Foreløpig er ikke vitenskapen i stand til å gi et definitivt svar. Men det nærmer seg…
Sykkel. Det er akkurat som å sykle, ikke sant? Vel, ikke hvis du er Cornell University-professor Andy Ruina.
Han, sammen med medforfatterne Jim Papadopoulos, Arend Schwab, Jodi Kooijman og Jaap Meijaard, har skrevet en artikkel med tittelen A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Castor Effects som antyder tidligere siterte forhold for stabilitet ikke tilstrekkelig forklare – og er ikke engang nødvendig for – fenomenet den selvstabile sykkelen.
‘Det er en bemerkelsesverdig ting at folk i det hele tatt kan holde seg oppe på sykkel. Men noe av det mest fantastiske med sykler er at de kan balansere seg selv, sier Ruina.
Når vi gir eksemplet med den berømte scenen i Jacques Tatis film Jour de Fête fra 1949, der det slyngende postbudet François jager den løpende hesten sin mens den slynger seg uten rytter nedover en landevei, satte Ruina og hans medforskere i gang med å utforske den konvensjonelle visdommen som to nødvendige forutsetninger for at en sykkel skulle holde seg oppreist, var enten det gyroskopiske dreiemomentet til hjulene som snurret eller hjulsporet til forhjulet.
‘Du kan bare holde en sykkel oppreist når den er i bevegelse, sier Ruina. «Det som er velkjent er at styring gir deg balanse. Vi kan vise dette hvis vi låser styringen på en syklist uten fører, skyver den langs og så slipper den. Sykkelen vil raskt velte på samme måte som den velter når den står stille.’
Ruina sammenligner effekten med balanseringen av en kost på hånden. Når den vertikale kosten begynner å lene seg til venstre, flytter balanseren hånden til venstre også, og bringer bunnen av kosten tilbake under den fallende toppen, og gjenvinner dermed balansen. Men å ta rytteren ut av ligningen, hvorfor skjer dette med en sykkel?
‘Folk tror naturligvis at hvis noe snurrer fort, blir det stivt på grunn av den gyroskopiske effekten, så når du snur det, vil det snu den andre veien. Det er en vanlig forklaring. Den andre er at en sykkel oppfører seg som et hjul på en handlevogn.
kontaktpunkt
Folk antar at det faktiske bakkekontaktpunktet til forhjulet er foran styreaksen på grunn av hodevinkelen og gaffelraven. Men faktisk kontakter hjulet gulvet rett bak denne aksen.’
Resultatet er at på samme måte som et styrehjul som kan bevege seg 360° rundt en vertikal akse (tenk deg at headsettet ditt er styrehjulets peiling og navet er akselen), «følger» forhjulet styret ditt. Så som en handlevogn, skyv sykkelen fremover og forhjulet trer nødvendigvis inn og følger bak kjøreretningen.
Forskernes beregninger viste imidlertid at verken den gyroskopiske eller trinseeffekten faktisk er ansvarlig for en sykkels tilbøyelighet til å styre og stabilisere seg.
For å bevise dette, konstruerte Ruina og teamet hans det de kaller «Two Mass Skate» (TMS). Ser ut som en sammenleggbar sparkesykkel, og TMS har de samme egenskapene som en sykkel – to hjul og en fremre og bakre del av massen forbundet med et hengsel (dvs. headsettet) – men den er laget på en slik måte at den ikke er utsatt for gyroskopiske effekter eller trinseeffekter.
For å oppnå dette kommer to små hjul i kontakt med bakken, hver med et rørende og dermed kontraroterende hjul med lik masse på toppen, som opphever enhver gyroskopisk effekt med motsatt bevegelse (TMS-hjulene fungerer mer som skøyter). Og kontaktpunktet til forhjulet ligger foran styreaksen, ikke bak som med et styrehjul.
Når den skyves og slippes, forblir denne hjulløse, stiløse "sykkelen" oppreist, og retter seg til og med når den bankes fra siden.
Dette beviser derfor at noe annet, annet enn gyroskopiske eller trinseeffekter, må være ansvarlig for en sykkels tendens til å stabilisere seg ved å styre under seg selv. For å forklare dette hevder forskerne at fordelingen av masse, spesielt på styreenheten, er nøkkelen.
For å gå tilbake til kosteeksemplet, foreslår Ruina: 'TMS har en masse som er foran styreaksen, så vel som en masse i rammen. Når fronten på en sykkel faller, faller den raskere, akkurat som om du balanserer en blyant på hånden, vil den falle raskere enn en kost.
Så frontmassen faller raskere enn bakmassen, men de er forbundet med hverandre med styreaksen. I et forsøk på å falle raskere forårsaker frontenden styring og bringer sykkelen tilbake under seg selv.’
Ruina påpeker at dette fortsatt ikke løser spørsmålet om en sykkels stabilitet, ikke minst når det gjelder en syklist uten rytter. Men det den gjør er å stille opp nye spørsmål om hvordan vi holder oss oppreist på en sykkel, noe som en dag kan føre til grunnleggende designendringer.
Som forskerne sa det: «Disse resultatene antyder at den evolusjonære prosessen som har ført til vanlige nåværende sykkeldesign, kanskje ikke ennå har utforsket potensielt nyttige områder i designrommet.» Så der.
