Das Fahrrad ist keine klassische Erfindung wie die Glühbirne oder der Ottomotor. Das Fahrrad hat sich evolutionär entwickelt. Beginnend bei den Laufrädern wurden irgendwann einmal Pedale angeschraubt, die Kette mit dem Hinterrad verbunden, die Gangschaltung entwickelt. Das optimale Endergebnis ist der so genannte Doppeldreiecksrahmen. Aber sind vielleicht Liegeräder besser? Vermutlich nein, denn sonst würde jeder damit fahren.

Prinzipiell fährt ein Faharrad natürlich aufgrund der Haftreibung zwischen den Rädern und dem Boden, ebenso wie zum Beispiel ein Auto oder ein Motorrad. Ein Fahrrad transportiert Fahrer und Last mittels zweier Reifen. Der Kontakt zum Boden ist dadurch denkbar gering.

Formulieren wir die Frage etwas um: warum fällt ein Fahrrad nicht um?
Weil es ausbalanciert wird, und das funktioniert in Bewegung besser als im Stillstand. Aus Erfahrung wissen die meisten von uns sicherlich, dass es alles andere als leicht ist auf einem stehenden, sich nicht bewegenden Fahrrad die Balance zu halten. Ist es erstmal in Bewegung, fällt es uns schon viel leichter. Hier müssen also weitere Kräfte an der Bewegung und Stabilisierung des Fahrrades beteiligt sein.

Ausbalancieren bedeutet: der Schwerpunkt von Fahrer & Rad muss sich über den Reifen befinden. Beim Stand ist das möglich, aber schwierig, beim Fahren kann man den Vorderreifen immer wieder unter den Schwerpunkt hinein lenken. Man fährt mit dem Vorderreifen Schlangenlinien unter dem Schwerpunkt herum und hält so das Gleichgewicht. Der Fahrer wirkt einem Umkippen die ganze Zeit über entgegen, indem er den Lenker in die gleiche Richtung ausschlägt, in die das Rad umkippen würde. Dadurch leitet er eine Kurve ein, und durch die Zentrifugalkraft wird das Fahrrad aufgerichtet. Dadurch kippt es meistens etwas in die andere Richtung über – der Fahrer pendelt also, wenn auch unmerklich

Bei langsamer Fahrt müssen diese Ausgleichsbewegungen aber viel stärker vorgenommen werden. Erst bei höheren Geschwindigkeiten – ab etwa 20 km/h – kommen Kreiselkräfte ins Spiel. Die drehenden Reifen halten das Fahrrad stabil und aufrecht, weil die Natur das Gesetz der Drehimpulserhaltung kennt.

Drehachsen können nur schwer verändert werden. Das Vorderrad stellt einen Kreisel dar, bei dem Drehimpuls-, Rotations- und Figurenachsen ident sind. Wird das Rad seitlich geneigt, so wirkt ein Drehmoment, welches senkrecht zum Drehimpuls steht. Neigen wir uns auf dem Rad nach rechts, so biegen wir deshalb auch nach rechts ab. Noch stärker kann man diesen Effekt beim Motorradfahren beobachten. Das Hinterrad unterstützt diese Wirkung des Vorderrades.

 

Wikipedia Stichworte:  Fahrrad, Gleichgewicht, Schwerpunkt, Drehimpulserhaltung, Kreiselkräfte

1. Stehrad

Jedes stehende Ding, auf dem Sie balancieren müssen, kann man als stehendes Fahrrad bezeichnen. Anders gesagt, auch jedes stehende Fahrrad kann man ausbalancieren.

2. Hochrad

Bei einem Hochrad ist der Schwerpunkt besonders hoch. Es sollte daher eher leicht zu fahren sein. Die Hauptaussage liegt hier im Wort fahren. Es ist einigermaßen schwierig, das Hochrad zum Fahren zu bringen, ohne dabei umzufallen.

3. Fahrrad zeichnen

Zeichnen Sie doch einmal aus dem Gedächtnis ein Fahrrad. Vermutlich werden Sie eines der ersten Fahrräder der Technologiegeschichte zeichnen, denn so einfach ein Fahrrad eigentlich ist, so wenig sind wir es gewohnt es zu zeichnen. Haben Sie etwa die Pedale vergessen? Wo werden die denn angemacht? Schluss mit Zweifel: ab hier und jetzt können Sie es besser. Beginnen Sie einfach mit zwei Dreiecken, der Rest kommt wie von selbst.“]

 

Was ist ein Gleichgewicht?

