Welttag des Radfahrens – Das Geheimnis der Balance kleiner Räder: Sie brauchen nur Kraft und sich selbst, damit das Fahrrad reibungslos läuft

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Star Team (Young Scholars)

Hersteller: China Science Expo

Der 17. September ist der „Weltfahrradtag“, der die Menschen dazu ermutigen soll, häufiger Fahrrad zu fahren und sich für umweltfreundliche Fortbewegungsmittel einzusetzen. Als grünes und umweltfreundliches Fortbewegungsmittel ist das Fahrrad seit langem tief in den Herzen der Menschen verwurzelt und für viele sogar ein unverzichtbares Hilfsmittel für die täglichen Fahrten. Allerdings ist dieses weit verbreitete Transportmittel eigentlich wie ein Zauberer, der Zauber wirken kann. Wenn wir auf einem Fahrrad sitzen und kräftig in die Pedale treten, halten wir auf wundersame Weise das Gleichgewicht – obwohl das Fahrrad nur zwei Räder nahe beieinander hat. Wenn wir anhalten, wackelt das Fahrrad, aber sobald wir losfahren, scheint es, als ob uns eine unsichtbare Kraft unterstützt.

Welche mysteriöse Kraft ermöglicht es Fahrrädern, auf diese Weise zu funktionieren? Wie können wir uns auf zwei Rädern sicher vorwärts bewegen, anstatt hin und her zu schwanken?

Gleiten oder reiten? Die Entwicklung des Fahrrads

Dies beginnt mit der Geschichte des Fahrrads. Die Geschichte der Fahrradentwicklung kann als eine einzigartige Designentwicklung betrachtet werden, die vom Streben nach Stabilität, Effizienz und Komfort geprägt war. Das erste Fahrrad wurde im frühen 19. Jahrhundert in Europa erfunden. Damals konnte man bei Fahrrädern nicht in die Pedale treten und sie nur mit den Füßen anschieben, sodass sie eher wie Gleitgeräte wirkten. Darüber hinaus ist diese Konstruktion nicht sehr stabil und neigt zum Umkippen .

Das ursprüngliche Fahrrad war eher ein Schiebewerkzeug

(Bildquelle: Wikipedia)

So entstand das „Hochradfahrzeug“. Seine Merkmale sind, dass das Vorderrad sehr groß und das Hinterrad besonders klein ist . Die großen Räder erleichtern das Überwinden von Hindernissen auf der Straße und sorgen für mehr Stabilität . Allerdings muss der Fahrer in einer hohen Position sitzen, was das Risiko beim Fahren erhöht . Bald darauf entwickelten clevere Designer den Fahrradtyp, den wir heute kennen: zwei gleich große Räder, in deren Mitte der Fahrer sitzt. Diese Konstruktion erhöht die Stabilität und Sicherheit von Fahrrädern und legt den Grundstein für die schnelle Verbreitung von Fahrrädern.

Ein Hochrad, gekennzeichnet durch ein extra großes Vorderrad

(Fotoquelle: Offizielle Website des Skoda-Museums)

Das erste moderne Fahrrad, damals Sicherheitsfahrrad genannt, wurde 1885 von John Starley entworfen.

(Bildquelle: offizielle Website von cyclingindependent)

Die geheimnisvolle Kraft, die ein Fahrrad im Gleichgewicht hält

Wenn wir Fahrrad fahren, fühlt es sich an, als würde eine unsichtbare Kraft das Fahrrad im Gleichgewicht halten. Was ist das für eine Macht?

Beginnen wir mit Newtons erstem Bewegungsgesetz, dem Trägheitsgesetz, um zu erklären, warum wir beim Fahrradfahren das Gleichgewicht halten können .

Einfach ausgedrückt: Sobald ein Fahrrad eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht hat, versucht es, die Vorwärtsbewegung beizubehalten . Auch wenn Sie aufhören zu treten, bewegt sich das Fahrrad aufgrund der Trägheit der Räder und des Fahrrads selbst noch eine gewisse Strecke weiter.

Sofern keine äußeren Kräfte eingreifen (wie z. B. Kurvenfahren, Bremsen oder Kampf gegen den Wind), versucht das Fahrrad immer, sich geradeaus vorwärts zu bewegen. Dies erklärt, warum es einfacher ist, mit einem Fahrrad auf einer ebenen Straße mit gleichmäßiger Geschwindigkeit zu fahren, als anzufahren, anzuhalten oder abzubiegen.

