NIEUWS

Wat betekent "het gyroscopisch effect" bij fietsen.



Techniek Wat houdt een rijdende fiets overeind? Na 150 jaar rekenen en meten is daar nu zicht op. ‘Je intuïtie bedriegt je'.

Na 150 jaar meten en rekenen is er zicht op de krachten en koppels die de rijdende fiets overeind houden. Dat is te zeggen: van de fiets zonder berijder, de riderless bicycle, dus van de fiets die een stevige voorwaartse zet kreeg en op eigen kracht nog een seconde of vijftien uitrijdt en langer als hij een flauwe helling afrijdt.

Het wonder is dat deze fiets ‘zelf-stabiel’ is, wat wil zeggen dat hij zich herstelt van een dwarse stoot, zelfs een stevige stoot, die hem onderweg wordt toegebracht. Die brengt hem even aan het slingeren, maar binnen een paar seconden is de fiets daarvan bekomen en neemt hij weer een vaste koers aan, zij het in een iets andere richting dan eerst. Maar met een licht herstel van de snelheid: de energie van het slingeren komt weer ten goede aan de voortgang. Hoe de fiets dat doet heeft fysici en wiskundigen bijna anderhalve eeuw beziggehouden.

Het is niet alleen van theoretisch belang; aannemelijk is dat het rijcomfort van de fietser wordt bepaald door de stabiliteit die de fiets heeft als hij onbereden voortrijdt. Zeker is dat niet, want de aanwezigheid van de fietser op de fiets verandert veel aan diens eigenschappen. En wat de fietser allemaal aan corrigerende krachten en koppels uitoefent met zijn handen (aan het stuur), zijn billen (aan het zadel) en zijn voeten (aan de trappers) dat is nog steeds niet geanalyseerd.

Maar de Britse onderzoeker David E.H. Jones heeft het lang geleden min of meer uit het ongerijmde bewezen. Bij zijn fameuze speurtocht naar de onberijdbare fiets, de unridable bicycle, ging Jones ervan uit dat de fiets die zonder berijder niet stabiel was, met berijder ook niet makkelijk te besturen zou zijn, en dat bleek aardig te kloppen. Hij vond een fiets die niet te berijden was. Jones, van huis uit chemicus, ging destijds sterk intuïtief en gevoelsmatig te werk en noteerde zijn ervaringen in Physics Today van april 1970 met zoveel overtuiging dat het leek alsof het probleem van de stabiliteit definitief was opgelost. Het gezaghebbende handboek Bicycling Science nam zijn conclusies over. Dat Jones de te analyseren situatie onaanvaardbaar had versimpeld en voorbijging aan bijna alle doorwrochte literatuur die sinds 1870 was verschenen bleef onopgemerkt.

Het stabiliteitsdebat is lang beheerst door de vierdelige studie die de Duitse geleerden Felix Klein en Arnold Sommerfeld rond 1910 over de tol en de gyroscoop uitbrachten. Daarin leken zij overtuigend aan te tonen dat de rijdende fiets zijn stabiliteit dankt aan het gyroscopisch effect van de wielen, in het bijzonder van het voorwiel. Het idee werd makkelijk geaccepteerd omdat het aansluit bij het gevoel. Wie zelf eens een snel draaiend fietswiel in handen heeft gehouden weet hoeveel moeite het kost om dat een andere richting te geven en wat voor krachten en momenten er optreden als je hem van richting probeert te veranderen.

David Jones is de man geweest die het accent verplaatste van gyroscoop naar ‘naloop’. Dat kon en mocht omdat hij een fiets wist te bouwen waarin het gyroscopisch effect van het voorwiel kunstig was opgeheven door een parallel wiel dat in tegenovergestelde richting draaide. Die fiets was nog steeds te berijden, zelfs ‘zonder handen’.

Jones was ervan overtuigd dat de zelf-centrerende eigenschap die het voorwiel van een onbereden rijdende fiets kennelijk heeft op dezelfde wijze tot stand komt als het zelfcentreren van de zwenkwieltjes onder een winkelwagentje. Die wieltjes (casters, in het Engels) danken de eigenschap aan de forse afstand tussen hun contactpunt met de grond en het verlengde van de vertikale as waar zij om kunnen zwenken. Die afstand heet de naloop.