Hvorfor falder cyklen ikke om, når du kører – de vigtigste grunde

I slutningen af det 19. århundrede, da cykler blev taget i brug, skulle man have et kørekort til dem. Der blev nedsat et velrenommeret udvalg, som skulle undervise i teori og praksis om kørsel og udstede nummerplader. Ingen fik lov til at udlevere køretøjet. Grunden til forsigtighed blev forklaret med den øgede risiko ved kørsel på tohjulet køretøj. En almindelig person kan ikke forstå, hvorfor en cykel ikke vælter, når den kører. Overraskende nok kan selv fysikere, der studerer hjulbaserede systemers funktion, ikke give et entydigt svar på dette enkle spørgsmål.

Teoretiske analyser og fysikforsøg har vist, at gyroskopisk momentum og positiv gaffelafstand ikke er tilstrækkeligt til at sikre stabiliteten på en cykel. Ud over kontrolleret styring er der også automatisk styring. Desuden spiller belastningsfordelingen en vigtig rolle for at opretholde balancen. Som du kan se, bliver der stadig opdaget og udviklet nye kvaliteter i cyklens ret lange levetid.

Hvorfor en cykel ikke falder om, når den kører

For at forklare den lette opgave bruges ofte en metafor: “Det er lige så elementært som at cykle”. Man skal faktisk sørge for, at transportmidlerne ikke falder ned. I begyndelsen troede man, at cyklen kørte på bekostning af cyklisten. En person fornemmer strukturens hældning, drejer styret en smule i faldets retning og udligner kørslen. Men ved høj hastighed bliver cyklen mere stabil og falder ikke, selv når styret slippes. Senere blev der fremsat hypoteser om forhjulets gyroskopiske virkning og styringen. Men det viste sig, at ustyrede cykler og robotcyklister heller ikke falder.

Hovedspørgsmålet om årsagen til stabilitet er: Hvad forårsager det passende forhold mellem lean og turn? Der er en generelt accepteret opfattelse: effekten opstår som følge af roterende (gyroskopisk) drejningsmoment og positiv gaffeludstrækning. Den stabiliserende virkning af forhjulet og centrifugalkraften, som skyldes bevægelsens afbøjning fra et lige spor, er nødvendige faktorer for cyklens balance.

Ud fra et fysisk synspunkt

Forskere har fundet frem til det mønster, der holder tohjulede motorcykler stabile. Forgaflen er i centrum. Arrangementet indebærer en hældning af styrets aksel i forhold til jorden. Skæringspunktet ligger foran cykelhjulets berøringslinje med vejen. Hvis styrets vinkel afviger fra den indstillede værdi, genereres en reaktionskraft, som bringer transportøren tilbage i position. Det er sådan, at selve cyklen hjælper med at holde balancen.

For at foretage et sving skal rytteren ændre sit tyngdepunkt. Når cyklen f.eks. er vinklet til højre, er forakslen også vinklet til højre, og hjulet, der roterer med uret (set nedefra), overfører delvist det reaktive moment til styreenheden. Centrifugalkraften har en tendens til at dreje rattet til højre. For at foretage svinget læner cyklisten sig til venstre, så cyklen og hjulene afbøjes til højre.

Den anden faktor, der anvendes til at sikre køretøjets stabilitet, er hastighedsforøgelse ved nedbremsning og styring. Den stabiliserende virkning bringer hjulene tilbage i den korrekte position og forhindrer cyklen i at falde om. En erfaren cyklist bruger hænderne på monteringspunkterne til at styre 2-3 mm ind i vejen.

Gyroskopisk effekt

Teorien om balance er baseret på et velkendt fysisk fænomen, der anvendes i rumfart, luftfart og navigation til søs. Den egenskab, som en roterende genstand har ved at bevare sin bevægelsesretning, kaldes den gyroskopiske kraft. Denne handling ses, når man kører på en cykel, mens den er skråt. Så længe hjulene drejer rundt, holder køretøjet balancen og vælter aldrig. F.eks. “virker” en julehelikopter eller en børnehelikopter kun, når den drejer rundt. For at afprøve hypotesen skabte fysikerne en speciel cykelkonstruktion. Der blev monteret et ekstra hjul foran, som ikke rørte jorden og drejede i den modsatte retning. Resultatet af eksperimentet overraskede forskerne. Cyklen bevægede sig perfekt og faldt ikke ned uden et gyroskop.

Efter at have bekræftet de vigtigste faktorer, der påvirker stabiliteten af en tohjulet bil i bevægelse, diskuterer forskerne stadig nye versioner.

Interessante fakta

V.A. Yakubovich

1. Den matematiske teori, der forklarer stabiliteten af en cykel i bevægelse, blev fremsat af doktor i videnskab V.A. Yakubovich. Forskeren forklarede, hvorfor der aldrig er blevet skabt en autonom robot, der styrer en cykel. De oplysninger om mekaniske cyklister, der cirkulerede på internettet, viste sig at være falske. Et nærmere kig på kybernetikeren afslørede en række tricks. Opfinderne anbragte vægte for at øge strukturens stabilitet, sænkede tyngdepunktet og satte fart på cyklen til høje hastigheder.

Modstandere af videnskabsmanden beviser det modsatte. Robotten lærer meget hurtigt. Det skyldes, at opgaverne er relativt enkle: Du skal kun lære at holde balancen. Den har en evne, som mennesker ikke har: den reagerer øjeblikkeligt og “rykker” hjulet 5 gange i sekundet.

2. En cykel uden fører kan automatisk styre sig selv for at undgå at falde om”, hævder de amerikanske forskere. Takket være lineære stabilitetsberegninger har forskerne designet en cykel med ekstra hjul, der drejer i modsat retning, og et negativt styr.
3. Udtalelsen adskiller sig fra fysikernes hypoteser. Cyklens energikilder befinder sig i rytterens hoved. Den menneskelige hjerne arbejder hårdt for at forhindre os i at falde om. Det er det underbevidste sind, der holder cyklisten i balance.

Konklusion

Der er dokumentation for, at gyroskopet og hjulet er vigtige for at holde cyklen stabil, mens du kører. Men der er ingen klar forklaring på, hvorfor en cykel ikke vælter, når man kører. Der kan være en yderligere kraft, hvis forståelse midlertidigt ligger uden for den nuværende viden.