Jesteś tutaj

Dlaczego rower trzyma pion?

  • rower
    Stabilność własna roweru pozwala na jazdę bez trzymanki (fot. www.wolnyrower.pl)

Tak, tak, już słyszymy te głosy: banalna fizyka, oklepany temat, nic nowego, prosty efekt żyroskopowy, wszystko jasne i można się rozejść. Nic bardziej mylnego!

Nie da się ukryć: idzie wiosna. Wraz z ociepleniem do powszechnego użytku wróci zapewne stary dobry wynalazek jakim jest rower. Zanim jednak ludność polskich miast i wsi masowo na niego wsiądzie, ekipa Fiztaszków postanowiła wśród owej ludności zrobić małą ankietę. Zadaliśmy proste pytanie: Dlaczego jadąc na rowerze jesteśmy w stanie utrzymywać równowagę? Po przepytaniu kilkudziesięciu osób, dwie najczęściej pojawiające się odpowiedzi można streścić mniej więcej tak:

  • to człowiek balansuje swoim ciałem tak, że rower zawsze trzyma pion,

  • za stabilność roweru odpowiedzialny jest efekt żyroskopowy (cokolwiek by to nie było).

Powyższe odpowiedzi wydają się dosyć logiczne. Niestety tylko na pierwszy rzut oka. Najpierw rozprawimy się z pierwszą z nich.

Dlaczego człowiek nie ma tu nic do gadania?

Dosyć prosto jest pokazać, że sekret stabilności roweru nie jest związany z odpowiednim balansowaniem ciałem. Przede wszystkim, gdy rower nie jedzie, bardzo trudno jest utrzymać na nim równowagę. Ba, dla większości osób jest to wręcz niemożliwe. Od razu zatem widzimy, że to nie balansowanie ciałem, ale ruch roweru jest kluczową rzeczą. Co więcej, człowiek wcale nie jest potrzebny do tego, żeby rower trzymał pion. Większość rowerów rozpędzonych do umiarkowanych prędkości jest w stabilnej równowadze bez udziału rowerzystów, co pokazane jest na poniższych filmikach:

 

Gorąco zachęcamy do powtórzenia tego prostego eksperymentu i przekonania się, że rower nie potrzebuje rowerzysty, aby trzymać pion. Wystarczy tylko go odpowiednio rozpędzić. Ta cecha roweru nazywana jest stabilnością własną. Skąd się ona bierze? Najczęściej tłumaczona jest efektem żyroskopowym, który pojawia się na lekcjach fizyki przy omawianiu dynamiki bryły sztywnej. Zamiast opisywać co to za efekt, najlepiej obejrzeć poniższy filmik, na którym przedstawiony jest on w dosyć zgrabny sposób.

 

Okazuje się, że wirujące obiekty same utrzymują kierunek swojej osi obrotu. Koła rowerowe są właśnie takimi wirującymi obiektami i rozpędzone do odpowiedniej prędkości same będą próbowały utrzymać rower w pionie.

Voila! Wydaje się zatem, że znaleźliśmy wytłumaczenie stabilności roweru! Wytłumaczenie zgrabne, mające w sobie sporo fizyki i pozornie tłumaczące wszystko, co obserwujemy. No właśnie: pozornie. Czas na wyższą szkołę jazdy.

Dlaczego efekt żyroskopowy tak naprawdę niczego nie tłumaczy?

Jeżeli do utrzymywania równowagi na rowerze potrzebne są tylko kręcące się koła, stabilność roweru powinna pojawiać się również przy jeździe do tyłu. Łatwo jednak sprawdzić, że rower puszczony do tyłu za nic w świecie stabilny nie będzie:

Kółka niby się kręcą, ale co z tego? Rower od razu się przewraca. Jeżeli jednak dla kogoś ten argument jest słaby, to polecamy przyjrzeć się następującej fotografii:

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

Na powyższym zdjęciu widzimy pana Davida Jonesa, brytyjskiego fizyka, który w latach 70. ostatecznie zadał kłam twierdzeniom, że efekt żyroskopowy jest tajemnicą stabilności roweru. Skonstruował on mianowicie rower, który posiadał z przodu dodatkowe koło, kręcące się w przeciwną stronę niż wynikałoby to z kierunku jazdy. Tym samym „wyeliminował” efekt żyroskopowy, pokazując jednocześnie, że układ jest stabilny i można na tak zmodyfikowanym rowerze bez większych problemów jechać bez trzymanki.

