Was macht ein Fahrrad aufrecht, wenn es sich bewegt?

Was hält ein Fahrrad aufrecht, wenn es in Bewegung ist? In welchem ​​Verhältnis stehen Geschwindigkeit und Stabilität? Ist es eine lineare Beziehung?

Ich könnte dies auf der Physikseite nachfragen, hoffe aber auf eine relativ einfache Antwort. Ich habe einen Einführungskurs in Physik an der Universität besucht, damit die Grundkenntnisse der Physik geschätzt werden, aber nicht zu knorrig.

Ich denke, dass es nicht die durchdrehende Masse des Rades ist, die das Fahrrad aufrecht hält. Ich habe kürzlich in einer Studie gelesen, dass bei einem Rad mit identischer Masse, das sich rückwärts neben dem Fahrrad dreht, das Fahrrad nicht an Stabilität verliert. (Ich bin nicht sicher, wo ich die Studie gelesen habe).

Warum bleiben Fahrräder auf einer Rolle aufrecht?

Diese Frage war kürzlich Gegenstand eines längeren Artikels in der Zeitschrift New Scientist. Zusammenfassen:

"Warum lenkt dieses Fahrrad die richtigen Mengen zum richtigen Zeitpunkt, um Selbststabilität zu gewährleisten?" fragt das Papier. "Wir haben keine einfache physikalische Erklärung gefunden."

http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html

In diesem Artikel wird auch die Studie zitiert, die Sie nicht ganz einordnen konnten - Kreiselkräfte, von denen so lange angenommen wurde, dass sie das A und O der Fahrradstabilität sind -, die wissenschaftlich erwiesenermaßen nicht die Konsequenz sind, die im Volksmund angenommen wurde.

Wenn Sie auf einer Rolle aufrecht stehen, was nicht im Artikel behandelt wird, wird erläutert, was passiert, wenn Sie ein Fahrrad mit niemandem von der Straße wegschicken - anscheinend haben die vom Fahrer vorgenommenen Gewichts- und Lenkeinstellungen nichts zu tun mach damit.

Ich glaube nicht, dass der Artikel von New Scientist das letzte Wort zu diesem Thema ist. Es ist jedoch neu (einige Wochen alt) und eine gute Einführung in das Rätsel. Genießen!

Die Fahrradgeometrie bietet ein gewisses Maß an Selbststabilität. Der Winkel und die Neigung der Gabel erzeugen eine Situation, in der der Vorderreifen dazu neigt, mager zu werden, und korrigieren so die Tendenz, zur Seite zu fallen.

Der gyroskopische Effekt der Räder an sich ist wahrscheinlich nicht so stark, aber der gyroskopische Effekt auf die Lenkung wirkt sich auf den Winkel / die Neigung der Gabel aus, um den Reifen in Richtung des "Sturzes" zu drehen und für eine noch stärkere Selbststabilisierung zu sorgen.

Theoretisch unterscheiden sich die Rollen nicht von der Straße - der Vorderreifen dreht sich in die Richtung der Neigung, entweder bis der Rand der Rollen einen Aufprall verursacht oder das Fahrrad sich stabilisiert.

Fahrräder sind aufgrund ihrer Geometrie von Natur aus stabil. Die Geometrie bewirkt, dass sich das Fahrrad immer in die Richtung dreht, in die es sich zu neigen beginnt, wodurch es aufrecht bleibt. Der Grund wird am besten durch ein Konzept veranschaulicht, das als Gegenlenkung bekannt ist.

Bei der Gegenlenkung drehen sich alle Zweiradfahrzeuge. Wenn Sie nach links drehen möchten, drehen Sie den Lenker ein wenig nach rechts. Die Reibung der Räder zieht den Boden des Fahrrads nach rechts, wodurch eine Neigung nach links eingeleitet wird. Der Lenker beginnt dann nach links zu schwenken, um die Kurve zu verfolgen.

Wenn die Kurve angehalten werden soll, drehen Sie den Lenker etwas weiter nach links. Das zieht den Boden des Fahrrads weiter nach links, wodurch der Boden des Fahrrads direkt unter dem Schwerpunkt liegt und die Kurve angehalten wird.

