verhältnis zwischen Neigung und Drehung? Es gibt eine allgemein akzeptierte Ansicht: Der Effekt tritt als Folge des rotierenden (gyroskopischen) Drehmoments und der positiven Gabelausladung auf. Die stabilisierende Wirkung des Vorderrads und die Fliehkraft, die durch die Ablenkung der Bewegung von einer geraden Spur verursacht wird, sind notwendige Faktoren für das Gleichgewicht des Fahrrads.
Aus physikalischer Sicht
Wissenschaftler haben das Muster identifiziert, das Zweiräder stabil hält. Die Vorderradgabel steht im Mittelpunkt des Interesses. Dabei wird die Lenkerachse im Verhältnis zum Boden schräg gestellt. Der Schnittpunkt liegt vor der Berührungslinie des Rades mit der Straße. Weicht der Winkel der Deichsel vom eingestellten Wert ab, wird eine Reaktionskraft erzeugt, die den Transporter wieder in Position bringt. So hilft das Fahrrad selbst, das Gleichgewicht zu halten.
Um eine Kurve zu fahren, muss der Fahrer seinen Schwerpunkt verlagern. Wenn das Fahrrad beispielsweise nach rechts geneigt ist, ist auch die Vorderachse nach rechts geneigt, und das Rad, das sich im Uhrzeigersinn dreht (von unten gesehen), überträgt das Reaktionsmoment teilweise auf die Lenkeinheit. Die Zentrifugalkraft neigt dazu, das Lenkrad nach rechts zu drehen. Um abzubiegen, neigt sich der Radfahrer nach links und lenkt das Fahrrad und die Räder nach rechts.
Der zweite Faktor für die Fahrzeugstabilität ist der Geschwindigkeitszuwachs beim Abbremsen und Lenken. Die stabilisierende Wirkung bringt die Räder in die richtige Position und verhindert, dass das Fahrrad umkippt. Ein erfahrener Radfahrer lenkt mit den Händen an den Befestigungspunkten 2-3 mm in die Fahrbahn hinein.
Gyroskopische Wirkung
Die Theorie des Gleichgewichts basiert auf einem bekannten physikalischen Phänomen, das in der Raumfahrt, der Luftfahrt und der Schiffsnavigation verwendet wird. Die Eigenschaft eines rotierenden Objekts, seine Bewegungsrichtung beizubehalten, wird als gyroskopische Kraft bezeichnet. Die Aktion wird beim Fahren eines Fahrrads in Schräglage beobachtet. Solange sich die Räder drehen, hält das Fahrzeug sein Gleichgewicht und fällt nicht um. Ein Weihnachts- oder Kinderhubschrauber zum Beispiel „funktioniert“ nur, wenn er sich dreht. Um die Hypothese zu testen, entwickelten die Physiker ein spezielles Fahrraddesign. An der Vorderseite wurde ein zusätzliches Rad angebracht, das den Boden nicht berührte und sich in die entgegengesetzte Richtung drehte. Das Ergebnis des Experiments überraschte die Wissenschaftler. Das Fahrrad bewegte sich perfekt und fiel auch ohne Gyroskop nicht um.
Nachdem die wichtigsten Faktoren, die die Stabilität eines fahrenden Zweirads beeinflussen, bestätigt wurden, diskutieren die Wissenschaftler immer noch über neue Versionen.
Interessante Fakten
W.A. Jakubowitsch
- Die mathematische Theorie zur Erklärung der Stabilität eines Fahrrads in Bewegung wurde von dem Doktor der Wissenschaften W.A. Jakubowitsch aufgestellt. Der Wissenschaftler erklärte, warum ein autonomer Roboter, der ein Fahrrad steuert, noch nie geschaffen wurde. Die im Internet kursierenden Informationen über mechanische Radfahrer erwiesen sich als Fälschung. Ein genauerer Blick auf den Kybernetiker offenbarte eine Reihe von Tricks. Die Erfinder brachten Gewichte an, um die Stabilität der Struktur zu erhöhen, senkten den Schwerpunkt und beschleunigten das Fahrrad auf hohe Geschwindigkeiten.
Die Gegner des Wissenschaftlers beweisen das Gegenteil. Der Roboter lernt sehr schnell. Das liegt daran, dass die Aufgaben relativ einfach sind: Man muss nur lernen, das Gleichgewicht zu halten. Es hat eine Fähigkeit, die der Mensch nicht hat: Es reagiert sofort und „zuckt“ das Rad 5 Mal pro Sekunde.
- Ein Fahrrad ohne Fahrer kann sich selbst lenken, um nicht umzufallen“, behaupten die US-Wissenschaftler. Dank linearisierter Stabilitätsberechnungen haben die Forscher ein Fahrrad mit zusätzlichen Rädern, die sich in die entgegengesetzte Richtung drehen, und einem negativen Lenkerstand entwickelt.
- Die Psychologen haben eine andere Sichtweise als die Physiker. Die Energiequellen des Fahrrads befinden sich im Kopf des Fahrers. Das menschliche Gehirn arbeitet hart, um uns vor dem Umfallen zu bewahren. Es ist das Unterbewusstsein, das den Radfahrer im Gleichgewicht hält.
Schlussfolgerung
Die Bedeutung von Kreisel und Nachlauf für die Stabilität des Fahrrads während der Fahrt ist erwiesen. Aber es gibt keine eindeutige Erklärung dafür, warum ein Fahrrad nicht umkippt, wenn man fährt. Möglicherweise gibt es eine zusätzliche Kraft, deren Verständnis sich dem heutigen Wissensstand vorübergehend entzieht.
Trotzdem glaube ich, dass das Fahrrad beim Fahren nicht umkippt, weil der Fahrer das Gleichgewicht hält und es korrigiert, indem er den Lenker in die Richtung des Sturzes dreht. Die Wirkung des gyroskopischen Drehmoments auf das Rad beim Fahren ist unwahrscheinlich, die Geschwindigkeit des Rades und die Masse des Rades sind nicht groß genug, um ein reaktives Drehmoment zu erzeugen.
Der Lenkversuch hat nicht bestätigt, dass der Fahrer das Gleichgewicht hält. Schieben Sie das Fahrrad ohne Fahrer kräftig an, dann fährt es und fällt nicht um, auch wenn der Lenker eingeklemmt ist.