Een technisch parcours vereist goede bochtenvaardigheden. Maar, volgens de natuurkunde, hoe ver kun je je fiets kantelen voordat je het dek raakt?
Wetenschappers puzzelen sinds de dagen van je oude penny farthing over wat een fiets evenwichtig maakt. Veel experts suggereerden dat die draaiende hoepels ervoor zorgen dat de fiets zich als een gyroscoop gedraagt, maar zo eenvoudig is het niet. Een groep ingenieurs van de Universiteit van Nottingham identificeerde 25 afzonderlijke variabelen die de beweging van een fiets beïnvloeden, daarbij verwijzend naar: 'Een eenvoudige verklaring lijkt niet mogelijk omdat leunen en sturen gepaard gaan door een combinatie van effecten, waaronder gyroscopische precessie, laterale grondreactiekrachten bij het voorwiel, grondcontactpunt achter de stuuras, zwaartekracht en traagheidsreacties…'
Wat bekend is, is dat zolang een fiets beweegt met een snelheid van ongeveer 14 km/u (9 mph), hij rechtop kan blijven staan zonder de aanwezigheid van een berijder. Maar nogmaals, wetenschappers kunnen niet uitleggen waarom.
Tegen die achtergrond, gooi de toegevoegde dimensie van een bocht en het berekenen van de hoek die je kunt leunen in bochten voordat je het asf alt raakt, is duidelijk een complexe aangelegenheid. Onder de juiste omstandigheden is het mogelijk om hoeken van 45° te zien, maar hoe komen we op dat punt?
‘We weten dat er drie echte krachten op de fiets en de berijder werken', zegt Rhett Allain, enthousiast wielrenner en universitair hoofddocent natuurkunde aan de Southeastern Louisiana University in de VS.
‘Er is de zwaartekracht die de fiets en de berijder naar beneden duwt; er is de weg die omhoog duwt, wat we "normale" kracht noemen, en er is een wrijvingskracht die de fiets naar het midden van het cirkelvormige pad duwt waar hij zich op beweegt.'
De nepkracht
Er is ook middelpuntvliedende kracht.‘Dit heeft wel impact, maar het is een nepkracht’, zegt Allain. Veel natuurkundigen beweren dat middelpuntvliedende kracht niet bestaat en eenvoudigweg een gebrek aan middelpuntzoekende kracht is - een naar binnen trekkende kracht die ervoor zorgt dat de fiets in een cirkel beweegt, vergelijkbaar met de zwaartekracht die een satelliet naar binnen trekt om hem in een baan om de aarde te houden.
Het wordt berekend via de vergelijking F=mv2/r, waarbij F de middelpuntzoekende kracht is (Newton), m de massa van de fietser en de berijder (kg), v is snelheid (m/s) en r is de straal van de hoek in meters.
'De fysica van het rijden in een bocht is dat je het doet door radiaal naar binnen te versnellen, wat neerkomt op middelpuntvliedende kracht', zegt David Wilson, emeritus hoogleraar engineering aan het Massachusetts Institute of Technology.
‘De kracht moet van de banden komen. De fiets moet zo leunen dat de combinatie van de reactie van de band en de radiale kracht in lijn is met de resulterende kracht van de fiets plus berijder.'
De sleutel tot hoe ver je kunt leunen, is de wrijvingscoëfficiënt, de verhouding tussen de wrijvingskracht tussen twee lichamen en de kracht die erop wordt uitgeoefend - in dit geval de band en het asf alt.
De meeste droge materialen hebben wrijvingswaarden tussen 0,3 en 0,6, terwijl rubber in contact met asf alt een waarde tussen één en twee kan produceren. Wanneer de oppervlakken ten opzichte van elkaar bewegen - zoals bij fietsen - neemt dit cijfer iets af.
