omvallen met de fiets
stelde deze vraag op 18 januari 2008 om 15:54.Reacties
via de way back machine vond collega Theo de oude site-inhoud terug:
https://web.archive.org/web/20080309194824/http:/www.fietsica.be/evenwicht_en_sturen.htm
Alvorens de tekst daar mogelijkerwijze ook verdwijnt, volgt hier de tekst:
Een stilstaande fiets is een intrinsiek onstabiel ding. Immers, het zwaartepunt van de combinatie fietser en fiets ligt hoger dan het steunpunt. Het verticaal in evenwicht houden van een borstelsteel op de hand stelt ongeveer hetzelfde probleem. Zodra we voelen dat de steel naar links zou gaan vallen verplaatsen we onze hand naar links en brengen het steunpunt opnieuw onder het zwaartepunt. We kunnen een lange steel gemakkelijker in evenwicht houden dan een korte. Uit de fysica weten we dat de lange steel een groter traagheidsmoment heeft dan de korte steel, en daardoor trager zal omvallen waardoor we meer tijd hebben om te reageren en de hand te verplaatsen. Een fietser met hoog liggend zwaartepunt is dus gemakkelijker in evenwicht te houden dan een fietser met een laag liggend zwaartepunt, b.v. een ligfiets. Om de zelfde reden is het ook veel gemakkelijker op hoge stelten te lopen dan op lage. In het voorbeeld met de bezemsteel is het ook niet voldoende de hand met een constante snelheid te verplaatsen. Uit ondervinding weten we dat we eerder een korte versnelde beweging moeten uitvoeren, liefst ietsje te ver zodat we een beetje moeten weerkeren. Op die manier komen we tenslotte tot een heen-en-weer beweging rond het gemiddelde steunpunt. Bij het fietsen hebben we eerder een steunlijn tussen de steunpunten van voor- en achterwiel. Ons zwaartepunt zal nu eens links, dan eens rechts van deze steunlijn vallen zodat we ook voortdurend kleine correcties nodig hebben. Een fietser kan daarom nooit op een exact rechte lijn rijden maar oscilleert rond de centrale lijn. Deze oscillatie is duidelijk te zien wanneer we een renner frontaal met een telelens volgen. Deze kleine oscillaties van het voorwiel zijn absoluut noodzakelijk voor het behoud van het evenwicht waardoor een fiets waarvan het balhoofd geblokkeerd is helemaal onberijdbaar is. Indien er geen voorwaartse beweging is kan er ook geen links-rechts verplaatsing zijn en iedere stilstaande fiets moet dus noodzakelijk omvallen. Wat dan met ''sur-placen?'' Een renner kan gemakkelijk stil staan op een velodroom op een lichte helling, echter met het voorwiel onder een hoek, en naar boven gericht. Dank zij de vaste pion gaat hij dan enkele cm naar voor-rechts of naar achter-links, net voldoende om in evenwicht te blijven. Hij staat dus nooit echt stil!
Zodra een fiets in beweging is kan hij in evenwicht blijven, zelfs zonder hulp van een fietser op voorwaarde dat hij automatisch stuurt in de richting van het onevenwicht. Indien deze sturing in de richting van de val voldoende groot is, kan de fiets autonoom rechtuit blijven rijden zonder vallen. De fysica levert twee mogelijke effecten die voor deze zelfsturing kunnen zorgen, n.l. het gyroscoopeffect en de invloed van een positieve naloop.
Het voorwiel als gyroscoop
De gyroscoop, eigenlijk ieder voorwerp dan rond een as draait, is een eigenaardig en eigenwijs ding. Wanneer we de rotatieas van een gyroscoop trachten in een andere richting te draaien, dan zal zij weerstand bieden aan onze pogingen, en effectief gaan draaien maar in een richting loodrecht op onze bedoeling. Dit is de precessiebeweging. Voor een fiets betekent dit dat wanneer de fiets naar links leunt, het voorwiel naar links zal sturen. Wanneer we dus dreigen naar links te vallen, stuurt de gyroscoop automatisch naar links en helpt zo om niet te vallen. De vraag is maar; is deze zelfsturing door de precessiebeweging sterk genoeg om ons recht te houden? Indien het wiel achterwaarts zou draaien zou een leunen naar links automatisch een sturing naar rechts meebrengen. In een filmpje zien we dit effect voor twee wielen op dezelfde as die in de zelfde richting draaien. Indien we één wiel voorwaarts, en het andere achterwaarts laten draaien, verdwijnt het gyroscoopeffect en vallen de wielen gewoon in horizontale stand.
De naloop van het voorwiel
Wanneer we het stuur draaien zwenkt het voorwiel rond de schuine as die bepaald wordt door het balhoofd. Deze as komt niet noodzakelijk overeen met de helling van de vork. Wanneer we deze balhoofdas denkbeeldig verlengen tot aan de grond zal ze eventueel de verticale lijn kruisen die door de naaf en het steunpunt van het wiel gaat. 
In het linkse geval ligt het snijpunt van de balhoofdlijn met de grond vóór het steunpunt, en we hebben een positieve naloop. Alle normale fietsen hebben een positieve naloop. Wanneer we een stilstaande of rijdende fiets met positieve naloop naar rechts hellen zal het voorwiel automatisch naar rechts sturen omdat daardoor het zwaartepunt van het voorwiel verlaagd wordt. Het naar rechts zwenken van een naar rechts hellende fiets is dus te wijten aan de zwaartekracht en aan de positieve naloop. Indien we het voorwiel naar voor verplaatsen kan de naloop nul, en zelfs negatief wordt. In dit geval zal het leunen van de fiets naar één kant geen sturing naar deze kant veroorzaken. Integendeel, het voorwiel zal dan halsstarrig terugsturen naar de centrale ''rechtuit'' positie.
Gyroscoop of Naloop?
Bij een fiets werken zowel het gyroscoop effect als de positieve naloop in de gunstige zin voor de stabiliteit en de bestuurbaarheid. Welk effect is echter het belangrijkst?
Het is mogelijk het gyroscoopeffect helemaal uit te schakelen door naast het normale voorwiel één of twee kleinere (zodat zij de grond niet raken) vrij lopende wielen te monteren welke we achterwaarts laten draaien. Een dergelijke fiets blijft perfect berijdbaar! Voor de lichte fietswielen en de kleine snelheden die we halen blijkt het gyroscoopeffect verwaarloosbaar te zijn tegenover het naloopeffect.
Een fiets met negatieve naloop wordt echter praktisch onbestuurbaar. Zie op de rechtse foto een dergelijke fiets. Rechtuit rijden lukt nog met deze fiets. Zelfs bochten nemen lukt ook maar we moeten heel sterk op het stuur trekken want dit wringt naar de verkeerde kant. De ultieme test is echter rijden zonder de handen aan het stuur, het evenwicht houdend door de positie van het lichaam. Nog niemand is er in geslaagd met deze fiets gedurende 10 meter gewoon rechtuit te rijden zonder handen. Aangezien het naloopeffect veroorzaakt wordt door de zwaartekracht, is het evenredig met het gewicht van de fietser.
Bij een fiets zonder fietser is dit effect dus heel zwak. Nochtans kan een goed gebalanceerde fiets zonder fietser honderden meter rechtuit rijden zonder om te vallen. In dit geval zullen beiden effecten, gyroscoop en naloop ongeveer even sterk aanwezig, en zij houden samen deze fiets stabiel in de goede baan.
