Wir haben eine Reihe von Artikeln zum genauen Thema dieser Diskussion, die jedoch etwas enger definiert sind. Das heißt, wie und warum kann sich ein Fahrrad selbst ausbalancieren?

Kurz gesagt, wie balanciert sich ein fahrendes Fahrrad selbst aus? Aus einer Vielzahl komplizierter Gründe lenkt es in die gleiche Richtung, in die es fällt. Und wenn Sie die schlampige informelle Physiksprache entschuldigen wollen, schieben Sie sie aufgrund des resultierenden gekrümmten Pfades, der Zentrifugalkräfte, aufrecht zurück. Welche komplizierten Gründe? Teilweise vom Trail (oder von Rolleneffekten), teilweise vom Drehimpuls der sich drehenden Räder und teilweise von anderen Effekten im Zusammenhang mit Geometrie und Massenverteilung. Es gibt jedoch keinen einzigen einzigen notwendigen Mechanismus, den wir kennen. Zum Beispiel zeigt unser Artikel im Science Magazine, dass ein Fahrrad ohne Lenkrolle (ohne Spur) und ohne Drehimpuls der Vorderräder selbststabil sein kann.

Wir haben mehrere Artikel und Belege verfasst . Und wir haben in diesen eine ziemlich erschöpfende Berichterstattung über die Literatur. Wenn Sie also wissen möchten, was wir denken, was andere gedacht haben und was wir über das denken, was sie gedacht haben, ist alles da. Ich glaube nicht, dass Sie eine wichtige Referenz kennen, die wir nicht überprüft und beschrieben haben. Sie können mit meiner Webseite http://ruina.tam.cornell.edu (oder Google Ruina Bike oder Google Schwabb Bike) beginnen.

Die Website enthält Fotos und Videos, einschließlich einfacher Erklärungen einiger dieser Dinge.

Die überraschende Antwort ist, dass die Stabilität des modernen Fahrrads wenig oder gar nichts mit Zentrifugalkraft oder Gyroskopen oder Ähnlichem zu tun hat. Suchen Sie bei Google nach "Fahrradstabilität". Experimente zeigen, dass der Neigungswinkel der Vordergabel sehr wichtig ist, z. Wenn die Gabel nach hinten zeigt, ist es sehr schwierig, bei jeder Geschwindigkeit aufrecht zu bleiben.

Bei höheren Geschwindigkeiten bewegt eine sehr leichte Drehung der Griffe das Fahrrad schneller unter den Schwerpunkt des Fahrers, so dass die Dynamik Stabilität wird verbessert. Wie üblich korrigiert das Experiment hier die Theorie.

Siehe die Antwort von Tristan unter Hilft das Lehnen (Bankwesen) beim Einschalten eines Fahrrads? für eine noch bessere Antwort

Siehe den Kommentar von Nibot unten für einen Verweis auf einen tatsächlichen endgültigen Artikel.

Heute erschien in Science ein Bericht, der genau diese Frage behandelt: Kooijman et al., Science 332 (6027): 339-342 , " Ein Fahrrad kann ohne Kreisel- oder Nachlaufeffekte selbststabil sein."

Die Zusammenfassung lautet:

Ein fahrerloses Fahrrad kann sich automatisch lenken, um sich von Stürzen zu erholen. Die allgemeine Ansicht ist, dass diese Selbstlenkung durch die gyroskopische Präzession des Vorderrads oder durch den Radkontakt verursacht wird, der wie ein Nachlauf hinter der Lenkachse nachläuft. Wir zeigen, dass keiner der beiden Effekte für die Selbststabilität notwendig ist. Unter Verwendung linearisierter Stabilitätsberechnungen als Leitfaden haben wir ein Fahrrad mit zusätzlichen gegenläufigen Rädern (die den Drehimpuls der Raddrehung aufheben) und einem Bodenkontakt des Vorderrads vor der Lenkachse (wodurch der Nachlauf negativ wird) gebaut. Wenn dieses Fahrrad seitlich vom geraden Rollen gestört wird, kehrt es automatisch zum aufrechten Fahren zurück. Unsere Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Entwurfsvariablen, wie die Position der vorderen Masse und die Neigung der Lenkachse, auf komplexe Weise zur Stabilität beitragen.

In ScienceNOW gibt es auch einen Klappentext das Sie ohne Abonnement lesen können.

Hier ist ein frei lesbarer Preprint.

Es tut mir leid, aber die Art und Weise, wie dieses Thema in der folgenden Diskussion behandelt wird, ist ein vollständiges und peinliches Durcheinander. Einige der folgenden Antworten sind völliger Unsinn, und die mit Abstand kompetenteste Antwort (von Andy Ruina) weist eine der niedrigeren Bewertungen auf, wobei die Antwort mit der höchsten Punktzahl größtenteils falsch ist.