Om de fiets rechtop te laten staan, moet de zijdelingse kracht (centripetaal) gelijk zijn aan de wrijvingscoëfficiënt, en dit cijfer kan verrassend groot zijn. Bijvoorbeeld, een rijder van 70 kg op een fiets van 10 kg die met een snelheid van 20 mph rond een bocht met een straal van 20 m rijdt, ervaart een middelpuntvliedende kracht van 316 Newton.
Deze kracht moet worden gegenereerd door de banden, en als de kracht niet bestond, zouden de fiets en de berijder gewoon in een rechte lijn doorgaan.
Met behulp van enkele indrukwekkende trigonometrische berekeningen die een heel boek zouden vullen, is de wrijvingscoëfficiënt gelijk aan de tangensfunctie van de maximale hellingshoek.
‘Het wiel slipt als de wrijvingscoëfficiënt wordt overschreden’, zegt Marco Arkesteijn, docent sportwetenschappen aan de Aberystwyth University. ‘Dit kan komen doordat de wrijvingskracht toeneemt [door bijvoorbeeld de lijn door een bocht strakker te trekken] of de normaalkracht die afneemt [door bijvoorbeeld een verzakking in de weg].’
De wrijvingscoëfficiënt kan ook veranderen als gevolg van een verandering in het oppervlak. Daarom kan het nemen van bochten op een witte lijn gevaarlijk zijn. ‘Dit geldt vooral op nat wegdek’, zegt Arkesteijn. ‘Verf is minder poreus, dus het water verspreidt zich niet.’
Ridergewicht
Om de zaken nog ingewikkelder te maken, is de kwestie van het gewicht van de rijder. ‘Fysiek gezien zouden kleinere jongens meer moeten kunnen leunen’, zegt Arkesteijn. ‘Ze zijn meestal ook wendbaarder, wat helpt.’
Allain is niet zo duidelijk, wat suggereert dat, hoewel het gewicht van de rijder een 'klein beetje' uitmaakt, van groter belang is het zwaartepunt van de rijder-plus-fiets.
‘Uiteindelijk is dat de belangrijkste factor’, zegt hij. Zwaardere rijders zijn meestal langere rijders, vooral in het profpeloton, wat betekent dat hun framematen groter zijn en hun zwaartepunt hoger is. Je moet ook rekening houden met de wegomstandigheden. Als je op de limiet zit, kan een hobbel in de weg leiden tot verlies van grip en een val.
Wegen in het VK hebben soms meer grip dan die van onze Europese neven op het vasteland, omdat ze poreuzer zijn om regen te absorberen en een glad wegdek te voorkomen. Daarom zijn onze wegen grover. Maar ze zijn vaak hobbelig en in slechtere staat vanwege vorstschade, daarom is fietsen en autorijden in Frankrijk een absoluut genot als het droog is.
Wat is tenslotte de maximale hellingshoek? Voor professor werktuigbouwkunde en techniek Jim Papadopoulos, dat kan pas worden beantwoord als je er nog een laatste factor bij gooit: spoor.
Dit is een denkbeeldige lijn die door de stuurbuis naar de grond wordt geprojecteerd. Als dit punt voor het contactpunt van het wiel met de grond ligt, wordt het als 'positief' beschouwd en is het stabieler. Achter en de fiets heeft meer kans om te kantelen. Trail vermindert hoe meer je leunt.
‘Fietsers hebben de neiging om in de positieve trail-regio te blijven en niet meer dan 45 ° mager te zijn, 'zegt hij. 'Het is meestal minder, maar als de bocht groter is dan 5 meter, kun je 45° bereiken. Dat komt omdat het spoor minder een probleem wordt - dan keren we terug naar het probleem van tractie.'
Dus 45° is mogelijk in een snelle, brede, goed verharde bocht, maar met zoveel variabelen in het spel, is er helaas geen definitief antwoord. Hoe ver je kunt leunen is een kwestie van uitproberen en (hopelijk niet te pijnlijk) fouten maken.
