Was rollende Fahrräder wirklich aufrecht hält

Forscher widerlegen gültiges Lehrbuchwissen und ermöglichen neuartige und bessere Designmodelle

Fahrrad-Experiment
Fahrrad-Experiment

Ithaka (USA)/Delft (Niederlande) - Physiker und Fahrradkonstrukteure müssen umlernen: Die bisher bekannten Gründe, die ein ausreichend schnell rollendes Zweirad aufrecht halten, sind widerlegt. Weder der so genannte gyroskopische Effekt der drehenden Räder noch der Nachlaufeffekt des Vorderrads verhindern das Umkippen, berichtet ein Forscherteam aus den Niederlanden und der USA im Fachblatt Science. Die Physiker hatten an einem extrem simplen Fahrradmodell beide Effekte durch Gegeneffekte neutralisiert. Dennoch rollte das Minimalrad weiter und ließ sich auch durch seitliches Anstupsen nicht zu Fall bringen. Stattdessen, so vermuten die Forscher, sorge vor allem die Massenverteilung für die Selbststabilisierung. Hier müsse man ansetzen, um sicherere oder auch ganz neuartige Fahrräder zu konstruieren.

"Fahrräder können ohne den Gyroskop- und Nachlauf-Effekt selbststabil sein", erklärt Andy Ruina, Mechanik-Professor an der Cornell University, "es dreht sich alles darum, wie das Kippen von Fahrrädern automatisch ein stabilisierendes Gegenlenken verursacht, was die Räder zurück unter das fallende Rad bringt." Ruina, Jodi Kooijman, Jim Papadopoulos und andere Kollegen der niederländischen Universitäten Delft und Twente und der University of Wisconsin hatten bereits früher gemeinsam Fragen der Fahrrad-Physik geklärt. So hatten sie ein Formelwerk aufgestellt, mit denen sich neue Fahrrad-Designs einfach am Computer austesten lassen. Für die aktuelle Studie hatten sie ein aufs Notwendigste abgespecktes Fahrrad konstruiert: Ihr rollendes Zwei-Massen-Modell (TMS für: two-mass-skate model) besteht nur einem dreieckigen Gestänge auf zwei kleinen Rollen, von denen die vordere wie beim Fahrrad seitlich gedreht werden kann.

Dabei schien die Theorie des Zweirads physikalisch geklärt, nachdem es vor rund 100 Jahren als Massentransportmittel aufkam: Sobald ein Fahrrad ein Tempo von rund sechs Metern pro Sekunde erreicht hat, ist es auch ohne Fahrer, der Ausgleichsbewegungen machen könnte, durch seitliches Anstoßen nicht mehr ernsthaft umzukippen. Dafür sorgt zum einen der gyroskopische Effekt, hieß es bislang: die Kreiselkräfte der rotierenden Reifen, die die Radachse immer wieder aufrichten, sobald sie aus dem Zentrum ausgelenkt wird. Auch das seitlich bewegliche Vorderrad bleibt in der Spur. Zum anderen wirkt der Nachlauf, wie er auch von den Vorderrädern eines Einkaufswagens bekannt ist: Der Radmittelpunkt liegt seitlich versetzt zu seiner Aufhängung, so dass beim Schieben das Rad immer wieder in die Spur schwenkt.

Doch am Minimal-Fahrrad TMS konnte das Team nachweisen, dass es auch ohne Gyro-Effekt und Nachlauf aufrecht weiter läuft. Die Forscher bauten zwei Zusatzräder mit sich gegenläufig drehenden Scheiben an, die den Gyro-Effekt neutralisierten. Außerdem versetzten sie das Vorderrad leicht vor die Lenkstange, so dass auch der Nachlauf-Effekt verschwand. Schon bei mehr als zwei Metern pro Sekunde hielt sich das rollende Zweirad selbst in Balance. Wenn die Forscher es seitlich anstupsten, richtete es sich eigenständig wieder auf.

Dafür dürfte neben vielen anderen kleinen Effekten vor allem die Massenverteilung am Fahrrad verantwortlich seien, schreiben Ruina, Kooijman und Kollegen. Die bisher bekannten Effekte tragen damit zur Stabilität bei, sind aber nicht ausschlaggebend. "Wir stellten fest, dass beinah jedes selbststabile Fahrrad destabilisiert werden kann, indem man entweder den Nachlauf, den Gyroeffekt des Vorderrads oder die Schwerpunktposition des Frontaufbaus verändert", so die Forscher. "Andersrum lassen sich auch viele instabile Räder stabilisieren, indem man jede dieser drei Design-Variablen passend verändert."