Ein Körper ist im statischen Gleichgewicht, wenn er nicht umfällt oder irgendwo hinunterrollt. Es gibt einerseits ein stabiles Gleichgewicht, das ohne viel Zutun für stabile Verhältnisse sorgt: ein Ball in einer Mulde etwa. Andererseits gibt es ein labiles Gleichgewicht, wenn sich der Ball auf einem Besenstil befindet, der ständig bewegt werden muss, damit der Ball nicht herunterfällt. So ist das auch beim Fahrrad.

Was ist der Schwerpunkt?

Der Schwerpunkt eines Körpers ist der Mittelpunkt des Körpers, was seine Masse betrifft. Man kann viele mechanische Probleme lösen, indem man statt eines ausgedehnten Körpers einfach nur einen Punkt hernimmt (den Schwerpunkt), und sich dort seine gesamte Masse versammelt denkt.

 

Wann ist ein Körper in einem stabilen Gleichgewicht?

Damit ein Köper in einem stabilen Gleichgewicht ist (damit er nicht umfällt), muss sich die Projektion seines Schwerpunktes auf den Boden innerhalb der Auflagefläche befinden.

 

Warum fährt das Fahrrad?

Damit das Fahrrad nicht umfällt, muss sich sein Schwerpunkt über der sehr schmalen Auflagefläche befinden. Das Ausbalanzieren funktioniert auch bei einem stehend Fahrrad. Es ist aber einfacher, bei einem fahrenden Fahrrad den Vorderreifen immer wieder unter den Schwerpunkt hineinzulenken. Man fährt somit mit dem Vorderreifen Schlangenlinien unter dem Schwerpunkt herum.

War da nicht etwas mit Kreiselkräften?

Ja. Zusätzlich kommt ab etwa 20 km/h ein erleichternder Effekt ins Spiel: die Stabilität der Kreisbewegung. Alles was sich dreht, ist stabil – durch das Gesetz der Drehimpulserhaltung. Die Drehachse der drehenden Räder ist nur schwer zu verändern, wenn sie sich schnell drehen. Wie bei einem Kreisel, man kann ihn leicht auf einem Finger balancieren, wenn er sich nur dreht.

Woher kommt die Energie für den Antrieb?

Der Mensch kann in Verbindung mit einem Fahrrad 25% seiner Muskelenergie in mechanische Energie umzuwandeln. Bei anderen körperlichen Aktivitäten ist der Wirkungsgrad normalerweise niedriger. Ein Fahrradfahrer, der 60 Minuten fahren muss, kann eine durchschnittliche Leistung von 200 W auf die Straße bringen, vergleichbar etwa zwei sehr hellen, heißen 100W-Glühbirnen.

90% der Antriebsenergie kommt tatsächlich am Boden an, 10% gehen üblicherweise in den Komponenten des Fahrrads (Pedale, Ketten, Schaltung, Speichen) verloren. Dieser hohe Wirkungsgrad ist durch die exzessive Verwendung von Kugellagern bei den Fahrradkomponenten bestimmt.

Warum ist Fahrradfahren manchmal mühsam?

Nicht nur, dass Sie persönliche Leistungsschwankungen haben, ist die erlebte Reibung beim Fahrradfahren massiv von Masse und Geschwindigkeit abhängig. Doch Achtung: nicht gleichmässig. Bis etwa 14 km/h ist Masse und Reifen/Straßenzustand der Hauptgrund für Reibungsverluste, die Rollreibung nämlich, der Kontakt zwischen Reifen und Boden. Je schwerer Fahrer und Rad, desto mehr Rollreibung. Ab 17 km/h ist das aber ziemlich egal, denn jetzt übernimmt der stark geschwindigkeitsabhängige Luftwiderstand den Hauptanteil der Reibung. Und zwar quadratisch, erst wenig, aber je schneller, desto sehr viel mehr.

Dieser Luftwiderstand wird von der Querschnittfläche des Fahrers samt Fahrrad bestimmt, die der Luft entgegengehalten wird, und vom cw-Wert, von der Form des Fahrers und Fahrrads, und von der Dichte der Luft. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit hat man tatsächlich das Gefühl: nichts geht mehr, man fährt wie gegen eine Wand.

Wie schnell fährt ein Fahrrad?

Ohne Luftwiderstand erreichte 1995 der Holländer Fred Rompelberg mit einem Spezialrad im Windschatten eines Rennwagens 268,8 km/h. Mit Luftwiderstand hätte ein stark trainierter Versuchsfahrer nur etwa 70 km/h erreicht.

Quelle:

Schlichting H., Suhr W.: Moderne Zentauren. Physik des Fahrradfahrens. Physik in unserer Zeit 4/2007 (38), S. 184f. Wiley-VCH Weinheim.