Jesteś tutaj

Trochę więcej o stabilności roweru

  • rower
    rower

Ostatnio próbowaliśmy Was przekonać, że stabilności roweru nie można wytłumaczyć tylko poprzez balansowanie ciałem rowerzysty lub tylko poprzez efekt żyroskopowy. Ewidentnie musi być „coś więcej”. „Coś” co sprawia, że nie zastanawiając się zbytnio, możemy na dwóch kółkach jechać tak długo, jak tylko chcemy, w zasadzie z dowolną prędkością.

Poszukiwania tego tajemniczego „czegoś” rozpoczęły się mniej więcej 40 lat temu. Właśnie wtedy pan David Jones (czyżbyśmy już gdzieś słyszeli to nazwisko?) zadał sobie proste pytanie: Dlaczego we wszystkich współczesnych rowerach oś skrętu kierownicy jest lekko pochylona w kierunku rowerzysty? Co więcej: Dlaczego większość rowerów ma nieco wygięty widelec, na którym zamocowane jest przednie koło? Jest li to przypadek, wynika z wygody, czy też ma jakieś głębsze znaczenie? Jako, że pan Jones był fizykiem doświadczalnym, postanowił sprawdzić (na sobie), czy lekka modyfikacja układu kierowniczego wpłynie na stabilność roweru. Zbudował w tym celu dwa ciekawe rowery przedstawione poniżej (zwracamy uwagę na modny sweterek):

Foto: D. E. H. Jones, Phys. Today, April 1970 p. 34-40.

W jednym z nich widelec został odwrócony o 180 stopni, a w drugim zamontowano dodatkową poprzeczkę, która powodowała większe niż zazwyczaj wysunięcie przedniego koła w kierunku jazdy.

Prosty zabieg odwrócenia widelca spowodował nieoczekiwane zwiększenie stabilności. Taki rower nie tylko posiadał znacznie większą stabilność własną (puszczony swobodnie utrzymywał równowagę przez dziesiątki metrów nawet na nierównym terenie), ale również z łatwością można na nim było jechać bez trzymanki zbytnio nie zastanawiając nad odpowiednim balansowaniem. Był jednak jeden problem. Rower taki okazał się na tyle stabilny, że trudno nim było wykonać jakikolwiek skręt.

Zupełnie inaczej sytuacja przedstawia się dla roweru na drugim zdjęciu. Tak zmodyfikowany rower w ogóle nie posiadał stabilności własnej, natomiast jazda na nim została przez pana Jonesa określona jako “niepewna” (ang. dodgy). Utrzymanie stabilności było możliwe, ale wymagało od rowerzysty ciągłego skupienia i uwagi.

Wyżej opisane doświadczenie okazało się przełomowe w zrozumieniu fizyki roweru. Wynikało z niego bowiem, że to, co w rowerze jest niezwykle istotne, to geometria układu kierowniczego.

O co chodzi z tą geometrią?

Przyjrzyjmy się geometrii układu kierownica – przednie koło dla typowego roweru:

Jeżeli przedłużymy sobie oś skrętu kierownicy, okaże się, że zawsze przetnie ona podłoże w punkcie znajdującym się PRZED punktem styku przedniego koła z ziemią. Jeżeli nie wierzycie, a macie rower, to koniecznie zaopatrzcie się w jakiś sznurek i sprawdźcie sami. Odległość pomiędzy punktem przecięcia osi skrętu kierownicy a punktem styku koła z podłożem nazywana jest śladem (ang. trail). Jest ona zazwyczaj niewielka i wynosi kilka centymetrów, zawsze jednak jest niezerowa. Dodatkowo w klasycznych rozwiązaniach widelec jest nieco wygięty i oś skrętu kierownicy przechodzi pod osią koła.

Po co to wszystko? Ano po to, żeby rower sam się prostował. Dzięki takiej geometrii pochylenie całego roweru na przykład w prawo powoduje automatyczny skręt przedniego koła w tę samą stronę, czyli również w prawo. To też koniecznie sprawdźcie sami. Jeżeli rower posiada jakąś prędkość, to skręt w prawo powoduje, że zaczyna się on poruszać po łuku i powstaje siła odśrodkowa skierowana w lewo, która jest siłą prostującą cały rower!

