Nie odbyłaby się nawet najkrótsza z naszych rowerowych wycieczek, gdyby rower się przewracał. Dlaczego się nie przewraca?

To podstawowe i bardzo proste pytanie, ale odpowiedź nie jest prosta. Nie da się jednym zdaniem wytłumaczyć zjawiska stabilności roweru. Fizycy, którzy zajmowali się tym tematem, przez długie dziesięciolecia nie potrafili odpowiedzieć na to pytanie i nie zgadzali się ze sobą wzajemnie. Dopiero dwadzieścia lat temu naukowcom udało się w sposób wiarygodny wyjaśnić zjawisko stabilności roweru. Już w dziewiętnastym wieku, bez żadnej wiedzy fizycznej konstruowano dynamiczne i dobrze wyważone bicykle, ale dopiero sto lat później sformułowana została pełna teoria fizyki roweru, poprawnie interpretująca siły odpowiedzialne za stabilność roweru. Zadziwiające, że człowiek metodą prób i błędów nauczył się dobierać optymalne parametry, które dopiero znacznie później zostały wskazane i potwierdzone przez naukę. Ten proces dotyczy z resztą całego rozwoju naszej cywilizacji. Przed naszym spotkaniem przeprowadziłem mały test wśród znajomych, pytałem ich dlaczego rower się nie przewraca?

I jak odpowiadali najczęściej?

Że to zasługa człowieka, który tak balansuje ciałem, aby rower był stabilny.

A to nieprawda?

Nie do końca, bo każdy rower rozpędzony do odpowiedniej prędkości i puszczony swobodnie pojedzie sam (czyli bez rowerzysty) i nie przewróci się aż do momentu gdy zanadto nie zwolni. Rower dysponuje bowiem tak zwaną stabilnością własną, która powoduje, że w ruchu sam utrzymuje równowagę. W Internecie jest sporo filmików pokazujących, że rower jadący prosto, z właściwą szybkością potrafi pokonać wiele, wiele metrów.

A jaka szybkość jest potrzebna aby zapewnić rowerowi stabilność?

W zupełności wystarczy przeciętna prędkość, z jaką jeździmy - piętnaście kilometrów na godzinę. Co więcej, przy tej szybkości stabilność jest już tak duża. że gdy dogonimy swobodnie jadący rower i lekko popchniemy go z boku, to nie przewróci się lecz zakołysze się i wróci do równowagi.

Jak “wańka - wstańka”?

Dokładnie tak. Dobrze to widać na filmie opublikowanym pod adresem http://www.youtube.com/watch?v=PXRQdWG9FuM. Przeciw teorii balansowania ciałem świadczy też fakt, że niebywale trudno jest zachować równowagę na nieruchomym rowerze. Musimy się poruszać aby układ “rower - człowiek” był stabilny. Można wręcz stwierdzić, że człowiek potrzebny jest tylko do tego, aby napędzać rower i nim kierować, bo o stabilność samego pojazdu dbają już prawa fizyki.

Jakie to prawa?

Wróćmy do testu, który przeprowadziłem wśród znajomych. Fizycy odpowiadali w nim inaczej niż “niefizycy”, zgodnie twierdząc, iż koła roweru działają jak żyroskop. Co to znaczy? Popularną zabawką wśród dzieci był kiedyś “bąk”, który kręcił się wokół własnej osi i nie przewracał tak długo, aż ruch nie ustał. Na tej samej zasadzie, zgodnie z tą interpretacją powinny działać koła roweru.

Lecz nie działają?

Działają, ale gdy przeprowadzimy dokładne obliczenia (co zrobiono już na początku wieku dwudziestego), to okaże się, iż siły żyroskopowe są zbyt słabe, aby w pozycji pionowej utrzymać układ tak ciężki jak “rower - człowiek”. Siły te mogą przypuszczalnie wystarczyć do zapewnienia stabilności własnej roweru, lecz gdy na niego wsiądziemy, to musi działać coś więcej.

