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Freihändig fahren

Ein Fahrrad wird - bei nicht zu langsamer Fahrt - von Kreiselkräften aufrecht gehalten. Die Kunst des Radfahrens besteht nur darin, das Spiel dieser Kräfte nicht zu stören.


Drahtseilakt: Der unentbehrliche Herr Sperber, in einer Person Werkstattleiter und Faktotum und stets im weißen Labormantel zur 8-Uhr-Vorlesung zur Stelle, reichte dem Professor ein Spielzeug-Fahrrad. Das kleine Modell hatte als Räder unbereifte Schnurlaufrollen, die aus einem Metallbaukasten stammen konnten, und im Unterschied zu "normalen" Fahrrädern am Vorderrad eine senkrechte Lenkachse. Professor Pohl brachte die beiden Räder durch Andrücken an eine rasch rotierende Trommel auf Touren und setzte sein akademisches Fahrzeug auf ein langes Drahtseil, das quer durch den großen Physik-Hörsaal der Göttinger Universität gespannt war. Ohne Hilfe eines Fahrers fuhr das Zweirad mit (maßstäblich gesehen) hoher Geschwindigkeit aufrecht auf dem Seil, bis es vor dessen Ende von einem Helfer aufgefangen wurde.

Zur Erklärung brachte der Professor die Räder seines Spielzeugs noch einmal auf hohe Drehzahl und kippte dann das Fahrrädchen vor den Augen der mehr als vierhundert Zuhörer im Saal um seine horizontale Längsachse nach rechts. Sofort ging das Vorderrad in die Rechtskurven-Stellung, als wollte es dem Umfallen nach rechts zuvorkommen. Wegen der senkrechten Lenkachse ließ sich die Reaktion des Vorderrads auf das Kippen nicht wie bei einem gewöhnlichen Fahrrad auf ein Übergewicht der Vorderradgabel mit dem Vorderrad zurückführen. Im statischen Gleichgewicht konnte die Drehung nur durch Kreisel-Präzession des Vorderrads verursacht worden sein. Hierzu der Kommentar des Professors: "Auf den Boden gesetzt läuft das kleine Modell einwandfrei auf gerader Bahn davon. Der Fahrer ist ganz entbehrlich. Seine Leistung beim Freihändigfahren ist recht bescheiden: Er hat nur zu lernen, die automatisch einsetzenden Präzessionsbewegungen des Vorderrads nicht zu stören." Nach dem Klopfkonzert der Studenten konnte Pohl sicher sein, seine Zuhörer von den "Kreiselkräften" überzeugt zu haben. Geradeaus-Stellung zurückkehren. Nach David E. H. Jones ist die Behauptung aber falsch. Er hat es nachgerechnet, nachdem es ihm an seinen Versuchsfahrrädern nicht gelungen war, die Schwerpunktslage nachzumessen.

"Reifen-Treiben": Reduziert man das rollende Fahrrad auf sein Minimum, kommt man zu einem Spiel, das die Kinder früher auf unseren Straßen spielten und das heute noch in einigen afrikanischen Ländern zu Hause ist: Ein großer, leichter Holzring ("Reifen") wird mit einem Stöckchen aufrecht zum Rollen gebracht und immer wieder kurzzeitig angetrieben, sobald er, vom Rollwiderstand ermüdet, umzufallen droht. Dabei rollt er nicht genau geradeaus, sondern auf einer schlanken Wellenlinie, denn als Kreisel muss er "präzedieren", um nicht umzufallen, falls er nicht überhaupt auf seinem einen ganzen Zentimeter breiten Außenrand ruht.

David Jones hat dazu bemerkt, ein Fahrrad sei in diesem Bild "ein rollender Ring mit einem Anhänger". Bei aller Ironie – das ist eine sehr vernünftige Idee! Wenn das Vorderrad um die Lenkachse drehbar ist, wird seine Radachse vom Rest des Fahrrads einschließlich Fahrer und Gepäck vor allem durch ein zusätzliches Gewicht belastet, das von der Gewichtsverteilung und den Abmessungen abhängt. Bei geringer Fahrgeschwindigkeit fällt das Fahrrad um, wenn der Fahrer sich nicht Mühe gibt, es auszubalancieren. Oberhalb einer "kritischen" Fahrgeschwindigkeit bleibt das Fahrrad aber von selbst aufrecht. Die "kritische" Mindestgeschwindigkeit wächst selbstverständlich mit dem zusätzlichen Gewicht, das auf der Radachse lastet.

