Warum das Fahrrad nicht umkippt
Die Wissenschaftler rätseln seit mehr als hundert Jahren an der Physik unseres allseits beliebten Drahtesels herum. Nun haben neue Erkenntnisse eines internationalen Forscherteams neues Licht in diese uralte Frage gebracht. Das Forscherteam von der Technischen Universität Delft (TU Delft) in den Niederlanden und der Cornell University in den Vereinigten Staaten konzentrierte sich darauf herauszufinden, warum ein Fahrrad ab einer bestimmten Geschwindigkeit stabil bleibt. Ist ein Fahrrad ausreichend in Fahrt, so verfügt es über eine gewisse Eigenstabilität - man kann es seitwärts anstoßen, ohne dass es umkippt. Bisher nahm man an, dass diese Stabilität auf zwei Faktoren zurückzuführen ist. Zum einen ging man davon aus, dass die sich drehenden Räder des Fahrrads durch den Gyroskopischen Effekt für Stabilität sorgen. Weiterhin dachte man, dass der "Nachlauf" eine wichtige Rolle spielt - der Abstand zwischen dem Spurpunkt, an dem die verlängerte Lenkachse auf den Boden trifft, und dem Punkt, wo das Rad aufgrund der Gabelbiegung den Boden berührt. Die im Fachjournal Science veröffentlichten neuen Erkenntnisse werfen nun diese alte Theorie teilweise über den Haufen. "Wir haben schon seit Jahren gewusst, dass die allgemein akzeptierte Erklärung für die Stabilität des Fahrrads zu einfach ist", erläutert Forscher Dr. Arend Schwab von der 3mE Fakultät an der TU Delft. "Kreiseleffekte und Nachlauf sind hilfreich, aber nicht von grundlegender Wichtigkeit für die Stabilität." Dr. Schwab und sein Team verwendeten ein mathematisches Modell mit rund 25 physikalischen Parametern, das sie für eine vorhergehende Studie entwickelt hatten. Dieses Modell kann sehr genau vorausberechnen, ob und bei welchen Geschwindigkeiten ein bestimmtes Fahrraddesign stabil ist. Aufbauend auf dieser Arbeit entwickelte und konstruierte das Team ein Fahrrad, mit dem in einem Experiment demonstriert werden kann, dass bei einem Fahrrad sowohl Kreiseleffekte als auch Nachlauf nicht nötig sind, um ab einer bestimmten Geschwindigkeit Eigenstabilität zu entwickeln. "Mit unserer Veröffentlichung in Science haben wir nun nicht nur theoretisch, sondern auch experimentell bewiesen, dass unsere Erkenntnisse korrekt sind", so Dr. Schwab. Das von ihnen entwickelte "Two-Mass-Skate"-Fahrrad hat kleine und gegenläufig rotierende Räder, was bedeutet, dass es keinen nennenswerten Gyroskopischen Effekt und einen geringfügigen negativen Nachlauf gibt. Der Spurpunkt des Vorderrads befindet sich geringfügig oberhalb der Lenkachse und das Fahrrad bleibt dennoch stabil. "Es war nicht ganz einfach", erklärt Doktorand Jodi Kooijman, der einen Großteil der Experimente ausführte. "Der erste Prototyp funktionierte nicht und wir hatten nach einer Reihe wiederholter Versuche schon fast die Hoffnung aufgegeben, als wir plötzlich doch die Stabilität nachweisen konnten. Man muss zum Beispiel den Untergrund beachten, der genau die richtige Rauheit und Steifigkeit haben muss." Nachdem die Theorie der Forscher in einer Reihe von Experimenten bewiesen werden konnte, erläutert Dr. Schwab die theoretischen Implikationen der Studie: "Wir haben gezeigt, dass die Massenverteilung auch für die Stabilität wichtig ist, insbesondere die Lage des Schwerpunkts der Fahrradlenkung." So muss also die Lenkung instabil sein, damit das Fahrrad Stabilität erlangt; beginnt das Fahrrad zu kippen, so sollte die Lenkung noch schneller kippen. Diese Feststellungen sind für die Fahrradhersteller durchaus von Bedeutung. Das Fahrraddesign hat sich bekanntermaßen seit dem Ende des neunzehnten Jahrhunderts kaum verändert. Die neuen Erkenntnisse könnten nun allerdings zur Entwicklung neuer Modifikationen verschiedener Typen von Klapp- und Lasträdern beitragen.Weitere Informationen unter: TU Delft: http://home.tudelft.nl/en/(öffnet in neuem Fenster)
Länder
Niederlande, Vereinigte Staaten