Dlaczego rower się nie przewraca?

Dlaczego rower się nie przewraca?

Większość ludzkich wynalazków to plagiaty rozwiązań, które już dawno odkryła Przyroda. Może się wydawać, że patenty opracowywane przez Naturę w ciągu milionów lat ewolucji są nie do poprawienia przez inżynierów. Jedyne więc co nam zostaje to mniej lub bardziej udane naśladownictwo.

A jednak w tym przypadku udało się! Pod względem „ekonomii ruchu”, czyli ilości energii niezbędnej do przemieszczenia kilograma ciała na daną odległość, rower bije na głowę wszystkie zwierzęta i wszystkie inne wynalazki człowieka!

Każdy wie, że na równej drodze łatwiej jest pokonać 10 km jadąc rowerem niż pieszo. Jest to dziwne, zważywszy, że w obu przypadkach chodzi o przemieszczenie ciała na tę samą odległość, a zmęczenie rowerzysty powinno być większe ze względu na konieczność transportowania roweru, który zazwyczaj waży kilkanaście kilogramów. Poza tym podczas jazdy musimy walczyć z siłami tarcia tocznego kół i łożysk, a przy większych prędkościach także oporu powietrza, które są praktycznie nieobecne podczas chodu. Te niekorzystne efekty nie zmieniają faktu, że jazda rowerem mniej męczy, niż chodzenie piechotą.

Dlaczego jazda rowerem mniej męczy od marszu?

Otóż w czasie marszu środek ciężkości naszego ciała nieustannie się podnosi i opuszcza o mniej więcej 10 cm. Oznacza to, że przy każdym kroku musimy wykonać pracę polegającą na podniesieniu naszego, na przykład pięćdziesięciokilogramowego, ciała na wysokość 10 cm. Niby nie jest to dużo, ale po tysiącu kroków wykonana przez nas praca jest równa energii potrzebnej do wejścia na wzniesienie mające 100 metrów!

Podczas jazdy rowerem praca ta nas omija, ponieważ cały czas siedzimy na siodełku, na jednakowej wysokości. Oczywiście na rowerze nasz środek ciężkości także stale podnosi się i opuszcza, gdyż w czasie jazdy nie sposób uniknąć pochylania się raz w prawo, raz w lewo. Te wychylenia są jednak dużo rzadsze i mniejsze niż podczas chodu.

Największą część energii osoby szybko jadącej rowerem pochłania pokonywanie oporów powietrza. Przy pogodzie bez wiatru w czasie jazdy na rowerze turystycznym z prędkością ok. 18 km/h wynoszą one 10 N, czyli są dwa razy większe niż opory toczne. Dlatego wskazane jest, aby pochylić się do przodu, bo wtedy opór powietrza jest mniejszy. Warto też mieć na głowie kask, który nie tylko chroni przed ewentualnym urazem, ale też przyczyni się do zmniejszenia oporów powietrza.

Kiedy lepiej iść piechotą?

Zdarza się jednak tak, że czasami łatwiej nam jest iść pieszo niż jechać rowerem. Dzieje się tak na przykład, gdy musimy wjechać na wysoką górkę lub jedziemy po piachu czy grząskim terenie. Przy dużym nachyleniu drogi praca, jaką musimy włożyć we wciągnięcie na górę roweru, przewyższa korzyści energetyczne płynące z jego budowy. Instynkt podpowiada nam wówczas, że łatwiej na moment zejść z roweru i prowadzić go.

Jak to możliwe, że na rowerze da się jeździć bez wywrotki?

Najczęściej, słyszymy takie wyjaśnienie, że stabilność roweru przypisuje się tzw. zjawisku żyroskopowemu. Jest to efekt podobny do bezwładności ciał; podobnie jak ciężko jest zatrzymać np. rozpędzony wózek z zakupami, tak samo trudno jest zatrzymać obracającą się obręcz. Każdy, kto chociaż raz trzymał w rękach obracające się koło, wie, jak ciężko jest je choć trochę przekrzywić. Jednak już od wielu lat wiadome jest, że bezwładność obrotowa kół nie jest tym, co powoduje, że rower znajdujący się w ruchu trudno wywrócić. W 1970 r. fizyk D. H. Jones skonstruował rower, w którym dodał parę kół, nie dotykających ziemi, ale obracających się w przeciwnym kierunku. W jego konstrukcji efekt żyroskopowy przestał istnieć, a mimo to na rowerze jeździło się bez problemu.