Ale to nie wszystko. Już ponad sto lat temu, wybitny fizyk Arnold Sommerfeld miał poważne wątpliwości czy efektem żyroskopowym w rowerze warto zawracać sobie głowę. W 1910 roku w swojej książce „Theorie des Kreisels” („Teoria żyroskopu”) przedstawił obliczenia, z których jednoznacznie wynika, że efekt ten jest zbyt słaby, aby za jego pomocą tłumaczyć stabilność roweru wraz z człowiekiem.

Co ciekawe, pomimo, że fizycy już od wielu lat są zgodni, że to nie efekt żyroskopowy trzyma rower w pionie, nadal tu i ówdzie możemy zostać uraczeni wspaniałymi teoriami na temat bączków, żyroskopów i ich związku z rowerami. A jeżeli dobrze poszukać, to podobne bajki znaleźć można także w „fachowych” książkach na poziomie akademickim:

Nawet podręczniki się mylą!

„Oto tajemnica jazdy na rowerze! Jeżeli jadący rower przechyla się w lewo kolarz może przeciwdziałać upadkowi (…) przez obrócenie kierownicy w lewo i wywołanie efektu giroskopowego prostującego rower. Przy szybkiej jeździe wystarczą małe ruchy kierownicą.”

A. Januszajtis „Fizyka dla politechnik”, PWN Warszawa 1977

No to co w końcu trzyma rower w pionie?

Jeżeli nie człowiek i nie efekt żyroskopowy, to co? Okazuje się, że tajemnica stabilności roweru kryje się w… albo nie, potrzymamy was jeszcze trochę w niepewności, a wyjaśnienie przedstawimy w następnym fiztaszku. Tymczasem zachęcamy do samodzielnego stawiania hipotez i propozycji wytłumaczenia zagadkowej stabilności jednośladów.

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 zx

Powietrze, które opływa konstrukcję z obu stron przy odpowiedniej prędkości i nie pozwala się rowerowi przewrócić?

Obrazek użytkownika krupinski

Czyli w wysokich górach, gdzie powietrze jest rzadsze, trudniej jest utrzymywać równowagę?

Obrazek użytkownika mojenazwisko

trzeba zrobić eksperyment w próżni! ja czuję, że dałbym radę i w próżni pojechać :)

Obrazek użytkownika j

Obawiam się, że dostałbyś mandat za brak działającego dzwonka ;)

Obrazek użytkownika Tomasz

Genialna riposta :D

Obrazek użytkownika Harnas

Za prostą jazde odpowiada podświadomość człowieka. Nawet nie zauważamy jak zmieniamy środek ciężkości żeby utrzymać równowagę, zwłaszcza że są to bardzo małe korekcje.

Obrazek użytkownika mg

Jeśli zapytać Google "dlaczego rower się nie przewraca" na pierwszym miejscu widnieje czyje nazwisko? :)

Wpis jak zwykle bardzo ciekawy. Faktycznie, na lekcji fizyki można usłyszeć, że za stabilność roweru odpowiada efekt żyroskopowy.
Na nieszczęście znałem rozwiązanie zagadki, ale przyznaję - nigdy bym nie podejrzewał, że rozwiązanie jest właśnie takie. Może dlatego, że na rowerze jeżdżę niezbyt często i zwyczajnie przeoczyłbym fakt, że wykonujemy subtelne ruchy kierownicą.

Obrazek użytkownika piotrowski

Rozmowa z ekspertem :)
Nie czytałem tego rowertouru, jeszcze wtedy nie prenumerowałem.