Wyjaśnia to dlaczego rowery pana Jonesa zachowywały się tak dziwnie. Rower z przewróconym widelcem miał oś skrętu kierownicy przecinającą podłoże daleko przed punktem styczności przedniego koła z ziemią. Korzystna geometria została zatem „podrasowana”, ślad wydłużył się i rower był stabilniejszy. Niestety odbiło się to na jego sterowności. Rower z dodatkową poprzeczką miał natomiast odwróconą geometrię, „ujemny” ślad, co powodowało, że przy pochyleniu roweru kierownica wraz z przednim kołem nie skręcała tak chętnie, a to skutkowało utratą stabilności własnej i poważnymi trudnościami w jeździe.

Jeżeli kogoś kręcą powyższe rozważania geometryczne, polecamy komentarze pod fiztaszkiem „Dlaczego rower trzyma pion?” napisane przez pana Tomasza Truszczyńskiego oraz Rav Rurarza. Ekipa Fiztaszków podpisuje się pod nimi wszystkimi dwunastoma dłońmi :)

Czyżbyśmy odkryli tajemnicę roweru?

Jak to zwykle w życiu bywa: tak i nie. Fizycy obecnie są zgodni, że długość śladu (ang. trail) jest jednym z najważniejszych parametrów roweru, który odpowiedzialny jest za jego stabilność. Ale nie jedynym. Istotnymi okazują się również kąt pochylenia osi układu kierowniczego, sposób wygięcia widelca, rozmiary kół, wartość momentu bezwładności kierownicy oraz umiejscowienie środka ciężkości rowerzysty względem kół. A balansowanie ciałem i efekt żyroskopowy? Też oczywiście dokładają swój udział do całości, choć przy umiarkowanych prędkościach roweru nie są to aktorzy pierwszoplanowi.

Jak zatem widzimy, rower jest całkiem skomplikowanym i ciekawym układem fizycznym. Nie dajcie sobie zatem nigdy wmówić, że efekt żyroskopowy „wszystko” w nim wyjaśnia. Obecnie na świecie istnieją grupy badawcze złożone z teoretyków i fizyków doświadczalnych, które zajmują się tylko fizyką roweru. Jeżeli ktoś chce, może nawet z tej tematyki napisać pracę magisterską (J.D.G. Kooijman, Experimental validation of a model for the motion of an uncontrolled bicycle, MSc Thesis, Delft 2006), ale… niestety nie w Polsce. U nas cały czas takie problemy fizyczne uznawane są za śmieszne, błahe i niegodne „poważnych fizyków”.

Więcej do poczytania:

Tagi: 
ruchrower
  • Obrazek użytkownika krupinski
    O autorze:

    Michał Krupiński

    Redaktor naczelny fiztaszki.pl, kierownik Fiztasz Research Center
    Fiztaszkowiec doświadczalny. Na co dzień nanosi cienkie warstwy metali na wszystko co popadnie. Po godzinach pasjami oddaje się eksperymentom kawiarniano-kuchennym.

Komentarze

Obrazek użytkownika Wysoki Niski

Trafiłem na tę stronę z polecenia, chyba przeczytałem o Was w gazecie. Byłen pełen nadziei i po przeczytaniu pierwszego artykułu... nie zawiodłem się. Robicie dobre gówno- tak trzymać. Mykam czytać następne artykuły :)

Obrazek użytkownika piotrowski

Liczymy, że jeszcze wrócisz, będziemy starali dostarczać się coraz "lepsze gówno" ;]

Obrazek użytkownika Harnas

Chyba są pomylone kolejności zdjęć:
"Zupełnie inaczej sytuacja przedstawia się dla roweru na drugim zdjęciu. Tak zmodyfikowany rower w ogóle nie posiadał stabilności własnej"
Przecież drugie zdjęcie przedstawia konstrukcję zbliżoną do normalnego roweru i zgodnie dalszym opisem poprawia stabilność roweru.

Obrazek użytkownika Patison

Kolejność zdjęć jest jak najbardziej w porzadku. Chyba musi Pan przeczytać tekst jeszcze raz, bo z dalszej jego części jasno wynika dla czego tak jest.

Dodaj komentarz