Nachlauf und Selbststabilität

Trail and Self-Stability

Fitness und Bewegung Klasse 4 12 Aufgaben
RadfahrenPhysikDynamik

Das Kind beurteilt Versuche mit Rädern und Rollen: Die schräge Lenkachse trifft den Boden vor dem Reifenaufstandspunkt (Nachlauf), so wie bei der Einkaufswagenrolle — darum lenkt die Front beim Neigen von selbst in den Fall, und ein angeschobenes Rad ohne Fahrer fängt in einem mittleren Tempobereich (beim Messrad etwa 4,3–6,0 m/s) kleine Kipper selbst ab. Es widerlegt den Mythos „der Kreiseleffekt hält das Rad oben“: Jones (1970) fuhr ein Rad mit aufgehobenem Kreiseleffekt, und Kooijman u. a. (2011) bauten ein selbststabiles Rad ganz ohne Kreiseleffekt und Nachlauf (Meijaard u. a. 2007). Erklärt freihändiges Fahren und bereitet Kräfte und Gleichgewicht in Physik vor.

Schiebe ein Fahrrad zügig an und lass es allein losrollen: Es fährt ein erstaunliches Stück, fängt kleine Kipper selbst ab und fällt erst, wenn es langsam wird. Das Rad beherrscht den Trick aus den letzten Abschnitten — lenken ins Kippen — ohne Fahrer. Wie?

Der sichtbarste Helfer steckt in der Lenkgeometrie. Die Lenkachse zeigt schräg nach vorn-unten und trifft den Boden ein Stück vor dem Punkt, an dem der Reifen aufliegt. Dieses Stück heißt Nachlauf. Das Vorderrad wird dadurch hinter seinem Lenkpunkt hergezogen — wie eine Einkaufswagenrolle, die sich von selbst hinter die Fahrtrichtung stellt. Kippt das Rad nach links, drückt der Boden den Reifen so, dass das Vorderrad von selbst nach links einlenkt: genau die Korrektur, die ein Fahrer machen würde.

Verstelle den Lenkwinkel der Achse und beobachte, wie der Nachlauf wächst und schrumpft. Echte Gabeln sind zusätzlich gekröpft, was den Nachlauf etwas verkürzt.

Daneben wirken die drehenden Laufräder als kleine Kreisel, die Richtungsänderungen sanft dämpfen. Die berühmte Erklärung „das Rad bleibt durch den Kreiseleffekt oben" ist trotzdem falsch — als Alleinursache. Der Physiker David Jones baute 1970 ein Fahrrad mit einem gegenläufigen Zusatzrad, das den Kreiseleffekt aufhob: Es ließ sich problemlos fahren. 2011 zeigte ein Team um Andy Ruina und Arend Schwab in Science ein kufenartiges Versuchsrad ohne Kreiseleffekt und ohne Nachlauf, das trotzdem von selbst stabil fährt. Gemeinsam ist allen stabilen Bauformen nur eins: Kippt das Rad, lenkt die Front von selbst in den Fall.

Dieselbe Forschung hat das Verhalten vermessen: Das Standard-Messrad von Meijaard, Papadopoulos, Ruina und Schwab (2007) stabilisiert sich selbst etwa zwischen 4,3 und 6,0 m/s — und genau das erlebt das übende Kind. Ab flottem Tempo arbeitet das Rad mit ihm: Tempo plus Nachlauf fangen die kleinen Kipper ab, und nur die großen bleiben für den jungen Fahrer übrig.

Voraussetzungen (1)

Lenken ins Kippen
Klasse 4
›
Mittel
Multiple Choice #1 16s â–¶ Testen

Welche Rolle läuft nach demselben Prinzip wie der Nachlauf am Fahrrad?

  • â—Ź die drehbare Vorderrolle eines Einkaufswagens
  • â—‹ das Rad einer Schubkarre
  • â—‹ die Räder einer Eisenbahn auf der Schiene
Bei der Einkaufswagenrolle liegt der Drehpunkt vor der Auflage — die Rolle wird hinterhergezogen und dreht sich von selbst in Fahrtrichtung. Beim Rad trifft die Lenkachse den Boden vor dem Reifenaufstandspunkt.
Multiple Choice #2 20s â–¶ Testen

Ein Forscher baut ein Fahrrad, bei dem ein gegenläufiges Zusatzrad den Kreiseleffekt aufhebt (Jones 1970). Was passiert beim Fahren?

  • â—Ź es lässt sich weiterhin fahren und balancieren
  • â—‹ es kippt sofort um und ist unfahrbar
  • â—‹ es fährt nur noch rĂĽckwärts stabil
Der Kreiseleffekt hilft ein wenig, ist aber nicht die Ursache. 2011 zeigten Kooijman und Kollegen in *Science* sogar ein selbststabiles Rad ohne Kreiseleffekt und ohne Nachlauf.
Multiple Choice #3 16s â–¶ Testen

Man schubst ein Fahrrad ohne Fahrer kräftig an. Was passiert meist?

