A műszaki tanfolyamhoz jó kanyarkészség szükséges. De a fizika szerint meddig tudja billenteni a kerékpárját, mielőtt nekiütődne a fedélzetnek?
A tudósok a régi penny farthing napjai óta azon töprengenek, hogy mitől lehet egy kerékpár egyensúlyt tartani. Sok szakértő azt javasolta, hogy ezek a forgó karikák giroszkópként viselkedjenek a kerékpárral, de ez nem ilyen egyszerű. A Nottingham Egyetem mérnökeinek egy csoportja 25 különálló változót azonosított, amelyek befolyásolják a kerékpár mozgását, arra hivatkozva: „Egyszerű magyarázat nem tűnik lehetségesnek, mert a dőlés és a kormányzás olyan hatások kombinációjával párosul, mint a giroszkópos precesszió, az oldalirányú talajreakciós erők. az első keréknél, a talajérintkezési pont a kormánytengely mögött, a gravitáció és a tehetetlenségi reakciók…'
Ami ismert, az az, hogy amíg egy kerékpár körülbelül 14 km/h (9 mérföld/óra) sebességgel mozog, addig kerékpáros jelenléte nélkül is függőleges helyzetben maradhat. A tudósok azonban nem tudják megmagyarázni, miért.
Ebben a háttérben egy kanyar hozzáadott dimenziója, és annak a szögnek a kiszámítása, amellyel a kanyarban dőlhet, mielőtt az aszf altra ütközne, egyértelműen összetett dolog. Megfelelő körülmények között 45°-os szögek láthatók, de hogyan juthatunk el odáig?
„Tudjuk, hogy három valódi erő hat a motorra és a versenyzőre” – mondja Rhett Allain, lelkes kerékpáros és az amerikai Southeastern Louisiana Egyetem fizika docense.
'A gravitációs erő lenyomja a kerékpárt és a versenyzőt; van az út felfelé tolódása, amit „normál” erőnek nevezünk, és van egy súrlódási erő, amely a kerékpárt annak a körpályának a közepe felé tolja, amelyen halad.’
A hamis erő
Centrifugális erő is van."Ennek van hatása, de ez egy hamis erő" - mondja Allain. Sok fizikus azzal érvel, hogy a centrifugális erő nem létezik, és egyszerűen a centripetális erő hiánya – egy befelé húzó erő, amely biztosítja, hogy a kerékpár olyan körben mozogjon, mint a gravitáció, amely befelé húzza a műholdat, hogy pályán tartsa.
Az F=mv2/r egyenlettel számítható ki, ahol F a centripetális erő (Newton), m a kerékpár és a motoros tömege (kg), v sebesség (m/s) és r a sarok sugara méterben.
„A kanyarodás fizikája az, hogy radiálisan befelé gyorsítjuk, ami a centripetális erőtől függ” – mondja David Wilson, a Massachusetts Institute of Technology mérnök emeritus professzora.
‘Az erőnek a gumikból kell fakadnia. A kerékpárnak úgy kell dőlnie, hogy a gumiabroncs reakciója és a radiális erő kombinációja összhangban legyen a kerékpár és a motoros erőhatásaival.’
A súrlódási tényező is kulcsfontosságú a dőlés mértékében, amely a két test közötti súrlódási erő és a rájuk – jelen esetben a gumiabroncsra és az aszf altra – ható erő aránya.
A legtöbb száraz anyag súrlódási értéke 0,3 és 0,6 között van, míg az aszf alttal érintkező gumi egy és kettő közötti értéket eredményezhet. Amikor a felületek egymáshoz képest mozognak – a kerékpározásnak megfelelően – ez a szám enyhén csökken.
Ahhoz, hogy a kerékpár függőlegesen maradjon, az oldalirányú erőnek (centripetális) meg kell egyeznie a súrlódási együtthatóval, és ez az érték meglepően nagy lehet. Például egy 70 kg-os lovas egy 10 kg-os kerékpáron 20 mph-val száguld egy 20 m sugarú kanyarban 316 Newton centripetális erőt tapasztal.
Ezt az erőt a gumiabroncsoknak kell létrehozniuk, és ha ez az erő nem létezne, a kerékpáros és a versenyző egyszerűen egy egyenes vonalban haladna tovább.
Néhány lenyűgöző trigonometrikus számítással, amelyek egy egész könyvet kitöltenek, a súrlódási együttható megegyezik a maximális dőlésszög érintőfüggvényével.
„A súrlódási együttható túllépése esetén a kerék megcsúszik” – mondja Marco Arkesteijn, az Aberystwyth Egyetem sporttudományi oktatója. „Ez oka lehet a súrlódási erő növekedése [például a vonal meghúzása egy kanyarban] vagy a normál erő csökkenése [például az út mélyedése miatt].”
A súrlódási tényező a felület változása miatt is változhat. Éppen ezért a fehér vonalon kanyarodás veszélyes lehet. „Ez különösen igaz nedves időben” – mondja Arkesteijn. „A festék kevésbé porózus, így a víz nem oszlik szét.”
A lovas súlya
A helyzetet tovább bonyolítja a versenyző súlyának kérdése. „A fizika szempontjából a kisebb srácoknak jobban kell dőlniük” – mondja Arkesteijn. „Általában mozgékonyabbak is, ami segít.”
Allain nem annyira határozott, ami azt sugallja, hogy bár a versenyző súlya „kicsit” számít, nagyobb jelentősége van a motoros plusz kerékpár tömegközéppontjának.
„Végső soron ez a legfontosabb tényező” – mondja. A nehezebb versenyzők általában magasabbak, különösen a profi pelotonban, ami azt jelenti, hogy nagyobb a vázuk, és magasabb a tömegközéppontjuk. Az útviszonyokat is figyelembe kell venni. Ha eléri a határt, az út egyenetlensége a tapadás elvesztéséhez és eséshez vezethet.
Az Egyesült Királyság útjai néha tapadósabbak, mint szárazföldi európai unokatestvéreink útjai, mert porózusabbak, így elnyelik az esőt és megakadályozzák a csúszós felületet. Ezért durvábbak az útjaink. De a fagykárok miatt gyakran döcögősebbek és rosszabb állapotban vannak, ezért Franciaországban a kerékpározás és a vezetés abszolút öröm, amikor száraz.
Ezek után mennyi a maximális dőlésszög? Jim Papadopoulos gépész és mérnök professzor számára ezt nem lehet megválaszolni, amíg nem tesz egy utolsó tényezőt – a nyomvonalat.
Ez egy képzeletbeli vonal, amely le van vetítve a kormánycsövön a földre. Ha ez a pont a kerék talajjal való érintkezési pontja előtt van, akkor „pozitívnak” minősül, és stabilabb. Mögött és a bicikli nagyobb eséllyel felborul. A nyomvonal minél jobban támaszkodik.
„A kerékpárosok általában a pozitív nyomvonalon maradnak, és nem haladják meg a 45°-os dőlésszöget” – mondja. „Általában kevesebb, bár ha a kanyar sugara meghaladja az 5 métert, elérheti a 45°-ot. Ez azért van így, mert a nyomvonal kevésbé jelent problémát – akkor visszatérünk a tapadás kérdéséhez.’
Tehát 45°-os szög lehetséges egy gyors, széles, jó felületű kanyarnál, de annyi változó mellett sajnos nincs határozott válasz. Az, hogy meddig dőlhet el, próbatétel és (remélhetőleg nem túl fájdalmas) hiba.
