Rollendes Fahrrad fällt nicht um?
Ich habe eine einfache physikalische Frage.
Warum fällt ein rollendes Fahrrad/Motorrad nicht um?
Ich denke das hängt irgendwie mit der Gravitation zusammen, aber ich weiß die Antwort nicht.
Ich bitte um eine einfache Antwort ohne physikalische Formeln.
7 Antworten
Ja,
man trickst die Schwerkraft aus.
Indem man den Scherpunkt des Fahrrades stabilisiert.
Wenn sich ein Rad dreht entwickelt es eine Kraft nach außen.
Und diese Kraft die gleiche Wirkung, wie die Kraft die dich auf den Boden zieht.
Je schneller sich das Rad dreht desto stärker wird seine Zentralkraft (Fliehkraft).
Da hat die Schwerkraft dann immer weniger Chancen das Radl umzukippen.
Der Schwerpunkt des Rades wird in seiner Mitte immer stabiler.
Und du hast sogar zwei davon, bei einem Zweirad.
Bis sich halt die Räder so langsam drehen, dass sie so wenig
eigene Zentralkraft aufbringen, schließlich die Schwerkraft siegt,
und man landet auf der Schnauze.
Hansi
Das liegt an der Kreiselwirkung der Räder. Ein rotierender Körper widersetzt sich einer Änderung seiner Orientierung mit einem Moment, das der Kippbewegung entgegen wirkt. Ein Moment ist ein physikalisches Phänomen, das etwas zu drehen versucht, so wie eine Kraft etwas zu verschieben versucht, es ist alles was genauso wirkt wie ein Kräftepaar, gleich groß, entgegengesetzt zueinander gerichtet, um einen Hebelarm gegeneinander versetzt. Die stabilisierende Wirkung eines Rades hängt von seinem Massenträgheitsmoment ab. Dieses ist für jedes Teilchen dessen Masse multipliziert mit dem Quadrat des Abstands von der Rotationsachse, und diese Beiträge werden über alle Teilchen addiert. Deswegen stabilisiert ein Rad besser, wenn es groß ist und vor allem außen viel Masse hat. Deswegen brauchen Fahrräder und Motorräder so große Räder, und Motorroller, bei denen dies missachtet wurde, fahren viel instabiler und kippliger als Motorräder. Eine weitere Rolle spielt der Vorlauf, das ist am Vorderrad der Abstand zwischen dem Bodenberührungspunkt und dem Schnittpunkt der Gabel-Achse mit der Straße. Der Vorlauf gibt der Reaktionskraft der Straße einen Hebelarm um die Gabelachse und sorgt so für einen Lenkereinschlag, der dem Kippen des Zweirades mit Fliehkräften entgegen wirkt.
Ich rate dringend davon ab, sich beim Fahrradfahren oder Motorradfahren über diese komplizierten Sachverhalte den Kopf zu zerbrechen. Man muss das instinktiv beherrschen ohne zu verstehen wie es funktioniert.
Das rollende Fahrrad fällt vor allem dann nicht um, wenn einer draufsitzt und dauernd korrigierend eingreift (lenkt, Gewicht verlagert).
Bei gut konstruierten Fahrrädern kriegt man es auch hin, dass man es ohne Fahrer eine zeitlang auf ebener Unterlage gradaus fahren lassen kann, ohne dass es umfällt.
Durch die Schräge der Gabel lenkt es sich selber in jene Richtung, in die es umfallen möchte. Dadurch geht der Schwerpunkt wieder zwischen die Räder, womit es nicht umfallen kann. Ein Aufrichten aber ist eher unwahrscheinliche. Im Endeffekt wird es dann in eine Kreis- oder Spiralfahrt gezwungen.
Ein weiterer Effekt ist die Drehimpulserhaltung durch die Rotation der Räder.
Wenn die Drehachse ihre Lage ändern will, "wehrt" sich das drehende Rad dagegen (Basis ist die "Rotationsträgheit", die auch bei den ältesten Navigationssystemen für Schiffe, Flugzeuge oder sogar Kriegsraketen, im Gyroskop, eingesetzt wird).
Gravitation wäre eher der Grund weshalb man ein Umkippen des Fahrrades erwarten würde ;)
Das Geheimnis ist Trägheit - ein Körper erhält seinen aktuellen Bewegungszustand aufrecht, soweit keine äußere Kraft was anderes bewirkt. In diesem Fall ist es Rotationsträgheit: Ein sich drehendes Objekt will Drehung und Drehrichtung aufrecht erhalten. Und dazu gehört eben auch, dass ein Rad, das aufrecht steht und sich in Drehung befindet, diese Drehung in aufrechter Position aufrecht erhalten will.
Stichwort Kreiselkräfte bzw. Gyroskopischer Effekt.