Co?

Druga teoria wskazuje na siłę odśrodkową, która - gdy pochylamy się na zakręcie do wewnątrz - działa w przeciwną stronę, przywracając nam pozycję pionową. Według tej teorii, rowerzysta nigdy nie porusza się po linii idealnie prostej, lecz cały czas wykonuje minimalne ruchy kierownicą, wystarczające do wyzwolenia siły odśrodkowej na tyle dużej, aby zagwarantować stabilność. Działanie tej siły najłatwiej możemy zauważyć na zakrętach i tuż przed nimi. Zazwyczaj bowiem, na ułamek sekundy przed mocnym skrętem wykonujemy minimalny ruch kierownicą w stronę przeciwną, niż zamierzamy jechać, właśnie po to, aby optymalnie wykorzystać siłę odśrodkową roweru. Obserwacja zachowania naszego przedniego koła przed ostrymi skrętami może być bardzo pouczająca, gdyż najczęściej ruch kierownicą wykonujemy podświadomie, nie zdając sobie z tego sprawy. Zgodnie z dzisiejszą wiedzą to właśnie siła odśrodkowa w najistotniejszy sposób odpowiada za równowagę roweru. To jednak nie wszystko. Trzecim czynnikiem decydującym o stabilności jednośladu jest jego geometria. Intuicyjnie, na pytanie o najważniejszy parametr fizyczny roweru odpowiemy: masa pojazdu, czy wielkość kół, ale za zapewnienie stabilności odpowiada przede wszystkim tak zwany “ślad”.

Ślad?

Gdy idealnie prosto przedłużmy oś kierownicy (możemy to doświadczalnie zrobić linijką), to w pewnym momencie dotkniemy podłoża. “Ślad” roweru to odległość między punktem styku przedłużonej osi kierownicy z ziemią, a punktem, w którym przednie koło dotyka gruntu. We wszystkich rowerach “ślad” jest dodatni, czyli miejsce, w którym oś kierownicy dotknęłaby ziemi, znajduje się przed miejscem styku opony. Odległość między tymi dwoma punktami to najczęściej sześć - osiem centymetrów, każdy może to sobie łatwo zmierzyć. “Ślad” roweru musi być dodatni.

A gdyby był ujemny?

To rower byłby niestabilny, nie dałoby się na nim jeździć.

Siła żyroskopowa i odśrodkowa nie wystarczą, aby utrzymać równowagę na takim rowerze?

Cyrkowcowi - akrobacie wystarczą, ale przeciętnemu rowerzyście byłoby niebywale trudno opanować taki pojazd. Istotność “śladu” odkryto dopiero w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku. We wszystkich wcześniej konstruowanych rowerach parametr ten był oczywiście dodatni, lecz nikt nie zdawał sobie sprawy z jego istnienia. Metodą prób i błędów był jednak zawsze dobierany optymalnie, różnie dla różnych rowerów.

A jakie znaczenie ma wielkość “śladu” roweru?

Im większa jest odległość między punktem, w którym hipotetyczna oś kierownicy dotyka ziemi, a punktem styku opony, tym rower jest stabilniejszy i tym łatwiej - na przykład - jeździć nim “bez trzymanki”. Aby się o tym przekonać wystarczy odwrócić przednie koło o 180 stopni, powodując znaczne wydłużenie “śladu”, wyraźnie ułatwiające zachowanie równowagi.

Taki rower byłby zatem doskonały do nauki jazdy!

