Wieso ist es so schwer ein Fahrrad zum kippen zu bringen?

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3 Antworten

Also, erst mal lösen wir uns vom Fahrrad!

Wir schauen uns eine nicht drehende Masse an, also eine Masse, welche sich linear bewegt . . . z.B. ein Auto. Ein rollendes Auto kann man, wenn man genügend Zeit hat noch von Hand anhalten. Muss alles sehr schnell gehenklappt das nicht mehr. Warum? Die Urasche ist die träge Masse.

Sinngemäß sagte Kollege Newton: Masse ist die Eigenschaft der Materie, einer Änderung des Bewegungszustandes entgegen zu wirken. Das Gesetz hierzu lautet: F = m*a. Also: die Kraft, welche ich zum Ändern eines Bewegungszusatndes brauche ist proporional zur Beschleunigung. Prop-faktor ist die Masse.

Will ich eine schnelle Bewegungsänderung, muss die Beschleunigung groß sein und damit die Kraft. Will ich nun das Auto schnell anhalten brauche ich eine große Kraft.

Soweit die Einleitung zur Grundlage. Nun kommt noch der IMPULS. Der Impuls berechnet sich zu I = m* v, also Masse * Geschwindigkeit. Eine andere Formulierung des Newton Gesetzes ist: Solange auf einen Körper keine Kraft wirkt, bleibt sein IMPULS in Betrag und Richtung erhalten. Jedem Bestreben, den Impuls zu ändern, wird sich der Körper mit einer Geregnkraft entgegensetzen.  . . .  und entsprechend muss die Kraft gem. des o.g. Newton Gesetzes aufgewendet werden.

Nun zur Rotation: Das, was für die lineare Bewegung gilt, ist auch für die Rotation gültig. Hier sind nur die Begriffe etwas anders: Aus Masse wird Massenträgheitsmoment (Als Gedankenbrücke kann man statt Massenträgheitsmoment auch "Drehmasse" sagen)
und aus Beschleunugung wird Winkelbeschleunigung (Änderung des Drehwinkels nach der Zeit) und aus Kraft wird Moment.

Gegenüberstellung:

Kraft = Masse * Beschleunigung

F      =  m        *            a

Moment = Massenträgheitsmoment  *  Winkelbeschleunigung

M =                            J                        * Alpha

(Anmerkung: man nimmt gerne: Theta als Drehwinkel, Omega als winkelgeschwindigkeit und Alpha als Winkjelbeschleunigung).

Soweit also nix neues. Nun noch der Drehimpuls. Der bringt formal auch nix Neues, er berechnet sich zu

L = J * Omega, also Massenträgheismomen * Winkelgeschwindigkeit

Für den Drehimpuls gilt auch der Newton: Der Drehimpuls eines Körpers bleibt in Betrag und Richtung solange bestehen, bis ein Moment auf den Körper einwirkt. Wirkt ein Moment auf den Körper, dann versucht der Drehimpuls seine Lage im Raum und seinen Betrag aufrecht zu erhalten >> d.h. der drehende Körper antwortet mit einem Gegenmoment.

Dieses Gegenmoment ist um so stärker, je höher der Drehimpuls ist. Also: ein Körper mit geringem Drehimpuls wird seiner Impulsänderung weniger Moment entgegen setzen als ein Körper mit hohem Drehimpuls

Ich meine die Grundlagen sind nötig, auch wenn es vielleicht wie ein Umweg erscheint.

Nun aber zum Fahrrad: Die Mathematik hierzu, liest du besser nach. Ich gebe also nur die komprimierte verbale Beschreibung.

Die Rotationsmassen sind die Räder, also alles was sich dreht. Die Rotationsgeschwindigkeit der Räder ergibt sich aus der Fahrgeschwindigkeit. Hohe Fahrgeschwindigkeit = hohe Rotationsgeschwindigkeit = hoher Drehimpuls = hohe Fahrstabilität.

Was passiert beim "Umfallen"?? Die beden Räder, welche eine horizontal liegende Achse (Drehachse) haben, werden aus dieser beim Umfallen gekippt. DAs kippen bewirkt eine Änderung der Richtung des Drehimpulses. Diese Richtungänderung gefällt dem Drehimpuls nicht und er antwortet mit einem Gegenmoment . . . dieses versucht, das Fahrrad wieder aufzurichten.

Es gibt in diesem Zusammenhang noch ein paar weitere Effekte . . . aber die auch besser nachlesen, denn sie sind mit vektoriellen Beziehungen verknüpft.

Mein Lieblings versuch in diesem Zusammenhang ist:

Nimm das Rad eines Fahrrades. Halte es an der Achse mit li und re Hand. Eine weitere Person versetzt das Rad in Drehung. Nun kannst du eine Seite der Radachse mit einem Finger unterstützen und die andere Hand wegnehmen . . .  und: das Rad kippt nicht um!!

