26.12.2017 von Klaus Holst

Warum kippt ein fahrendes Rad eigentlich nicht um?

Als Karl Drais im Jahre 1817 auf seiner frisch erfundenen Laufmaschine seine ersten Ausfahrten machte und gemächlich bergab rollte, könnte er sich gefragt haben: „Warum kippt meine Laufmaschine im Fahren eigentlich nicht um, wenn ich die Füße hochnehme?“  Ob er darauf eine Antwort hatte, ist nicht überliefert. Doch bevor das pedalgetriebene Fahrrad, bei dem die Füße den Boden nicht berühren, erfunden wurde, muss jemand diese Beobachtung gemacht haben. Erst dadurch konnte aus der Laufmaschine mit Hilfe von Kurbeln und Pedalen ein richtiges Fahrrad werden.

Aber die Frage bleibt: Warum kippt denn nun das fahrende Rad nicht um? Da spielen mehrere Faktoren eine Rolle. Vorweg der wichtigste Grund: Das vordere der beiden Laufräder ist lenkbar eingebaut. Was passiert, wenn das Vorderrad nicht lenkbar ist, kennt jeder, der schon einmal in eine Straßenbahnschiene geraten ist, - ein Sturz ist unvermeidlich.

Wenn das Vorderrad kein freies Spiel hat, verliert man das Gleichgewicht, folglich verhindert die drehbar angebrachte Gabel den Sturz. Wie das Gleichgewicht gehalten wird, lässt sich beim (Freihändig-)Fahren gut beobachten: Das Rad fährt zunächst geradeaus, beginnt aber sehr bald die Geradeausrichtung zu verlassen und ein wenig zur Seite z. B. nach links zu steuern. Wenn man jetzt nicht sofort eingreift, wird die Linkskurve immer enger und am Ende kippt das Rad um.

Der Fahrer verhindert einen möglichen Sturz, indem er schon sehr früh den Lenker in die Geradeausrichtung zurückbewegt (oder sein Körpergewicht entsprechend verlagert). Die Geradeausfahrt dauert aber nicht lange, denn sehr bald drängt das Rad zur rechten Seite und wieder gilt es, ein weiteres Ausscheren zu verhindern und mit Hilfe des Lenkers (oder des Körpergewichtes) in die Geradeausrichtung zu korrigieren.

Abwechselnd drängt das Rad also zur einen und anderen Seite, und immer wieder lenkt der Radler zurück zur Geradeausfahrt. Das Ergebnis dieses Hin- und Herlenkens lässt sich am besten auf einem Untergrund beobachten, der die Fahrspur sichtbar macht, z. B. im Schnee: Die Kurvenfahrten sind als Schlangenlinien sichtbar. Je schneller man fährt, desto lang gestreckter ist die Schlangenform.

Der Versuch, eine wie mit dem Lineal gezogene Geradeausspur zu hinterlassen, gelingt nicht. Die Tendenz des Rades, nach links und rechts vom Geradeaus-Fahren abzuweichen, ist kein Konstruktionsfehler, sondern unverzichtbar, weil es Rad und Fahrer am Umkippen hindert.  So ist der Fahrer unablässig damit beschäftigt, das Rad am Kurvenfahren zu hindern und pendelt dabei ständig um seinen Schwerpunkt herum. Wenn man mit einen Besenstiel jongliert, tut man eigentlich nichts anderes: Man verschiebt immer wieder den Schwerpunkt unter das Balancierstück.

Das Fahren von Schlangenlinien ist also für das Ausbalancieren notwendig, und die Konstruktion des Fahrrades unterstützt das sogar. Diese Unterstützung liegt in der Konstruktion der Vordergabel. Die Vordergabel verläuft schräg nach vorne, so dass ihre gedachte Verlängerung bis zum Punkt 1 ein Stück vor dem Punkt 2 liegt, an dem der Reifen den Boden berührt. Die Strecke zwischen den Punkten 1 und 2 heißt Nachlauf.

Auf der beigefügten Skizze ist zu sehen, dass das im Bild blau unterlegte Segment etwas größer und damit schwerer ist als das rot unterlegte. Das blaue, gewichtsmäßig schwerere Segment verursacht bei freiem Spiel eine Drehung des Lenkers zur Seite. Dieser Effekt ist sehr gut zu beobachten, wenn man im Stehen das Fahrrad am Rahmen leicht anhebt, so dass die Gabel frei beweglich ist: Das Vorderrad dreht sich zur Seite. Bei senkrecht angebrachter Gabel würde diese sich nicht zur Seite drehen, weil beide Segmente gleich groß und damit gleich schwer sind.

Was man im Stehen beim leicht angehobenen Rad beobachten kann, passiert nun auch beim Fahren: das Vorderrad steuert zur Seite, das Rad beginnt eine Kurve zu fahren und würde gleich zu Boden gehen, wenn der Fahrer diese minimale Kurvenfahrt nicht sofort wieder in eine Geradeausfahrt korrigieren würde usw., siehe oben.

Ein weiterer Helfer, der das Fahrrad in der Senkrechten hält, sind die Kreiselkräfte. Ein einfacher Versuch zeigt diese Kraft: Man hebe ein Fahrrad an und bitte jemanden, das Vorderrad (oder auch gleich beide Laufräder) in schnelle Drehung zu versetzen. Dabei ist zu beobachten, wie störrisch sich das Fahrrad mit drehenden Laufrädern verhält, wenn man es – immer noch angehoben – hin und her bewegen oder zur Seite kippen will. Es ist dieselbe Kraft, die einen Spielzeugkreisel in der Waagerechten hält: Die Kreiselkräfte sind bestrebt, das Rad in seiner Drehebene zu halten, beim Fahrrad also in der Senkrechten. Da die Kreiselkräfte bei langsamer Fahrt noch wenig wirksam sind, lässt sich das Rad nur durch besonders ausholende Lenkbewegungen vor dem Umkippen bewahren, bis man genug Fahrt aufgenommen hat.

Vieles kommt also zusammen, um das Rad in der Senkrechten zu halten: Das lenkbare Vorderrad, die schräge Vordergabel, der Nachlauf, das Wirken der Kreiselkräfte und schließlich die Geschicklichkeit des Radfahrers, all das zu beherrschen. Zum Glück: Radfahren kann man auch lernen, wenn man von Physik nichts wissen will und es einem egal ist, warum das Fahrrad nicht umkippt. Und das Schöne ist, man verlernt das Radfahren sein Leben lang nicht wieder!
kh  

Zur Grafik:
Die Linien A und B teilen das Laufrad in ein größeres blaues und ein kleineres rotes Segment. Der Abstand zwischen den Punkten 1 und 2 ist der Nachlauf (N). Das Wort ist selbsterklärend, denn die Stelle, an der der Reifen Bodenkontakt hat (Punkt 1), „läuft“ dem Punkt 2 „nach“, an dem die gedachte Gabelverlängerung C (gestrichelt) auf den äußeren Reifenrand trifft. Die blau unterlegte, vordere Hälfte des Laufrades ist bedingt durch den Nachlauf (Dreieck BCN) größer als die rote, dadurch schwenkt die Gabel bei freiem Spiel zur Seite. Das ist eine der beiden Voraussetzungen dafür, dass das Rad beim Fahren nicht kippt (s. Text).


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