Erstens ist die direkte Antwort auf die ursprüngliche Frage der schwächende Effekt der Stabilisierung des Drehimpulses bei abnehmenden Geschwindigkeiten, und zu dieser Frage muss nichts mehr gesagt werden.

Zweitens wird die allgemeinere Frage, was ein Fahrrad stabilisiert, am gründlichsten durch das Material auf der Website von Andy Ruina beantwortet (der zugegebenermaßen mit seinem Beitrag zu spät gekommen ist). Kurz gesagt, dies ist ein nicht triviales Thema, aber eine strenge Analyse ist mit einigem Aufwand möglich, und diese Analyse wurde vor allem von Ruinas Gruppe in Cornell durchgeführt. Ihre Stabilitätsanalyse zeigt deutlich die Auswirkung einer Reihe von Faktoren der Fahrradgeometrie. Und natürlich spielen auch Lenkwinkel und Rechen sowie andere Faktoren eine Rolle.

Ich stelle fest, dass Ruina sogar eine Software ( JBike6) bereitstellt, mit der Menschen solche Stabilitätsanalysen selbst durchführen können. Hier ist ein Beispiel für die Ausgabe:

Wir können deutlich sehen, wie einer der Eigenwerte in den instabilen Bereich übergeht, wenn die Fahrradgeschwindigkeit verringert wird. In diesem Fall wird das Fahrrad bei einer "Webgeschwindigkeit" von etwa 5,3 $, \ mbox {m / s} $ instabil.

Im Allgemeinen sind verschiedene Instabilitätsmodi möglich. Beispielsweise können zusätzliche Instabilitätsmodalitäten auftreten, wenn ein Fahrer das Fahrrad steuert. Beispielsweise treten bei bestimmten Rennrädern auch Hochgeschwindigkeits -Instabilitäten (das sogenannte "Hochgeschwindigkeits-Wackeln") auf, die auf die Interaktion des Fahrers mit dem Fahrrad zurückzuführen sind. In diesem Fall ist die Rahmenflexibilität ein wichtiger Faktor. Eines meiner Rennräder tat dies bei Geschwindigkeiten über etwa $ 40 \, \ mbox {mph} $. Kein Spaß ...

Wenn Sie auf Stelzen oder Schlittschuhen laufen, balancieren Sie nicht, indem Sie sehr vorsichtig sind. Sie balancieren nicht einmal. Sie sind ständig aus dem Gleichgewicht geraten und bewegen Ihren Stützpunkt weiter, sodass Sie Ihren Sturz in eine Richtung stoppen und in eine andere Richtung fallen.

Wenn Sie eingeschaltet sind Wenn sich ein Fahrrad sehr langsam bewegt, tun Sie dasselbe. Sie bewegen Ihren Stützpunkt weiter nach links oder rechts, um Ihren Sturz in diese Richtung aufzuhalten. Wenn Sie sich langsam bewegen, ist mehr Lenkbewegung erforderlich, um dies zu erreichen, sodass Sie "wackeln" Bei höheren Geschwindigkeiten ist weniger Lenkbewegung erforderlich, um dies zu erreichen. Dies funktioniert auch ohne Kreiselpräzession, Nachlauf oder Spanwinkel. Beobachten Sie einfach einen Roller mit winzigen Rädern, ein Skirad oder ein Einrad.

Jetzt den Spanwinkel einwerfen. Durch Drehen des Lenkers nach rechts wird der Stützpunkt nach links verschoben, auch wenn Sie sich sehr langsam bewegen, sodass dies hilfreich ist.

Jetzt Wechseln Sie zu einem Hochgeschwindigkeitsmotorrad mit einem schönen, schweren, gyroskopischen Vorderrad. Wenn es mit einer guten Geschwindigkeit fährt, funktioniert das Ding, egal was die Leute sagen, und seine Präzession geht in Ex Tatsächlich der richtige Weg, um die Stabilität kraftvoll aufrechtzuerhalten.

Es handelt sich also nicht um ein Alles-oder-Nichts-Geschäft mit einer einzigen Erklärung.

Quelle

Wichtige Teile, auf die bei einem Verbindungsfehler zugegriffen werden kann:

Ein Fahrrad bleibt aufrecht, auch wenn der Benutzer seine Hände vom Lenker nimmt und so seine Lenkfähigkeit aufgibt. Tatsächlich braucht ein Fahrrad überhaupt keinen Fahrer: Fahrräder balancieren perfekt, ohne dass jemand darauf sitzt, vorausgesetzt, sie bewegen sich schnell genug (irgendwo zwischen acht und 13 Meilen pro Stunde - eine entspannte Geschwindigkeit).