Niestety nie, bo taki rower jest aż tak stabilny, że trudno nim skręcać. Coś za coś, trzeba wybierać: albo mamy rower zwrotny, albo stabilny, albo w różnych proporcjach łączący te dwie cechy. Najkrótszy “ślad” mają rowery wyczynowe, a najdłuższy majestatyczne miejskie “holendry” (o rowerach poziomych nie wspominając). Złap rower za siodełko i poprowadź przed sobą: gdy przechylisz go lekko, przednie koło skręci w tym samym kierunku, takie zachowanie wywołane jest właśnie przez “ślad” dodatni. Reasumując: za stabilność roweru odpowiada siła żyroskopowa (najmniej), odśrodkowa oraz geometria (najbardziej), wzajemnie się równoważąc i uzupełniając. O pierwszych dwóch siłach wszyscy słyszeliśmy na lekcjach fizyki, myślę natomiast, że mało kto zdaje sobie sprawę z tego, jak istotnym parametrem jest “ślad” roweru.

Myślę, że prawie nikt nie zdaje sobie z tego sprawy... Ale wspomniałeś też o masie roweru i wielkości kół.

Dla zapewnienia stabilności pojazdu mają dużo mniejsze znaczenie.

A czy użytkownik może dodatkowo sam poprawić stabilność roweru?

Jednym z parametrów roweru jest kąt pochylenia kierownicy, który zazwyczaj wynosi 20 stopni. Gdyby ten kąt nieco zmniejszyć, zachowując ten sam “ślad”, to stabilność roweru wzrośnie. Prościej mówiąc, należałoby kierownicę ustawić bardziej pionowo. W tej kwestii jednak niezbędny jest pewien kompromis pomiędzy komfortem jazdy, a równowagą. Co jeszcze? Przy wyższych prędkościach rower jest stabilniejszy, gdy środek ciężkości przesuniemy do przodu. Można to zauważyć obserwując kolarzy, którzy podczas szybkich zjazdów bardzo wyraźnie pochylają się nad kierownicą.

Myślałem, że w ten sposób tylko zmniejszają opór powietrza.

Owszem, opływowość kształtu jest w tym przypadku najważniejsza, ale poprawa stabilności również ma znaczenie. A ponadto zwiększenie prędkości jest dla kolarza dodatkowo o tyle istotne, że im rower jedzie szybciej, tym trudniej go wytrącić z równowagi.

Chyba do pewnych granic...

Teoretycznie wydłużając w nieskończoność “ślad” roweru, zwiększamy też w nieskończoność prędkość przy której zachowuje stabilność. W praktyce jednak każdy rower ma swój dolną i górną granicę stabilności. I jeszcze jedno, bardzo ważne: wszystkie te rozważania dotyczą roweru jadącego bez człowieka, więc nie wpadnijmy w pułapkę wyciągając stąd fałszywy wniosek, że tym bezpieczniejsi jesteśmy, im jedziemy szybciej. Bezpieczeństwo jazdy zależy od wielu czynników, znacznie istotniejszych, niż stabilność. A najstabilniejszy zawsze i tak pozostanie rower z dwoma bocznymi kółkami... (śmiech)

Oraz girobike...

Rower, na którym podczas jazdy nie można się przewrócić? Z przednim kołem przerobionym tak, aby maksymalnie zwiększyć działanie sił żyroskopowych? To interesujący wynalazek, lecz niezbyt praktyczny, bo takim rowerem jest bardzo trudno kierować.

Czy o równowadze jednośladów wiemy już wszystko?

Wciąż trwają badania zjawiska stabilności roweru, więc nie można wykluczyć nowych odkryć, lecz teoria współdziałania siły żyroskopowej, odśrodkowej i geometrii jest już bardzo dobrze potwierdzona doświadczalnie. Na politechnice w Delft zbudowano “najeżony” elektroniką rower, z przymocowanym na bagażniku laptopem, który rejestrował najważniejsze parametry jazdy. Prace te udowodniły poprawność wszystkich teoretycznych wyliczeń. To bardzo ciekawy i obszerny temat. Można nawet napisać pracę magisterską o fizyce roweru.

W Polsce też?

