Dossier: Fietsen en wetenschap

Waarom een rijdende fiets niet omvalt (anders dan je denkt)

Als je een fiets voldoende snelheid geeft, kun je hem een zwiep geven zonder dat hij omvalt. Wetenschappers proberen al meer dan honderd jaar een sluitende verklaring voor deze bijzondere eigenschap te geven. Onderzoekers van de TU Delft werpen deze week nieuw licht op de zaak via een publicatie in Science. (bron)

Het onderzoek van de TU Delft, in samenwerking met wetenschappers van Cornell University (VS), draait om de intrigerende vraag: waarom is een fiets, boven een bepaalde snelheid, uit zichzelf stabiel? Je geeft een fiets snelheid en dan kun je hem zo maar een flinke zwieper geven, zonder dat hij omvalt.

Onderzoekers buigen zich al heel lang over deze ingewikkelde vraag, zelfs vanaf de negentiende eeuw. En tot recent luidde de wetenschappelijke consensus dat de stabiliteit heel sterk te maken had met twee factoren. Ten eerste zouden de draaiende wielen van de fiets, via gyroscopische effecten, voor stabiliteit zorgen. En ten tweede dacht men dat de factor ‘naloop’ (in het Engels ‘trail’) een belangrijke rol speelde. Naloop is de mate waarin het contactpunt van het voorwiel achter de stuuras aanloopt.

De publicatie van de TU Delft in Science maakt aan dit oude idee definitief een einde. ‘Wij wisten al jaren dat de gangbare verklaring voor de stabiliteit van de fiets te simpel was’, zegt onderzoeker dr.ir. Arend Schwab van de faculteit 3mE van de TU Delft. ‘Gyroscopische effecten en naloop helpen wel, maar zijn niet noodzakelijk voor de stabiliteit.’
Stabiliteit voorspellen

Enkele jaren geleden heeft Schwab met collega’s al gepubliceerd over de theorie achter de stabiliteit van de fiets (in 2007 in Proceedings of the Royal Society, doi:10.1098/rspa.2007.1857). Er is toen een wiskundig model ontwikkeld met zo’n 25 fysieke parameters, dat heel goed bleek te kunnen voorspellen óf, en bij welke snelheden, een bepaald fietsontwerp stabiel is.

‘In de Science-publicatie tonen we nu ook experimenteel aan dat onze inzichten hierover kloppen.’ Schwab ontwierp en bouwde samen met promovendus ir. Jodi Kooijman een fiets waarmee experimenteel was aan te tonen dat gyroscopische effecten en naloop niet noodzakelijk zijn om een fiets, boven een bepaalde snelheid, uit zichzelf stabiel te houden. Dit werd de zogenoemde Two Mass Skate bicycle. Deze heeft kleine plus tegengesteld draaiende wielen, dus geen noemenswaardig gyroscopisch effect, en een kleine negatieve naloop, een voorloop dus. En toch blijft ook deze fiets stabiel.

‘Dat ging niet zomaar’, vertelt promovendus Jodi Kooijman, die het grootste deel van het experimentele werk uitvoerde. ‘Het eerste prototype mislukte en na een aantal iteratie slagen hadden we de moed bijna opgegeven, toen we van dit type ineens wél de stabiliteit konden laten zien.’ ‘Maar dan moet wel alles kloppen. Je hebt bijvoorbeeld te maken met de ondergrond. Die moet precies de juiste stroefheid en stijfheid hebben. In Sporthal II van de TU Delft bleek het allemaal te lukken.’

Stuurinrichting

De theorie is nu dus experimenteel bevestigd. Maar zijn er ook nog nieuwe theoretische inzichten uit het experimentele werk voortgevloeid? Schwab: ‘We hebben aangetoond dat de massaverdeling ook belangrijk is voor de stabiliteit, vooral de locatie van het massamiddelpunt van de stuurinrichting van de fiets.’ Voor een stabiele fiets moet de stuurinrichting instabiel zijn; als de fiets valt moet het stuur sneller vallen.

Kunnen fietsfabrikanten iets met de theoretische inzichten van Schwab en consorten? ‘Zeker. De huidige fiets is ontstaan vanuit een vrij lang evolutieproces en is dus nogal conservatief. Aan het basisontwerp van de fiets is sinds het einde van de 19e eeuw dan ook niets wezenlijks meer veranderd. Met ons model kunnen fabrikanten gericht sleutelen aan de stabiliteit van hun fietsen. Dat kan vooral interessant zijn voor bijzondere ontwerpen zoals ligfietsen, vouwfietsen en bakfietsen.’