Auf vielen Fahrrädern und bei niedrigen Geschwindigkeiten kann der Gegenlenkeffekt von vielen Fahrern unbemerkt bleiben. Bei hohen Geschwindigkeiten oder bei schwereren Fahrzeugen wie Motorrädern ist dies jedoch wichtiger.

Also, wie funktioniert das, wenn es keinen Fahrer gibt? Es liegt an dem Rechen in der Gabel und der Schiene, die es verursacht. Wenn Sie eine imaginäre Linie durch die Achse Ihrer Gabel zum Boden ziehen, schlägt sie auf den Boden auf, bevor das Rad den Boden berührt.

Da das Rad den Boden hinter der Lenkachse berührt, spürt das Rad immer eine Kraft von der Straße, die versucht, es in die Mitte zu bringen, wobei es geradeaus zeigt. Wenn das Fahrrad zur Seite gekippt wird, beginnen die Kräfte, das Rad zur Seite zu schieben, zu der das Fahrrad gekippt wird.

All diese Kräfte summieren sich. Der Rechen in der Gabel bringt das Fahrrad dazu, geradeaus zu fahren. Und wenn es in die eine oder andere Richtung stößt, bringt die Gegenlenkung das Fahrrad in die andere Richtung. Dann drückt der Schwader das Vorderrad weiter weg, wodurch das Fahrrad aufgrund der Gegenlenkung gerade wird.

Es ist, als würde man einen Besen auf der Hand balancieren und die Räder unter sich bewegen. Fahrradhersteller helfen, indem sie die Lenkgeometrie so gestalten, dass das Fahrrad selbstständig aufrecht bleibt, wenn Sie sich nicht damit anlegen.

Die Kreiselkräfte helfen, sind aber nicht wesentlich.

Zu diesem Thema wurden neuere Untersuchungen durchgeführt: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

Bisher wurde angenommen, dass die sich drehenden Räder des Fahrrads durch gyroskopische Effekte für Stabilität sorgen. und dass der "Trail" (der Abstand, um den der Kontaktpunkt des Vorderrads hinter der Lenkachse verläuft, eine wichtige Rolle spielt).

Jedoch:

Eine neue Studie in Science behauptet, das Problem beigelegt zu haben - Kreiseleffekte und Nachlaufhilfe, sagt Forscher Dr. Arend Schwab von der 3mE-Fakultät der TU Delft, sind aber ab einer bestimmten Geschwindigkeit nicht mehr notwendig. In einem Artikel der Royal Society aus dem Jahr 2007 (doi: 10.1098 / rspa.2007.1857) wurde zu diesem Zeitpunkt ein mathematisches Modell mit etwa 25 physikalischen Parametern entwickelt, das zu prognostizieren schien, ob und bei welcher Geschwindigkeit ein bestimmtes Fahrraddesign wäre stabil.

Die Autoren entwarfen und bauten ein Zweimassen-Skate-Fahrrad mit kleinen und gegenläufigen Rädern, was bedeutet, dass von keinem gyroskopischen Effekt die Rede ist, und einer kleinen negativen Spur (mit anderen Worten, wo sich der Berührungspunkt des Vorderrads befindet) geringfügig vor der Lenkachse). Trotzdem blieb das Fahrrad in Bewegung stabil.

Dieses 7-minütige Video gibt eine Erklärung der Fahrradstabilität und erläutert die Auswirkungen von Gyroskopie, Nachlauf und Lenkung. Insbesondere werden Beispiele von (fahrerlosen) Fahrrädern gezeigt, die selbst dann ausbalancieren können, wenn eine oder mehrere der Stabilitätsquellen aufgehoben werden. Daher gibt es verschiedene Konstruktionsmerkmale, die Stabilität ermöglichen - einschließlich des Fahrers.

Gegenwärtig gibt es drei Hauptfaktoren, die die Fahrradstabilität beeinflussen:

1. Betrag der Vorderradspur (dh Lenkradkonstruktion)
2. Massenverteilung vor der Vorderradlenkachse
3. Kreiselpräzession

In einem modernen Fahrrad arbeiten alle drei zusammen, um es einem Fahrrad zu ermöglichen, automatisch in einen Sturz zu lenken und dabei selbststabilisierendes Verhalten zu zeigen. Dieses automatische Lenkverhalten würde es einem Fahrrad ermöglichen, auf Rollen oder über den Boden zu fahren.