Hatte der Professor das Fahrrädchen nur deshalb so schnell fahren lassen, weil diese Kräfte am Vorderrad bei langsamer Fahrt zu schwach wären, es aufrecht zu halten? Nachgefragt: Wie halten Kreiselkräfte ein Fahrrad aufrecht, das seinen Schwerpunkt weit oberhalb der "momentanen Drehachse" hat, die durch die Fußpunkte seiner beiden Räder führt? Wer die Kreiselpräzession des Vorderrads unterdrückt, indem er die Lenkung in der Geradeaus-Stellung blockiert, wird sein Fahrrad nach links oder rechts umfallen sehen, einerlei wie rasch sich die Räder drehen.

Der Mensch im Regelkreis: Schaut man kleinen Kindern zu, die Rad fahren lernen, scheint freihändiges Fahren doch nicht so einfach zu sein. Bei sehr geringen Geschwindigkeiten, bei denen das "Kreiselmoment" des Vorderrads im Vergleich zu dem von der Fahrgeschwindigkeit unabhängigen Drehmoment der Schwerkraft im Wortsinn "nicht ins Gewicht fällt", bedarf es einiger Erfahrung, um ohne Griff an den Lenker das Fahrrad zu beherrschen. Dann muss der Fahrer selbst zum Regler werden und sein Gerät mit dem Körper ausbalancieren. Dabei kann es nicht mehr schnurstracks geradeaus fahren, denn der Mensch hat eine ziemlich "lange Leitung" und antwortet als Regler erst dann mit einem Korrektur-Impuls, wenn er eine Abweichung des "Ist" vom "Soll" wahrnimmt.

Geometrie der Lenkung: Bei gebräuchlichen Fahrrädern steht die Lenkachse nicht senkrecht wie bei Pohls Modell, sondern ist um etwa 15 Winkelgrade zum Fahrer hin geneigt. Die Vorderrad-Gabel ist am unteren Ende so weit nach vorn gebogen ("gekröpft"), dass der Durchstoßpunkt der Lenkachse durch die Bodenebene so genau wie möglich in den Fußpunkt des Vorderrads fällt (der so genannte "Nachlauf" 0 ist). Wird Radfahren dadurch sicherer? Nicht unbedingt. Aber bequemer! Die Kröpfung der Vorderrad-Gabel und ihre Verjüngung nach vorn geben ihr Elastizität und helfen, Stöße vom Boden abzufedern. Der fehlende Nachlauf erleichtert das Lenken, indem er den Widerstand am Boden verringert. Die Neigung der Lenkachse zum Radfahrer macht die Bedienung des Lenkers bequemer – tieferen Sinn kann ich in all diesen konstruktiven Verbesserungen nicht finden. In der Encyclopaedia Britannica liest man unter dem Stichwort "bicycle", durch die Lenk-Geometrie gelange der Schwerpunkt des Fahrrads (einschließlich Fahrer und Gepäck) bei Geradeaus-Stellung der Lenkung in seine tiefste Lage. Wenn das so wäre, würde die Lenkung nach einem Ausschlag von selbst wieder in die Geradeaus-Stellung zurückkehren. Nach David E. H. Jones ist die Behauptung aber falsch. Er hat es nachgerechnet, nachdem es ihm an seinen Versuchsfahrrädern nicht gelungen war, die Schwerpunktslage nachzumessen.

"Reifen-Treiben": Reduziert man das rollende Fahrrad auf sein Minimum, kommt man zu einem Spiel, das die Kinder früher auf unseren Straßen spielten und das heute noch in einigen afrikanischen Ländern zu Hause ist: Ein großer, leichter Holzring ("Reifen") wird mit einem Stöckchen aufrecht zum Rollen gebracht und immer wieder kurzzeitig angetrieben, sobald er, vom Rollwiderstand ermüdet, umzufallen droht. Dabei rollt er nicht genau geradeaus, sondern auf einer schlanken Wellenlinie, denn als Kreisel muss er "präzedieren", um nicht umzufallen, falls er nicht über-haupt auf seinem einen ganzen Zentimeter breiten Außenrand ruht.

David Jones hat dazu bemerkt, ein Fahrrad sei in diesem Bild "ein rollender Ring mit einem Anhänger". Bei aller Ironie – das ist eine sehr vernünftige Idee! Wenn das Vorderrad um die Lenkachse drehbar ist, wird seine Radachse vom Rest des Fahrrads einschließlich Fahrer und Gepäck vor allem durch ein zusätzliches Gewicht belastet, das von der Gewichtsverteilung und den Abmessungen abhängt. Bei geringer Fahrgeschwindigkeit fällt das Fahrrad um, wenn der Fahrer sich nicht Mühe gibt, es auszubalancieren. Oberhalb einer "kritischen" Fahrgeschwindigkeit bleibt das Fahrrad aber von selbst aufrecht. Die "kritische" Mindestgeschwindigkeit wächst selbst-verständlich mit dem zusätzlichen Gewicht, das auf der Radachse lastet.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 2002, Seite 99
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
12 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 12 / 2002

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