A swoją drogą ta strona z republiki to niezły zabytek htmlowy, kiedyś to były te internety ;)

Obrazek użytkownika krupinski

ehh... w Internecie nic się nie ukryje :)

Obrazek użytkownika Xitami

1. Przekrój opony
2. Kąt i kształt widelca?

Obrazek użytkownika Tomasz

Przekręcenie kierownicy to nie tylko wywołanie efektu żyroskopowego (który istotnie może być nie dość silny, chociaż "dzięki Bogu!" działa tak, że pomaga). To także delikatna zmiana kierunku jazdy, powodująca powstanie pozornej siły odśrodkowej prostującej rower. To nie jedyne ułatwienie dla rowerzysty, bo trzeba pamiętać, że oś kierownicy nie jest pionowo lecz pod skosem (oś koła jest wysunięta przed łożysko kierownicy) a widełki dodatkowo wygięte lekko do przodu dzięki czemu oś kierownicy przebiega PONIŻEJ osi koła. Nie wiem na ile pomaga fakt, że pozorna oś kierownicy wystaje przed punkt styku opony z ziemią, ale fakt, że przebiega poniżej osi koła (dzięki wygięciu widełek do przodu) sprawia, że przód roweru ma najniższą energię potencjalną w sytuacji, gdy kierownica jest prosto (wystarczy wyobrazić sobie mocno wysunięte do przodu przednie koło (oś kierownicy pod dużym skosem) z widełkami wygiętymi mocno w drugą stroną, taki układ powinien powodować automatyczne obracanie przedniego koła (tak, by widełki wywracały się do standardowej pozycji a oś kierownicy opaść poniżej osi koła). Prosiłbym ewentualnie o sprawdzenie jak się jedzie, gdy widełki są odwrócone "do tyłu" (w II etapie eksperymentu: bez trzymanki :) ). Wydaje mi się, że gdyby oś kierownicy poprowadzić "do tyłu" (konieczne przespawanie ramy) to wtedy widełki powinny "iść" odwrotnie (tak by znowu oś koła była znowu poniżej osi kierownicy). Taki rower - gdyby jeździł równie dobrze - zadałby kłam teorii o sladzie dodatnim (tzn. teorii, że pomaga fakt, że oś kierownicy jest przed punktem styku koła z gruntem). Albo by tę teorię potwierdził :) Jestem ciekaw wyników eksperymentów

Obrazek użytkownika Tomasz

Po namyśle stwierdzam jednak, że także i fakt, że oś kierownicy biegnie przed punktem styku koła z ziemią jest bardzo istotny - to tak jak w koszach sklepowych, kierownica sama się prostuje przy pchnięciu do przodu. To z pewnością pomaga stabilizować koło już przy niewielkiej prędkości.

Obrazek użytkownika dijo

z tego co wiem, to samo jest wykorzystane w samochodach - koła nie skręcają się idealnie w pionowej osi, tylko kilka stopni odchylonej od pionu. Dzięki temu można wyeliminować sprężynę, która "wraca" kierownicę do jazdy na wprost, a sam ciężar samochodu powoduje wyprostowanie kół podczas jazdy

Obrazek użytkownika biker

"Dlaczego człowiek nie ma tu nic do gadania?" - to nie jest prawda, bo człowiek ma bardzo dużo "do gadania" zwłaszcza jeżeli jedzie się wolniej w bardzo nierównym i technicznym terenie (np. góry). Więc radziłbym przy pisaniu tekstów trochę się zastanowić i rozważyć wszystkie przypadki.

Podsumowując: geometria ramy (ślad), balans ciałem, efekt żyroskopowy, siła odśrodkowa są odpowiedzialne za możliwość jazdy na rowerze

Obrazek użytkownika krupinski

Oho, zaczyna się spełniać przepowiednia z począktu tekstu :)

Co do upraszczania: Tezą postawioną w tekście i kilkukrotnie podkreślaną jest "stabilności roweru nie można wytłumaczyć TYLKO balansowaniem ciałem oraz TYLKO efektem żyroskopowym". Radzimy zatem czytać dokładnie. Ze swojej strony natomiast zapewniamy solennie, że, zgodnie z sugestią, przy pisaniu tekstów "trochę się zastanawiamy". :)

Obrazek użytkownika spacjer

Przecież dodanie 3 koła tylko wzmacnia efekt żyroskopowy - żyroskopowi wszystko jedno w którą stronę się obraca. A odpowiedź na pytanie jest banalnie prosta - I zasada dynamiki Newtona..

Dodaj komentarz