Na trop rozwiązania tajemnicy stabilności roweru naprowadzi nas takie spostrzeżenie: bardzo trudno jest jeździć na rowerze przy zablokowanej kierownicy. Zatem w pozycji pionowej osobę jadącą rowerem muszą utrzymywać odpowiednie manewry kierownicą. Żeby się przekonać, że rowerzysta zawsze jedzie „wężykiem”, wystarczy popatrzeć na ślady kół, które pozostawia na piasku.

Pomocą przy wykonywaniu skrętów pozwalających zachować stabilność jest wyważenie przedniego widelca roweru. Mogą to sprawdzić osoby mające rower, który pozwala na odwrócenie kierownicy o 180°. Po takim obrocie widelec zostaje wygięty w przeciwnym kierunku. By nie przewrócić się na tego typu rowerze, trzeba pilnować kierownicy.

Zauważyliśmy zależność między równowagą roweru, a wykonywaniem skrętów kierownicą, nadal jednak nie wiemy, jaki jest mechanizm stabilizujący rower, który uruchamiamy podczas skręcania. Niektórzy fizycy uważają, że ważną rolę odgrywa tutaj siła odśrodkowa, znana choćby z jazdy autobusem, w którym w czasie skrętu w prawo, jakaś siła rzuca nas w przeciwnym kierunku. Wydaje się to rozwiązaniem problemu; gdy nasz błędnik zorientuje się, że coś odchyla nas od pionu, np. w prawo, automatycznie reagujemy niewielkim skrętem kierownicy także w prawo, a siła odśrodkowa stara się nas prostować.

Rozumowanie takie jest błędne. Przyjmuje się, że układ roweru z rowerzystą jest sztywny i nawet drobny ruch kierownicą nakazuje jazdę po łuku rowerowi, jak i rowerzyście. Nic takiego nie dzieje się w czasie jazdy. Przy małych skrętach skręca wyłącznie rower, a rowerzysta jedzie w zasadzie cały czas wzdłuż prostej. Nie możemy więc zakładać, że rower-rowerzysta jest sztywny.

Jednak skręty kierownicą, jeśli są małe i krótkie, zmuszają rower do wyjechania bądź wjechania pod kierowcę i skutecznie stabilizują pozycję rowerzysty. Kiedy ten odchyli się, natychmiast reaguje niewielkim skrętem kierownicy, powodując, że rower znowu znajduje się pod nim. Manewry te wspomaga budowa roweru: każdy, kto próbował prowadzić rower, popychając go za siodełko, wie, że jeśli odchylimy rower trochę od pionu, np. w prawo, kierownica skręci także w prawo, gdyż jej środek ciężkości obniży się.

Podsumowanie

Wyobraźmy sobie rowerzystę jadącego w dokładnie pionowej pozycji. Co stanie się, gdy niespodziewanie postanowi skręcić w lewo? Rower spod niego wyjedzie w lewo, zaś a on spadnie w prawo. Wyobraźmy sobie teraz, że ten sam rowerzysta podczas skrętu nie był idealnie prosty, ale delikatnie przechylony w lewo. Wówczas skręt kierownicy, jeżeli będzie dostatecznie duży, doprowadzi nie do upadku w prawo, ale do wyprostowania. Jeżeli rowerzysta wychylony był w lewo, to kierownica ma naturalną tendencję do skrętu w tę samą stronę. Wszystko pasuje, rower sam chce wykonać właściwy manewr. Jedyne, co rowerzysta ma zrobić, to umożliwić ruch kierownicy, trochę go wspomagając.

Tak więc wyjaśnienie stabilności jest dziecinnie proste i można je podsumować w następujący sposób, jeżeli spadasz w lewo, przesuń swoje krzesło (siodełko) w lewo, a jeżeli w prawo, to w prawo. I tak właśnie robimy podczas jazdy rowerem.