Wir erleben in unserem Leben oft die Existenz des Trägheitsgesetzes. Wenn beispielsweise ein Bus bremst, neigt sich unser Körper aufgrund des Trägheitsgesetzes nach vorne.

Handläufe an Bussen verhindern, dass Fahrgäste durch die Trägheit beim Bremsen stürzen.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Das Trägheitsgesetz kann jedoch nur erklären, warum ein Fahrrad seine Richtung beibehalten kann, es kann jedoch nicht erklären, warum ein Fahrrad nicht nach links oder rechts fällt. Hierzu ist der Drehimpulserhaltungssatz erforderlich, der einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Balance des Fahrrads hat.

Bei der Konstruktion eines Fahrrads entsteht durch die Drehung der Reifen zwangsläufig ein Drehimpuls . Gemäß dem Gesetz der Drehimpulserhaltung bleibt der Gesamtdrehimpuls des Systems unverändert, sofern kein äußeres Drehmoment darauf einwirkt . Der Drehimpuls ist eine physikalische Größe, die mit der Richtung zusammenhängt. Um die Rotationsrichtung des Objekts zu erhalten, darf sie sich nicht ändern. Daher versucht ein sich schnell drehendes Rad, seine Rotationsebene stabil zu halten. Dies ist der berühmte „Kreiseleffekt“. Dies erklärt auch, warum ein Fahrrad in Fahrposition, insbesondere wenn sich die Reifen schneller drehen, weniger leicht umkippt und stabiler ist.

Ein weiteres typisches Beispiel ist der Spielzeugkreisel. Wenn das Gyroskop ausreichend Geschwindigkeit erreicht hat, kann es sich weiterdrehen, ohne umzufallen. Dies liegt daran, dass die Achse des Gyroskops einen Drehimpuls besitzt, der eine Änderung der Drehachse des Gyroskops verhindert . Einige Leser haben vielleicht schon mit Fidget Spinnern gespielt. Sobald der Fidget Spinner anfängt, sich zu drehen, spüren wir deutlich einen Widerstand, wenn wir versuchen, seine Rotationsebene zu ändern. Diese Kraft ist der Drehimpuls des Fidget Spinners.

Gyroskop in Rotation

Wenn das Gyroskop geschlagen wird und einen Drehimpuls erhält, kann es sich weiterdrehen, ohne umzufallen.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Perfekte Abstimmung zwischen Mensch und Kraft im Radsport

Nachdem wir die beiden physikalischen Prinzipien Trägheit und Drehimpuls vorgestellt haben, können die Leser nun besser verstehen, was Fahrradfahren bedeutet. Während die Physik eine Schlüsselrolle für die Stabilität eines Fahrrads spielt, spielt auch der Fahrer eine wichtige Rolle.

Das Gewicht des Fahrers, seine Körperhaltung und die Kraftverteilung bestimmen zusammen die Gesamtstabilität des Fahrrads. Stellen Sie sich vor, wie Sie reagieren würden, wenn Ihr Fahrrad auf einer holprigen Straße zu wackeln beginnt? Möglicherweise lehnen Sie sich unwillkürlich in die entgegengesetzte Richtung, um der Kraft entgegenzuwirken und das Fahrrad wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Dies bedeutet, dass der Fahrer das dynamische Gleichgewicht des Fahrrads genau spüren und dann seinen Körper oder seine Richtung der Situation entsprechend anpassen muss, um die Stabilität zu wahren .

Zwar gibt es physikalische Prinzipien, die das Gleichgewicht eines Fahrrads gewährleisten, dennoch erfordert reibungsloses und schnelles Fahrradfahren ein gewisses Maß an Training und Geschick.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Abschluss

Generell ist die Stabilität eines Fahrrads nicht nur die Anwendung physikalischer Lehrsätze, sondern auch Ausdruck der Fähigkeiten des Fahrers. Wenn Sie einen Radfahrer auf seinem Fahrrad rasen sehen, werden Sie in Wirklichkeit Zeuge eines wunderbaren Dialogs zwischen den Menschen und den Naturgesetzen. Die Szene ist sowohl ein anschauliches Beispiel des Kreiseleffekts als auch eine Darstellung der präzise koordinierten Bewegungen des menschlichen Körpers.