Noch ist die Wissenschaft nicht in der Lage, eine endgültige Antwort zu geben. Aber es kommt näher…
Fahrrad fahren. Es ist wie Fahrradfahren, oder? Nun, nicht, wenn Sie Professor Andy Ruina von der Cornell University sind.
Er hat zusammen mit den Co-Autoren Jim Papadopoulos, Arend Schwab, Jodi Kooijman und Jaap Meijaard ein Papier mit dem Titel A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscope or Castor Effects geschrieben, das darauf hindeutet, dass die zuvor zitierten Stabilitätsbedingungen dies nicht tun das Phänomen des selbststabilen Fahrrads ausreichend erklären – und dafür nicht einmal notwendig sind.
‘Es ist eine bemerkenswerte Sache, dass Menschen überhaupt auf einem Fahrrad bleiben können. Aber eines der erstaunlichsten Dinge an Fahrrädern ist, dass sie sich selbst ausbalancieren können “, sagt Ruina.
Am Beispiel der berühmten Szene in Jacques Tatis Film Jour de Fête von 1949, in der der stümperhafte Postbote François sein außer Kontrolle geratenes Ross jagt, das sich reiterlos eine Landstraße hinunterwindet, machten sich Ruina und seine Kollegen daran, die herkömmliche Weisheit zu erforschen, dass Zwei notwendige Bedingungen für ein aufrechtes Fahrrad waren entweder das Kreiselmoment der sich drehenden Räder oder der Nachlauf des Vorderrads.
‘Du kannst ein Fahrrad nur aufrecht h alten, wenn es sich bewegt‘, sagt Ruina. „Lenken gibt bekanntlich Balance. Wir können das zeigen, wenn wir die Lenkung eines fahrerlosen Fahrrads blockieren, es anschieben und dann loslassen. Das Fahrrad wird schnell umfallen, genauso wie es im Stand umfällt.’
Ruina vergleicht den Effekt mit dem Balancieren eines Besens auf der Hand. Wenn der vertikale Besen beginnt, sich nach links zu neigen, bewegt der Balancer seine Hand ebenfalls nach links und bringt die Unterseite des Besens zurück unter seine fallende Oberseite, wodurch er das Gleichgewicht wiedererlangt. Aber wenn man den Fahrer aus der Gleichung herausnimmt, warum passiert das bei einem Fahrrad?
‘Die Leute denken natürlich, dass wenn sich etwas schnell dreht, es aufgrund des Kreiseleffekts starr wird, also wenn du es drehst, will es sich in die andere Richtung drehen. Das ist eine gängige Erklärung. Zum anderen verhält sich ein Fahrrad wie eine Rolle an einem Einkaufswagen.
Kontaktstelle
Leute gehen davon aus, dass der tatsächliche Bodenkontaktpunkt des Vorderrads aufgrund des Lenkwinkels und der Gabelneigung vor der Lenkachse liegt. Aber tatsächlich berührt das Rad direkt hinter dieser Achse den Boden.“
Das Ergebnis ist, dass Ihr Vorderrad wie eine Rolle, die sich um 360° um eine vertikale Achse bewegen kann (stellen Sie sich vor, Ihr Steuersatz ist das Lager der Rolle und Ihre Nabe ihre Achse), Ihr Vorderrad Ihrem Lenker „folgt“. Also wie bei einem Einkaufswagen, schiebst du dein Fahrrad nach vorne und das Vorderrad staut sich zwangsläufig ein und schleift hinter der Fahrtrichtung nach.
Die Berechnungen der Forscher zeigten jedoch, dass weder der Kreisel- noch der Nachlaufeffekt tatsächlich für die Lenkneigung und Selbststabilisierung eines Fahrrads verantwortlich sind.
Um dies zu beweisen, konstruierten Ruina und sein Team den sogenannten „Two Mass Skate“(TMS). Das TMS sieht aus wie ein zusammenklappbarer Roller und hat die gleichen Eigenschaften wie ein Fahrrad – zwei Räder und einen vorderen und hinteren Masseteil, die durch ein Scharnier verbunden sind (dh das Headset) – aber es ist so konstruiert, dass es das nicht ist anfällig für Kreisel- oder Castor-Effekte.
Um dies zu erreichen, berühren zwei kleine Räder den Boden, auf denen sich jeweils ein berührendes und damit gegenläufiges Rad gleicher Masse befindet, das bei entgegengesetzter Bewegung jeden Kreiseleffekt aufhebt (die Räder des TMS funktionieren eher wie Schlittschuhe). Und der Aufstandspunkt des Vorderrads liegt vor der Lenkachse, nicht dahinter wie bei einer Lenkrolle.
Wenn es vorwärts geschoben und losgelassen wird, bleibt dieses rollen- und spurlose „Fahrrad“aufrecht und korrigiert sich sogar selbst, wenn es von der Seite gestoßen wird.
Dies beweist also, dass etwas anderes als Kreisel- oder Nachlaufeffekte für die Tendenz eines Fahrrads verantwortlich sein muss, sich durch Untersteuern selbst zu stabilisieren. Um dies zu erklären, postulieren die Forscher, dass die Massenverteilung, insbesondere auf der Lenkung, der Schlüssel ist.
Um auf das Besenbeispiel zurückzukommen, schlägt Ruina vor: „Das TMS hat eine Masse, die sich vor der Lenkachse befindet, sowie eine Masse im Rahmen. Wenn die Vorderseite eines Fahrrads herunterfällt, fällt es schneller, genauso wie wenn Sie einen Bleistift auf Ihrer Hand balancieren, fällt es schneller als ein Besen.
Die vordere Masse fällt also schneller als die hintere Masse, aber sie sind durch die Lenkachse miteinander verbunden. Bei einem Versuch, schneller zu fallen, verursacht das vordere Ende ein Lenken und bringt das Fahrrad wieder unter sich.’
Ruina weist darauf hin, dass dies immer noch nicht die Frage nach der Stabilität eines Fahrrads löst, nicht zuletzt, wenn es sich um ein fahrerloses Fahrrad handelt. Aber es wirft neue Fragen darüber auf, wie wir auf einem Fahrrad aufrecht bleiben, was eines Tages zu grundlegenden Designänderungen führen könnte.
Wie die Forscher es ausdrückten: „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Evolutionsprozess, der zu gängigen Fahrraddesigns geführt hat, möglicherweise noch keine potenziell nützlichen Bereiche im Designraum erkundet hat.“So.
