Een 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 vanaf de negentiende eeuw over deze inge-wikkelde vraag. 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. Ten tweede werd gedacht 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.
Onderzoek
Een publicatie van de TU Delft in het wetenschappelijke tijdschrift 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.’
Enkele jaren geleden heeft Schwab met collega’s al gepubliceerd over de theorie achter de stabiliteit van de fiets. Er is toen een wiskundig model ontwikkeld met zo’n 25 fysieke parameters, dat goed bleek te kunnen voorspellen óf, en bij welke snelheden, een bepaald fietsontwerp stabiel is. In de nieuwe publicatie tonen ze nu ook experimenteel aan dat de inzichten hierover kloppen.
Experimenten
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.
De Two Mass Skate bicycle.
Dat ging echter niet zomaar’. Het eerste prototype mislukte. Na een aantal iteratieslagen hadden de onderzoekers de moed bijna opgegeven, tot ze van dit type ineens wél de stabiliteit konden laten zien.Daarvoor moest wel alles kloppen. De ondergrond bijvoorbeeld moet precies de juiste stroefheid en stijfheid hebben. In Sporthal II van de TU Delft bleek het allemaal te lukken. De theorie was daarmee experimenteel bevestigd.
Het experimentele werk heeft aangetoond dat ook de massaverdeling belangrijk is voor de stabiliteit. Dit geldt vooral de locatie van het massa-middelpunt van de stuurinrichting van de fiets. Voor een stabiele fiets moet de stuurinrichting instabiel zijn; als de fiets valt moet het stuur sneller vallen.
Perspectieven
De huidige fiets is ontstaan vanuit een evolutieproces en is nogal conser-vatief. Aan het basisontwerp van de fiets is sinds het einde van de 19e eeuw niets wezenlijks meer veranderd. Met het model van de TU Delft kunnen fabrikanten gericht sleutelen aan de stabiliteit van hun fietsen. Dat kan vooral interessant zijn voor bijzondere ontwerpen zoals ligfietsen, vouw-fietsen en bakfietsen.
Meer informatie, met filmpjes en foto’s, vindt u op de website bij deze Science publicatie. Ook op de website van het Bicycle Dynamics onderzoek vindt achtergronden over het hele onderzoeksprogramma.