  • â—Ź es rollt ein StĂĽck aufrecht und fängt kleine Kipper selbst ab
  • â—‹ es kippt sofort nach dem Loslassen um
  • â—‹ es fährt eine immer engere Kurve rĂĽckwärts
Im mittleren Tempobereich lenkt die Front bei jedem Kipper von selbst in den Fall — dieselbe Korrektur, die ein Fahrer machen würde. Erst wenn das Rad langsamer wird, kippt es.
Wahr / Falsch #4 14s â–¶ Testen

Ein fĂĽhrerloses Rad, das immer langsamer rollt, bleibt bis zum Stillstand von selbst stabil.

âś“ Falsch
Die Selbststabilität gilt nur in einem Tempobereich (beim Messrad von Meijaard u. a. 2007 etwa 4,3 bis 6,0 m/s). Darunter fällt das Rad um.
Multiple Choice #5 16s â–¶ Testen

Du schiebst dein Rad am Sattel und neigst es leicht nach rechts. Was macht der Lenker?

  • â—Ź er dreht sich von selbst nach rechts
  • â—‹ er dreht sich nach links
  • â—‹ er bleibt genau geradeaus
Wegen Nachlauf und Lenkgeometrie lenkt die Front beim Neigen in die Kipprichtung — so kann man ein Rad freihändig am Sattel um Kurven schieben.
Wahr / Falsch #6 14s â–¶ Testen

Lisa fährt freihändig und neigt die Hüfte leicht nach links. Ihr Rad fährt daraufhin eine Linkskurve.

âś“ Wahr
Die Selbststeuerung der Front übernimmt die Korrekturen; der Fahrer steuert mit kleinen Hüftbewegungen. Ohne diese Geometrie wäre freihändiges Fahren kaum möglich.
Multiple Choice #7 18s â–¶ Testen

Ein Bastler dreht die Vordergabel um 180°, sodass der Nachlauf negativ wird. Wie fährt sich das Rad?

  • â—Ź viel kippeliger und schwerer zu balancieren
  • â—‹ genauso wie vorher
  • â—‹ ruhiger und stabiler als vorher
Ohne positiven Nachlauf fehlt bei normalen Rädern das selbsttätige Mitlenken in den Fall. Der Fahrer muss jede Korrektur selbst machen.
Multiple Choice #8 16s â–¶ Testen

Einen Einkaufswagen schiebt man mit den drehbaren Rollen voraus. Was tun die Rollen beim Losschieben?

  • â—Ź sie drehen sich herum und laufen hinter ihrem Drehpunkt her
  • â—‹ sie bleiben quer stehen
  • â—‹ sie blockieren
Eine nachlaufende Rolle richtet sich immer hinter ihrem Drehpunkt aus — dasselbe Prinzip richtet das Vorderrad eines Fahrrads in die Fahrtrichtung.
Wahr / Falsch #9 14s â–¶ Testen

Ein Messrad wird ohne Fahrer mit etwa 5 m/s angeschoben. Es fängt kleine Kipper von selbst ab.

âś“ Wahr
5 m/s liegt im selbststabilen Bereich des Messrads (etwa 4,3 bis 6,0 m/s, Meijaard u. a. 2007): Die Front lenkt bei jedem Kipper von selbst in den Fall.
Wahr / Falsch #10 16s â–¶ Testen

Ein Versuchsrad hat so leichte Räder, dass sie fast keinen Kreiseleffekt erzeugen. Es kann trotzdem von selbst stabil rollen.

âś“ Wahr
Der Kreiseleffekt ist nur ein kleiner Helfer. Entscheidend ist, dass die Front beim Neigen in den Fall lenkt — das zeigten Jones (1970) und Kooijman u. a. (2011).
Multiple Choice #11 16s â–¶ Testen

Ein führerloses Rad rollt zügig geradeaus. Jemand stößt das Vorderrad kurz zur Seite an. Was passiert meist?

  • â—Ź es schwenkt kurz und rollt dann wieder geradeaus weiter
  • â—‹ es fällt sofort um
  • â—‹ es fährt von da an immer im Kreis
Im selbststabilen Tempobereich klingt eine kleine Störung von selbst ab: Das Rad kippt leicht, die Front lenkt nach, und es richtet sich wieder auf.
Multiple Choice #12 16s â–¶ Testen

Zwei Räder sind gleich, nur hat Rad A 6 cm Nachlauf und Rad B gar keinen. Welches lenkt beim Neigen stärker von selbst in den Fall?

  • â—Ź Rad A
  • â—‹ Rad B
  • â—‹ beide gleich stark
Der Nachlauf lässt den Boden das Vorderrad wie eine Einkaufswagenrolle in die Neigung drehen. Ohne Nachlauf fehlt dieser Helfer.