Eine zweite Erklärung könnte für diejenigen in den Sinn kommen, die etwas Physik an der High School gelernt haben: Die sich drehenden Räder verhindern, dass das Fahrrad herunterfällt.

Rotierende Objekte wie die Räder eines Fahrrads sind stabil und je schneller sie sich drehen, desto stabiler werden sie. Dieser Kreiseleffekt, wie Physiker ihn bezeichnen, erklärt, warum sich Tops und Yo-Yos so verhalten, wie sie es tun.

Dies erklärt jedoch nicht die Stabilität des Fahrrads. Fahrradräder sind ziemlich leicht und erzeugen nicht genug Trägheit, um selbst eine leichte Neigung zu überwinden. Während ein Fahrrad ohne Fahrer stabil bleiben kann, ist dies nur möglich, wenn Sie vorwärts fahren. Schieben Sie es mit ähnlichen Geschwindigkeiten nach hinten und es fällt schnell um. Wenn der Kreiseleffekt ein wesentlicher Faktor wäre, würde dies wahrscheinlich nicht passieren.

Um sicherzustellen, dass dieser Effekt nicht erforderlich war, baute eine Gruppe der Cornell University ein Fahrrad mit zwei zusätzlichen Rädern. Diese berührten den Boden nicht. Sie drehten sich lediglich in die entgegengesetzte Richtung der Hauptfahrradräder und eliminierten jegliche Kreiseleffekte.

Dieses nicht-gyroskopische Fahrrad, das eher einem Roller ähnelt, blieb selbststabil. Sobald das Fahrrad in Bewegung war, schoben die Experimentatoren es zur Seite, um es umzuwerfen. Sie konnten nicht; Das Fahrrad hat sich selbst korrigiert.

Teilweise durch diese Forschung haben Physiker eine Erklärung dafür gefunden, warum Fahrräder nicht umkippen: Sie drehen sich immer in die Richtung, in die sie fallen.Wenn sich das Fahrrad zur Seite neigt, dreht sich das Vorderrad in dieselbe Richtung, wodurch ein Umfallen des Fahrrads verhindert wird.Dies kann überprüft werden, indem der Lenker verriegelt wird, damit sich das Fahrrad nicht drehen kann.Wenn Sie dies tun und das Fahrrad schieben, fällt es um. OK, diese Selbststabilität hat also damit zu tun, wie sich das Fahrrad in die Richtung dreht, in die es fällt.Aber warum macht es das?

Hier wird es wirklich kompliziert.Anstelle einer einfachen Erklärung haben Wissenschaftler eine Formel entwickelt, die bestimmt, ob ein Fahrraddesign dieses wesentliche Merkmal aufweist oder nicht.Soweit es getestet wurde, funktioniert die Formel.Leider handelt es sich nicht um eine einfache Gleichung mit zwei oder drei Variablen: Für eine Vorhersage sind 25 verschiedene Eigenschaften des Fahrrads erforderlich.

Das Grundkonzept (zumindest, wie ich es gehört habe) ist der Drehimpuls. Wenn sich ein Fahrradrad dreht, hat es einen Drehimpuls proportional zu seiner Drehzahl, der mit der Rotationsebene des Rads verbunden ist. Dadurch verhält es sich im Grunde genommen wie ein Gyroskop: Es "widersteht" jeder Änderung des Betrags oder der Richtung dieses Drehimpulses in dem gleichen Sinne, wie die Masse jeder Änderung des Betrags oder der Richtung ihrer Geschwindigkeit "widersteht". Dies verlangsamt im Grunde das Kippen des Fahrrads bis zu dem Punkt, an dem Sie es verhindern können, indem Sie auf das gegenüberliegende Pedal treten.

Die Antwort lautet "Zentrifugalkraft"

Je größer Ihre Geschwindigkeit ist, desto größer ist auch diese Kraft.

Wenn Sie nach links lenken, können Sie die Neigung Ihres Fahrrads erhöhen linke Seite. Und die Kreiselkraft lässt Sie nicht fallen (wenn Ihr Lenkwinkel am Ende des Fahrrads konstant ist, entsteht ein Kreis). Wenn Sie dann Ihr Fahrrad mehr nach links lenken lassen, kehrt Ihr Fahrrad zum Gleichgewicht zurück, weil Sie diese Kraft erhöhen (dies ergibt sich aus der Gleichung).

