Evenwichtsoefening: Waarom vallen fietsen niet gewoon om?

Inhoudsopgave:

Evenwichtsoefening: Waarom vallen fietsen niet gewoon om?
Evenwichtsoefening: Waarom vallen fietsen niet gewoon om?

Video: Evenwichtsoefening: Waarom vallen fietsen niet gewoon om?

Video: Evenwichtsoefening: Waarom vallen fietsen niet gewoon om?
Video: The science of balancing a bike 2024, Maart
Anonim

De wetenschap kan vooralsnog geen definitief antwoord geven. Maar het komt steeds dichterbij…

Fietsen. Het is net als fietsen, toch? Nou, niet als je Cornell University-professor Andy Ruina bent.

Hij heeft, samen met co-auteurs Jim Papadopoulos, Arend Schwab, Jodi Kooijman en Jaap Meijaard, een paper geschreven getiteld A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Castor Effects, waarin wordt gesuggereerd dat eerder aangehaalde voorwaarden voor stabiliteit niet voldoende uitleggen – en zelfs niet nodig zijn voor – het fenomeen van de zelfstabiele fiets.

‘Het is opmerkelijk dat mensen überhaupt op de fiets kunnen blijven. Maar een van de meest verbazingwekkende dingen van fietsen is dat ze zichzelf kunnen balanceren, 'zegt Ruina.

Als voorbeeld van de beroemde scène in Jacques Tati's film Jour de Fête uit 1949, waarin de klungelige postbode François zijn weggelopen ros achtervolgt terwijl het berijderloos over een landweg slingert, begonnen Ruina en zijn collega-wetenschappers de conventionele wijsheid te verkennen die twee noodzakelijke voorwaarden voor een rechtopstaande fiets waren ofwel het gyroscopische koppel van de draaiende wielen of het wielspoor van het voorwiel.

‘Je kunt een fiets alleen rechtop houden als hij beweegt’, zegt Ruina. ‘Wat wel bekend is, is dat sturen je balans geeft. We kunnen dit laten zien als we het stuur op een fiets zonder berijder vergrendelen, voortduwen en dan loslaten. De fiets zal snel omvallen, net zoals hij omv alt als hij stilstaat.’

Ruina vergelijkt het effect met het balanceren van een bezem op de hand. Als de verticale bezem naar links begint te leunen, beweegt de balancer zijn hand ook naar links, waardoor de onderkant van de bezem weer onder de vallende bovenkant komt, waardoor hij weer in balans komt. Maar als we de rijder buiten beschouwing laten, waarom gebeurt dit dan met een fiets?

‘Mensen denken natuurlijk dat als iets snel draait, het stijf wordt door het gyroscopische effect, dus als je het draait, wil het de andere kant op draaien. Dat is een veel voorkomende verklaring. De andere is dat een fiets zich gedraagt als een zwenkwiel op een winkelwagentje.

Contactpunt

Mensen gaan ervan uit dat het werkelijke grondcontactpunt van het voorwiel zich voor de stuuras bevindt vanwege de balhoofdhoek en de vorkhelling. Maar eigenlijk maakt het wiel net achter deze as contact met de vloer.’

Het resultaat is dat, net als een zwenkwiel dat 360° rond een verticale as kan bewegen (stel je voor dat je headset het lager van het zwenkwiel is en je naaf de as), je voorwiel je stuur 'volgt'. Dus als een winkelwagentje, duw je je fiets naar voren en het voorwiel steekt noodzakelijkerwijs in en loopt achter de rijrichting aan.

De berekeningen van de onderzoekers toonden echter aan dat noch het gyroscopische effect, noch het castoreffect daadwerkelijk verantwoordelijk is voor de neiging van een fiets om te sturen en zichzelf te stabiliseren.

Om dit te bewijzen, bouwden Ruina en zijn team wat ze de 'Two Mass Skate' (TMS) noemen. De TMS lijkt op een opvouwbare scooter en heeft dezelfde eigenschappen als een fiets - twee wielen en een voor- en achtergedeelte van massa verbonden door een scharnier (dwz de headset) - maar het is zo gemaakt dat het niet gevoelig voor gyroscopische of castor effecten.

Om dit te bereiken, maken twee kleine wielen contact met de grond, elk met een aanrakend en dus tegengesteld draaiend wiel van gelijke massa bovenop, wat elk gyroscopisch effect met tegengestelde beweging opheft (de wielen van de TMS werken meer als schaatsen). En het contactpunt van het voorwiel ligt voor de stuuras, niet achter zoals bij een zwenkwiel.

Als deze 'fiets' zonder wielen wordt voortgeduwd en losgelaten, blijft hij rechtop staan en corrigeert hij zichzelf zelfs als hij van de zijkant wordt geslagen.

Dit bewijst daarom dat iets anders dan gyroscopische of zwenkwieleffecten verantwoordelijk moet zijn voor de neiging van een fiets om zichzelf te stabiliseren door onder zichzelf te sturen. Om dit te verklaren, stellen de onderzoekers dat de verdeling van de massa, met name op de stuurinrichting, van cruciaal belang is.

Teruggaand op het voorbeeld van de bezem, suggereert Ruina: 'De TMS heeft een massa die vóór de stuuras ligt, evenals een massa in het frame. Als de voorkant van een fiets v alt, v alt hij sneller, net alsof je een potlood op je hand balanceert, hij zal sneller vallen dan een bezem.

Dus de voorste massa v alt sneller dan de achterste massa, maar ze zijn met elkaar verbonden door de stuuras. Dus in een poging om sneller te vallen, veroorzaakt de voorkant besturing en brengt de fiets weer onder zichzelf.'

Ruina wijst erop dat dit de kwestie van de stabiliteit van een fiets nog steeds niet oplost, niet in de laatste plaats omdat het een fiets zonder berijder betreft. Maar wat het wel doet, is nieuwe vragen oproepen over hoe we rechtop blijven zitten op een fiets, wat op een dag kan leiden tot fundamentele ontwerpveranderingen.

Zoals de onderzoekers het verwoorden: 'Deze resultaten duiden erop dat het evolutionaire proces dat heeft geleid tot veelvoorkomende huidige fietsontwerpen, mogelijk nog geen potentieel bruikbare regio's in de ontwerpruimte heeft verkend.' Dus daar.

Aanbevolen: