To nie jest tak banalny problem, jak mogłoby się wydawać. Wbrew pozorom w jadącym rowerze zachodzi bardzo dużo różnych sił mających wpływ na jego zachowanie. Najczęściej zwraca się uwagę na efekt żyroskopowy oraz geometrię widelca. Jak się jednak okazuje, nie są to kluczowe elementy, choć mają realny wpływ na efekt. Okazuje się, że tematem zajęto się na poważnie i dzięki temu mogę napisać ten artykuł, gdzie w uproszczony sposób odpowiem na pytanie, dlaczego rower się nie przewraca.
Eksperyment Davida Jonesa
Doktor David Jones był chemikiem, ale bardzo chętnie wychodził poza swoją dziedzinę i łączył naukowe podejście z niesamowitą kreatywnością. A do tego potrafił świetnie i zabawnie pisać. Poza wymyślaniem „niezwykłych” urządzeń, jak kosz na śmieci z czarną dziurą lub napędzany atomowo pogo stick, przewidział lasery chemiczne i możliwości tworzenia niezwykle trwałych struktur z atomów węgla w zaskakujący sposób przypominających zsyntetyzowane niemal dwadzieścia lat później fulereny. I to właśnie on zabrał się za wyjaśnianie, dlaczego rower się nie przewraca.
Pełen artykuł możecie przeczytać tu, co zdecydowanie radzę. Jest napisany przednio, a doktor Jones podszedł do tematu konkretnie, budując i testując modele (a właściwie przerabiając swój rower) oraz tworząc symulację komputerową (w roku 1970!).
Efekt żyroskopu nie odpowiada za to, dlaczego rower się nie przewraca!
Kiedy puścimy koło rowerowe tak, by jechało po płaskiej powierzchni, utrzyma się w pionie przez całkiem długo. Właśnie ten efekt działa, gdy puścimy rozpędzony rower – przejedzie on jeszcze kilkanaście metrów. Jones badał to zjawisko w cudownie prosty sposób – doczepił do roweru dodatkowe koło niedotykające podłoża. Rozkręcał je w przeciwną stronę, niż obracały się „podstawowe” koła w czasie jazdy, niwelując tym samym zjawisko żyroskopowe – rower przewracał się niemal od razu. Natomiast gdy koło kręciło się w tym samym kierunku, pozostawał stabilny dużo dłużej, nawet przy małych prędkościach. Co jednak ciekawe, gdy rower obciążony był rowerzystą, różnica w jeździe nie była odczuwalna. Stąd wniosek, że im większe obciążenie, tym większą rolę grają inne czynniki.
Kwestia geometrii
Niemal każdy współczesny rower (poza przeznaczonymi do niszowych sportów, na przykład akrobatyki rowerowej), ma widelec zamontowany pod kątem, a do tego oś koła wysunięta jest nieco do przodu względem osi skrętu. Nawet niewielka zmiana tego kąta i odległości (zwanej wyprzedzeniem) potrafi radykalnie wpłynąć na prowadzenie roweru. Zawsze jednak mieści się w takich granicach, aby przechył powodował nacisk na bok koła, który… prostuje je, przesuwając środek ciężkości. Wspomaga to także przechylenie roweru i wygenerowanie stabilizującej siły odśrodkowej w zakręcie. Łatwo zaobserwować to zjawisko (choć bez siły odśrodkowej) prowadząc rower za siodełko. Także z tego względu tak trudno jedzie się bez trzymanki na rowerze ze zbyt mocno skręconymi sterami.
W niektórych rowerach da się jednak obrócić widelec o 180 stopni (chyba każdy mechanik widział taki rower) i jazda na nim jest jak najbardziej możliwa. Co ciekawe, taki rower z ujemnym wyprzedzeniem puszczony samopas radzi sobie znacznie lepiej niż z prawidłowo zamocowanym widelcem, jednak w codziennym użytku prowadzi się dość nieprzyjemnie. Warto jednak zaznaczyć, że rozwiązanie to stosowano sporadycznie w rowerach do bicia rekordów prędkości. Zresztą jak wspominałem wcześniej, jeździ się i na takich z zerowym wyprzedzeniem na pionowym widelcu, choć jest to trudniejsze. Ba, da się na nich jeździć bez trzymanki, co w akrobatyce dzieje się notorycznie. Mamy więc do czynienia z elementem wspomagającym, ale nie najważniejszym.
Dlaczego rower się nie przewraca? Bo jest przyczepą
No ja wiem, że brzmi to absurdalnie. Już to tłumaczę. Każdy zgodzi się, że kierunek rowerowi nadaje przednie koło. To, że to właśnie tylne przekazuje moc, a także przenosi większość obciążeń, nie ma tu żadnego (a przynajmniej wartego odnotowania) znaczenia. Pomyśl o wózku sklepowym. Jeśli spróbujesz pchać go jedną ręką, będzie nieustannie potrzebować korekcji toru jazdy. Jeśli jednak go pociągniesz, będzie zwyczajnie za Tobą podążać. Pamiętaj tylko, że w tym wypadku nie koła wózka, a Ty nadajesz kierunek! Albo o samochodzie z przyczepą. Jazda do przodu nie jest trudna, ale utrzymanie jej prosto na wstecznym wymaga sporo wprawy.
I choć wydaje się to dziwne, to z punktu widzenia prowadzenia oraz geometrii, to cała rama wraz z tylnym kołem i rowerzystą podąża za przednim kołem i widelcem, które nadają kierunek. Jeśli rozpędzisz rower tyłem i puścisz go, niemal od razu się przewróci. Dlatego jazda do tyłu na ostrym kole wymaga znacznie więcej wprawy. Jest jednak możliwa, bo działają inne wymienione wcześniej czynniki, jak siła odśrodkowa, geometria widelca, a przede wszystkim aktywne utrzymywanie równowagi.
Ty to robisz
Utrzymywanie równowagi jest dla nas zupełnie naturalne, dlatego każdy potrafi utrzymać rower w pionie podczas bardzo powolnej jazdy choć przez kilka sekund. Oczywiście każdy, kto potrafi jeździć na rowerze, dla większości osób nie jest to jednak trudna sztuka. A im szybciej się jedzie, tym bardziej rower zyskuje na stabilności. Siłę równowagi łatwo zaprezentować, robiąc stójkę, czyli utrzymując rower w pionie, stojąc w miejscu. Wymaga to nieco wprawy, ale gdy złapie się już mechanizm, rzecz staje się naturalna.
Jak widać, rzecz jest złożona, ale możliwa do rozpracowania. Wyeliminowanie pojedynczych elementów, jak w przypadku odwrócenia widelca czy jazdy do tyłu nie uniemożliwia jazdy, ale wyraźnie ją utrudnia. Natomiast wyeliminowanie wszystkich, czyli postawienie nieruchomego roweru bez kolarza kończy się jego przewróceniem. Jaki stąd wniosek? Na rowerze należy jeździć.