Wenn Ihre Geschwindigkeit kleiner ist, ist die Kreiselkraft kleiner und das Fahrrad ist schwerer zu lenken Sie können leichter fallen.

oneat ist richtig (ich hätte kommentiert, aber ich denke, ich werde mehr Platz benötigen)

Stellen Sie sich einen Vektor (Linie) vor, der an Ihrem Schwerpunkt beginnt. Die Linie repräsentiert alle auf Sie einwirkenden Kräfte. Wenn Sie still stehen, ist die Richtung der Linie gerade nach unten (die Schwerkraft ist die einzige Kraft, die vorhanden ist).

Um nicht über Stillstand auf einem Fahrrad zu fallen, müssen Sie den Punkt beibehalten, an dem die Linie liegt schneidet den Boden (nennen wir es Punkt A ) zwischen den beiden Rädern des Fahrrads. Wenn Sie dies nicht tun, werden Sie umkippen.

Wenn Sie still stehen, können Sie diesen Punkt nur beeinflussen, indem Sie Ihren Schwerpunkt verschieben, indem Sie Ihr Gewicht verlagern.

Nehmen wir jetzt an, Sie ziehen um. Wenn Sie sich in einer geraden Linie mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, ist alles gleich. Die einzige Kraft, die auf Sie wirkt, ist die Schwerkraft. Wenn Sie jedoch die Richtung ändern, erhalten Sie eine Zentrifugalkraft (wie auf einen Punkt hingewiesen), genau wie bei einer scharfen Kurve in einem Auto, das sich mit Geschwindigkeit bewegt. Der Wert dieser Kraft ist proportional zu Ihrer Geschwindigkeit, Ihrem Gewicht und der Geschwindigkeit der Drehung.

Diese Zentrifugalkraft wird zur Schwerkraft addiert und ändert die Richtung der resultierenden Kraft, die auf Sie wirkt.

Erinnerst du dich an Punkt A ? Wenn Sie mit Ihrem Fahrrad fahren und es sich nach rechts neigt, bewegt sich Punkt A nach rechts und das Fahrrad neigt sich noch mehr und so weiter. Aber Sie wissen instinktiv, dass Sie Ihr Fahrrad nach rechts drehen müssen. Dies führt dazu, dass eine nach links zeigende Zentrifugalkraft auftritt. Wenn sich der Punkt A noch zwischen Ihren Rädern befindet, geht es Ihnen gut.

Wenn Sie sich langsam bewegen, ist die Zentrifugalkraft gering, sodass Sie die Kurve schärfer ausführen müssen kompensieren. Wenn Sie sich schnell bewegen, müssen Sie Ihr Fahrrad möglicherweise nur ein wenig anstupsen, um dies auszugleichen.

Es wird hier hier näher erläutert. (Ich dachte tatsächlich daran, es erst nach dem Schreiben dieser Antwort in Wikipedia nachzuschlagen. Ich habe jetzt keine Zeit, den Artikel zu lesen, hoffentlich irre ich mich nicht zu sehr.)

Die Antwort wird durch Inspektion offensichtlich. Leider untersuchen die Forscher das Untersuchungsobjekt nicht, sondern erstellen mathematische Modelle mit Annahmen, die das Ergebnis bestimmen. Die häufigste Annahme ist die Zentrifugalkraft, die von der Fahrradlenkung in Wechselbögen angetrieben wird. Dann gibt es die völlige Arroganz von Physikern, die die Reifenkräfte nicht untersuchen. Es ist ein technisches Problem und die Physik kann es nicht beantworten. Wenn ein Fahrrad kippt, wird an beiden Reifen eine seitliche Sturzkraft erzeugt, die das Fahrrad in den Sturz drückt. Diese Seitwärtsbewegung addiert sich zur Vorwärtsbewegung und ergibt einen Richtungsvektor, der zur Kippseite geneigt ist. Wenn die Ebene eines Rades nicht mit der Fahrtrichtung ausgerichtet ist, entsteht ein Schlupfwinkel und eine daraus resultierende Kraft. Die Schlupfwinkelkräfte wirken den Sturzkräften entgegen, aber am Vorderreifen lenkt die Schlupfwinkelkraft das Rad über die Spur mit dem Richtungsvektor in Ausrichtung. Dadurch kann die Sturzkraft das vordere Ende in Richtung Sturz drücken, während das Hinterrad zwischen Sturz- und Schlupfwinkelkraft eingeklemmt wird. Diese Kräfte bleiben bestehen, bis die Räder mit der Fahrtrichtung ausgerichtet sind. Mit zunehmender Geschwindigkeit werden die Schlupfwinkel kleiner und weniger wichtig, da das Fahrrad ohne Lenkung aufrecht bleibt und nur durch Sturz unterstützt wird.