Da die Stabilität durch das Gleichgewicht mehrerer Faktoren erreicht wird, kann zu viel von einem Faktor eine Konstruktion instabil machen (z. B. durch Überkorrektur). Darüber hinaus wirken sich nicht alle Faktoren gleich aus. Einige Faktoren allein können ausreichen, um ein Fahrrad ohne die anderen Faktoren stabil zu machen (z. B. Massenverteilung vor der Lenkachse ).

Das Vorhandensein mehrerer Faktoren bedeutet auch, dass unterschiedliche stabile Konstruktionen unterschiedliche Mengen der einzelnen Faktoren verwenden können. In den 1940er Jahren verwendeten Randonneur-Fahrräder beispielsweise viel weniger Trails , erhöhten jedoch die Masse vor der Lenkachse (dh die vorderen Taschen, die die Ausrüstung tragen), um ein stabiles Fahrrad zu schaffen.

MinutePhysics hat ein gutes kurzes Video , das die Auswirkungen dieser Effekte aufschlüsselt . Ich glaube, dass bei den meisten stabilen Konstruktionen die Kreiselprozession (3) den schwächsten Effekt hat.

Neben den oben genannten Merkmalen der Selbststabilität liegt der Hauptgrund dafür, dass ein Fahrrad während der Fahrt aufrecht bleibt, darin, dass Sie aktiv balancieren, indem Sie die Kontaktpunkte des Fahrrads unter Ihrem Schwerpunkt halten. Während Sie fahren, machen Sie subtile Drehbewegungen, um das Fahrrad unter sich zu halten. Wenn das Fahrrad nach links fällt, biegen Sie nach links ab, was das Vorderrad bewegt und das Fahrrad wieder unter sich bringt. Auf Rollen kann man das sehen, wenn sich das Fahrrad auf der Rolle hin und her bewegt - und wenn es das nicht kann, fällt man um.

Sie können dies so unbewusst tun, nachdem Sie das Fahren gelernt haben, dass es eine ziemliche Herausforderung ist, ein Fahrrad mit umgekehrter Lenkung zu fahren.

Die grundlegende Antwort, ohne zu sehr auf die Physik einzugehen, ist der Drehimpuls . Grundsätzlich übt ein sich drehender Gegenstand (Ihre Räder) eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung aus, wenn Sie versuchen, sie zu "kippen". Um dies zu Hause zu versuchen, nehmen Sie Ihr Vorderrad ab. Halten Sie die Achse mit beiden Händen fest und drehen Sie das Rad. Versuchen Sie nun, das Rad zu kippen. Beachten Sie, wie sich das Rad zurückzieht. Versuchen Sie dasselbe mit nicht drehendem Rad und achten Sie darauf, dass es sich nicht zurückzieht. Je schneller sich das Rad dreht, desto stärker zieht es sich zurück. Ich bin nicht sicher, ob die Beziehung linear ist oder nicht. Werfen Sie hier einen Blick auf den Drehimpuls . Es zeigt ein Video, das eine Demonstration mit einem Fahrradreifen macht.

Es sollte so einfach sein:

• Aktion = Reaktion. Wenn das Fahrrad aufrecht steht, bleibt es aufrecht, es sei denn, es treten seitliche Kräfte auf. Dies gilt auch dann, wenn sich das Fahrrad nicht bewegt.
• Wenn es eine Kraft gibt, die das Gleichgewicht stört, muss es eine gleich große Gegenkraft geben, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
• Wenn sich das Fahrrad bewegt, wandelt die Lenkung einen Teil des Vorwärtsimpulses in Seitwärtskraft um, sodass das Fahrrad mit der Lenkung ausbalanciert werden kann.
• Auf einer Walze kann sich das Fahrrad seitwärts bewegen, um das Gleichgewicht zu halten.
• Das Bewegen des Gewichts des Fahrers sollte keine Seitwärtskraft erzeugen, da der Fahrer das Fahrrad mit der gleichen Kraft in die andere Richtung schieben muss, um sich zur einen Seite zu bewegen. Jeder Erfolg damit kann auf Ineffizienzen im System zurückgeführt werden.

Dann gibt es den Kreiseleffekt der Räder, der das Ausmaß und die Richtung der auf das System einwirkenden Kräfte ändern kann.