Ja znam wyłącznie pracę magisterską właśnie z Delft, w Holandii. A w Polsce chyba tylko świętej pamięci profesor Krzysztof Ernst z Uniwersytetu Warszawskiego poważnie zajmował się fizyką roweru. Cały jeden rozdział jego książki “Fizyka sportu” jest poświęcony kolarstwu.

A co jeszcze może interesować fizyka w rowerze?

Wszystko! Moc produkowana przez kolarza, sprawność człowieka napędzającego rower, prędkości jakie może osiągać, materiały konstrukcyjne, siły hamowania, zjawisko tarcia, mechanika (i tu ciekawostka: owalna przednia zębatka efektywniej wykorzystuje moc człowieka, niż okrągła!), aerodynamika.

No właśnie, o aerodynamice roweru słyszy się znacznie więcej, niż o stabilności.

Bo wszyscy zdajemy sobie sprawę z tego jak istotne jest zmniejszenie oporów powietrza i wszyscy znamy podstawowe sposoby na poprawienie opływowości kształtów. Wiemy, że aby jechać szybciej należy położyć się na kierownicy. Tu wielkiej filozofii nie ma. Znacznie ciekawsza z punktu widzenia aerodynamiki jest konstrukcja kasku, te najlepsze wytwarzane obecnie są wydłużone i zakrzywione tak, że tworzą linię ciągłą z plecami kolarza. A jeszcze lepsze, lecz o ile wiem wciąż nigdzie nie produkowane, byłyby kaski indywidualnie dopasowane do każdego człowieka - kształtu jego głowy i karku, sposobu pochylenia, krągłości pleców. Natomiast w samym rowerze, dla poprawienia aerodynamiki, chyba niewiele więcej możemy zrobić ponad to, co już robimy. W kolarstwie torowym montuje się na kołach tarcze, które zmniejszają opory powietrza poprzez niwelację zawirowań pomiędzy szprychami, a w droższych modelach rowerów szosowych stosowane bywają szprychy podłużne w przekroju, również zmniejszające zawirowania.

Wspomniałeś też o siłach tarcia.

Tarcie z jednej strony utrudnia nam jazdę, lecz z drugiej... umożliwia. Bo zupełnie pozbawieni tarcia nie moglibyśmy ruszyć z miejsca. Z resztą nie tylko na rowerze... Fizyka towarzyszy nam wszędzie, z czego na co dzień albo nie zdajemy sobie sprawy, albo nie zastanawiamy się nad tym. I vice versa, fizyk zauważa zjawiska fizyczne, nawet w sytuacjach tak trywialnych, jak mijający go, dzwoniący rowerzysta. Żartujemy sobie mówiąc, że dobry fizyk nawet w lodówce potrafi zarejestrować zjawisko Dopplera...

Zjawisko Dopplera?

Gdy zbliża się do nas z przeciwka dzwoniący rowerzysta, to słyszymy inny dźwięk, niż gdy się od nas oddala, pomimo, że dzwoni tym samym dzwonkiem i wciąż w ten sam sposób. A im większa prędkość, tym efekt jest wyraźniejszy.

Czy jest coś jeszcze w teorii stabilności roweru, co wciąż pozostaje zagadką dla fizyków?

Owszem: człowiek. Mamy już dobrą teorię, dysponujemy potwierdzającymi ją wynikami doświadczeń, ale nadal do końca nie wiemy jak działa układ “rower - człowiek”. Bo człowiek wprowadza tyle różnych dodatkowych parametrów, że trudno jest je wszystkie ogarnąć, przewidzieć i określić ich wpływ. Można powiedzieć, że liczba tych parametrów jest tak duża, jak liczba rowerzystów. Cóż, fizyka roweru z pewnością byłaby znacznie prostsza, gdyby nie rowerzyści... (śmiech).

Jakub Terakowski

Wywiad został opublikowany w miesięczniku "Rowertour" nr 8/2010. Wszelkie rozpowszechnianie i wykorzystywanie tego tekstu lub jego fragmentów, wymaga zgody Redakcji.