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Kommentar von Quester2016
15.10.2016, 19:28

Danke erstmal für die ausführliche Antwort. Also wie ich anhand deiner Antwort herauslesen kann, ist es genau so schwer ein fahrendes und ein stehendes Fahrrad in einer anderen Position zu bringen, nur bei fahrenden Fahrrad wirkt halt ein starkes Gegenmoment so dass es SCHEINT als wäre es schwer es zu kippen, oder? Oder ist die Drehachse an sich schon stabil, so in der Art als wäre sie festgeschraubt? Hoffe du verstehst was ich meine^^

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Kommentar von Quester2016
15.10.2016, 20:24

Okay. Das alles was du jetzt beschrieben hast nennt sich Präzession oder?

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Kommentar von Quester2016
16.10.2016, 11:17

Kannst du mir vielleixht noch sagen, welche Formel man aufstellen muss, wenn ich zB wissen will, wie groß das Drehmoment (die Kraft) sein muss um ein 30kmh schnelles fahrrad zum kippen zu bringen? Kann man das irgendwie ausrechnen?

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Kommentar von Quester2016
16.10.2016, 17:53

Danke erstmal dass du dir die Zeit nimmst alles zu beantworten. Noch eine Frage zu dem Fahrrad welches nicht Lenken kann, also wo die Rotationsachsen immer Parallel sind...Wenn so ein Fahrrad auf labilen Gleichgewicht stehen würde, dann bräuchte man ja nur ein ganz wenig Kraft um es umzukippen. Bräuchte man mehr Kraft wenn so ein Fahrrad fährt? Denn wenn der Lenker festgeschraubt ist kann es ja schwer wieder in die Auflagefläche hineinfahren also müsste es dann doch auch praktisch durch eine ganz geringe Kraft umfallen oder? Oder ist es dann viel stabiler, einfach nur aus dem Grund weil es sich dreht und die Rotationsachse nicht so leicht zu kippen ist? Die Frage hast du wahrscheinlich schon zigfach beantwortet aber ich kanns einfach nicht rauslesen...

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Die Frage erinnert mich an die Mechanikvorlesung. Der Professor kam mit einem stabilen Drehstuhl, dem Vorderrad eines Fahrrades mit beidseitigen Handgriffen sowie 2 Handgewichten an und demonstrierte mit offensichtlichem Vergnügen die Kreiselwirkungen. Hinterher meinte er sinngemäß: "Ich kann Ihnen die Kreiselgesetze im Schlaf rauf und runter rechnen, das dürfen Sie mir gerne glauben. Trotzdem wundere ich mich jedes mal, dass es in der Praxis auch tatsächlich so klappt."

Die mathematische Herleitung spare ich mir deshalb. Das entscheidende Merkmal eines Kreisels bzw. einer rotierenden Masse liegt darin, dass die Achse grundsätzlich eine Ausweichbewegung nicht in Richtung der Kraft macht, sondern exakt senkrecht dazu. Das widerspricht der sonstigen Alltagserfahrung, wo Kraft und Wirkung in dieselbe Richtung gehen.

Wenn du das Rad von dir wegkippst, wirkt an der Achse auf deiner Seite eine Kraft senkrecht nach oben und auf der Gegenseite senkrecht nach unten. Dem versucht die Achse im rechten Winkel dazu auszuweichen, indem es sich um die Hochachse drehen will, sodass die Achse eine waagrechte Drehung vollführt. Damit liegt zwischen Kraft und Wirkung ein rechter Winkel.

Diese senkrechte Kraft wirkt auf das Vorder- und das Hinterrad. Beide versuchen durch eine waagrechte Drehung auszuweichen. Beim Vorderrad geht das. Wenn du den Lenker nicht festhälst, geht er sofort auf Maximaleinschlag. Dadurch, dass ddie Achse waagrecht ausweichen kann, widersteht das Rad auch nicht der Kippung.

Beim Hinterrad ist das anders. Das ist die Achse fest im Rahmen montiert und kann nicht durch eine waagrechte Drehung ausweichen. Der Rahmen übt eine Kraft aus, die der Drehung entgegenwirkt. Diese Gegenkraft geht um die  Ecke zurück und man nimmt das als Gegenkraft zum Kippen wahr.

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Kommentar von Quester2016
15.10.2016, 16:47

die beantworten die Frage nicht...

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Kommentar von Quester2016
15.10.2016, 16:50

"Verantwortlich sind Kreiselkräfte der rotierenden Reifen, die dem Kippen entgegen lenken. " Das ist der einzige Satz in dieser Quelle der was speziell zu dieser Frage sagt

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Kommentar von Quester2016
15.10.2016, 17:14

Das, was du zitiert hast, sagt nur wie das Fahrrad wieder zurück ins Gleichgewicht gelangt. Es verrät aber nichts über die Tatsache warum es überhaupt so schwer ist, ein fahrendes Fahrrad aus dem Gleichgewicht zu bringen. Um ein Stehendes Fahrrad umzukippen musst du es nur anpusten bzw. es fällt im Normalfall sogar von alleine um. Aber um ein schnellfahrendes Fahrrad überhaupt irgendwie zum kippen zu bringen brauchst du schon ne Menge Kraft. Den Grund dafür beantwortet die Seite in keinster Stelle.

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