Fahrrad fahren < SchulPhysik < Physik < Naturwiss. < Vorhilfe
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(Frage) beantwortet  | | Datum: | 20:38 Sa 14.05.2016 | | Autor: | rubi |
Hallo zusammen,
ich habe eine allgemeine Frage:
Der Sohn eines Freundes von mir ist in der Klasse 7 (Gymnasium) und soll ein Referat in Physik zu folgender Fragestellung behandeln:
Wenn man auf einem Fahrrad nur sehr langsam fährt (z.B. beim Anfahren), dann "schlingert" man zuerst und hat es schwer, das Gleichgewicht zu halten und nicht zur Seite zu kippen.
Wenn man hingegen eine gewisse Geschwindigkeit erreicht hat und geradeaus fährt, ist das Gleichgewicht einfach zu halten.
Nun ist die Frage, welches physikalische Phänomen hierfür verantwortlich ist.
Ich vermute, dass es irgendetwas mit Reibung oder der Zentripetalkraft zu tun haben könnte, aber so richtig klar ist mir dieses Phänomen nicht.
Kann mir jemand von euch auf die Sprünge helfen, was hier dahintersteckt ?
Da es sich um ein Referat für die Klasse 7 handelt, hoffe ich, dass die Erklärung nicht so komplex ist.
Danke im voraus für eure Antworten
Viele Grüße
Rubi
Ich habe diese Fragen in keinem anderen Forum gestellt.
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(Antwort) fertig  | | Datum: | 02:57 So 15.05.2016 | | Autor: | QCO |
Also Reibung geht eher in die falsche Richtung.
Die beiden Räder haben einem gewissen Drehimpuls, wenn das Rad fährt. Kippt das Rad jetzt leicht zu einer Seite, bewirkt das ein Drehmoment, das dem entgegen wirkt und die Gabel verdreht, so dass sich das Rad wieder stabilisert. Das Stichwort heißt hier Gyroskop oder gyroskopischer Effekt.
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Hallo!
Die Physik des Fahrradfahrens ist tatsächlich recht kompliziert, und einfache Antworten, die sich auf einen einzelnen Effekt stützen, sind nicht die Lösung. Im Grunde ist es immer eine Mischung aus mehreren Effekten.
QCO hat schon vom Gyroskop-Effekt geschrieben. Dieser bewirkt z.B., daß ein Reifen alleine gradeaus rollt. Kippt er ein wenig, sorgen diese Kräfte dafür, daß er in Kipprichtung einlenkt.
Mit dem Vorderrad eines Fahrrades passiert das auch.
Allerdings kann man das unterbinden, indem man neben den Rädern jeweils ein weiteres montiert, welches gleich groß ist, den Boden nicht berührt, und durch eine Mechanik stets die gleiche Geschwindigkeit wie das andere Rad hat, aber in die umgekehrte Richtung. Hier heben sich die gyroskopischen Effekte auf. Dennoch kann man auf so einem Rad fahren.
Der Nachlauf ist der Abstand zwischen dem Punkt, an dem das Vorderrad den Boden berührt und dem Punkt, an dem die gedachte Verlängerung der Lenkachse den Boden berührt. Besonders deutlich ist das beim Einkaufswagen, wo der Nachlauf dafür sorgt, daß das Rad sich immer passend zur Bewegunsgrichung ausrichtet.
Beim Fahrrad entwickelt sich der Nachlauf zum Zwitter. Einerseits sorgt er dafür, daß das Vorderrad sich bei aufrechter Gradeausfahrt grade zieht und nicht einfach einlenkt. Kippt das Rad aber, so wirkt auf den Reifen eine seitliche Kraft am Boden, die nicht genau auf die gedachte Verlängerung der Lenkachse drückt, sondern etwas weiter hinten. Dadurch lenkt das Vorderrad in die Kurve.
Auch diesen Effekt kann man ausschalten, indem man ein Fahrrad baut, bei dem die Lenkachse genau senkrecht steht, und die Radnabe sich exakt unter der Lenkachse befindet. Es gibt tatsächlich Kunsträder, die keinen Nachlauf haben, man kann sie also fahren.
Das Gegenteil vom Nachlauf ist der Vorlauf. Der sorgt dafür, daß das Rad sofort in die falsche Richtung lenkt. Und zu viel Nachlauf ist auch nicht gut, denn dann schlägt das Vorderrad stärker als nötig ein.
Das wirklich interessante ist, daß die beiden Effekte zusammen ausreichen, um ein Fahrrad alleine fahren zu lassen. Schaltet man einen davon ab, gehts meistens nicht mehr. Ich war mal in einem Vortrag übers Radfahren (Merkt man, hmh?), da wurde ein Rad so auf ein Laufband geschnallt, daß es sich seitlich frei bewegen konnte. Das fuhr so 5min, bis man das Band abschaltete.
Tjaaa... die bisherigen Kräfte reichen, um ein Rad alleine fahren zu lassen, weil sein Gewicht nicht so groß, und der Schwerpunkt günstig ist. Schnallt man einen Kartoffelsack drauf, funktioniert das auch nicht mehr.
Letztendlich liegt es auch am Fahrer selbst. Er balanciert auf dem Rad und lenkt es selbst in die Kipprichtung, oder drückt das Rad beim freihändigen Fahren stärker in die Kurve, so daß Gyroskop und Nachlauf ihren Dienst tun. Aber Gyroskop und Nachlauf unterstützen das Radfahren schon. Ohne die wird es eine wacklige Angelegenheit.
Interessant ist, daß es für die Stabilität des Fahrens bestimmte Geschwindigkeitsbereiche gibt. Der Gyroskopeffekt benötigt eine gewisse Mindestgeschwindigkeit, der Nachlauf-Effekt auch. Ist die Geschwindigkeit aber zu hoch, wird das Vorderrad dann aber zu träge, um den benötigten Lenkbewegungen schnell genug zu folgen. Diese Geschwindigkeitsbereiche berücksichtigt man bei der Konstruktion. Ein City-Rad fährt schon bei niedrigen Geschwindigkeiten recht gut, bei höheren fängt es aber an zu "schwimmen". Ein Rennrad ist dagegen für hohe Geschwindigkeiten gemacht, und fühlt sich bei niedrigen nicht so gut an.
Beim Losfahren ist das Rad vielleicht grade nicht gut ausbalanciert, z.B. weil man schief drauf sitzt, so daß man gleich mal mit heftigem Einlenken reagieren muß. Und bei einer leichten Kippbewegung muß man bei geringerer Geschwindigkeit stärker einlenken. Betrachtet man Fahrradspuren, sieht man, daß sie um einige zentimeter hin und her pendeln. Das fällt bei hohen Geschwindigkeiten nicht so auf, bei Schrittgeschwindigkeit schon. Und weil das Fahrrad noch nicht mithilft, ist das Fahren recht wacklig.
(Und irgendwie glaube ich jetzt, daß ich viel zu viel geschrieben habe, und vor allem, daß der Lehrer sich auf nur eine Antwort eingeschossen hat...)
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