Fahrphysik und Fahrstabilität mit/ohne Gepäck

[Pibach]

Wir sind in diesem Thread auf das Thema gekommen, wie die ideale Reiseradbeladung aussehen muss, um gute Fahrstabilität zu erreichen.

Zwar ist die Diskussion über ein „richtiges“ Reiserad unter den Falträdern nicht von der Gepäckmitnahme und geplanten Wegbeschaffenheit zu trennen, ich denke aber, dass man hierüber einmal in einem eigenen Faden grundsätzlich diskutieren sollte.

Ok, hab für das Thema diesen neuen Thread angelegt, wo wir das genereller besprechen können.

...aber bei einer Neuanschaffung kann man ja schon mal über sowas nachgedacht haben.

Seh ich auch so.
Dass man Gepäck möglichst tief transportieren sollte ist ja eine bekannte Binsenweisheit. M.E. aber vordringlich wegen a) zunehmender Trägheit und b) möglicherweise Aufschwingen des Gepäcks, wenn dieses zu hoch geladen wird. Das Balancieren wird mit niedrigem Schwerpunkt - wie Mac meint - ja eigentlich nicht vereinfacht. Zumindest lt. einfachen physikalischen Modells, sagen wir balancieren einer Stange (das ist einfacher, wenn der Schwerpunkt höher liegt). Auch das Balancieren auf einer Slackline wird nicht einfacher, wenn man in die Knie geht - würde ich zumindest sagen. Auch bei Liegerädern zeigt die Erfahrung, dass ein Tieflieger schwieriger zu balancieren ist als ein Hochlieger. Wirklich schnell gefahren bin ich aber mit beiden noch nicht, ist das also vielleicht andersherum bei hohen Geschwindigkeiten? Ich hab nach meinen Erfahrungen jedenfalls keine Balancierprobleme mit Gepäck festgestellt, liegt aber vielleicht auch daran, dass ich dann überwiegend langsam fahre und sowieso das Schwerste im und am Rucksack transportiere.

Wenn Mac nun sagt, lt. seinen Erfahrungen wird das Balancieren bei hohen Geschwindigkeiten doch einfacher mit niedrigem Gepäck (u.a. bezogen auf Low Rider Satteltaschen) würde mich schon interessieren, in weit weit das eine physikalische Grundlage hat und in welcher Größenordnung das liegt. Zudem es gibt ja auch einige andere Rahmenbedingungen, so dass es zu einem Widerspruch bzw. Kompromiß zwischen den Zielen kommen muss, z.B. geringe Breite versus niedriger Schwerpunkt.

Hier hab ich einige Formeln (Differenzialgleichungen) zur Fahrrad Balance gefunden. Sehr aufschlussreich. Da gibt es eine "Kippinstabilität" oberhalb 18 km/h bei Geradeausfahrt sowie eine "Schlängelinstabilität" bei Lenkbewegungen (z.B. Kurve). Der "Kreiselterm" spielt danach nur eine Rolle bei "Stossantwort".

[derMac]

Das Balancieren wird mit niedrigem Schwerpunkt - wie Mac meint - ja eigentlich nicht vereinfacht.

Da hab ich so pauschal nirgends gesagt. Ich habe nur gesagt, dass sich ein Rad mit niedrigem Schwerpunkt bei hohen Geschwindigkeiten angenehmer fährt und man als Fahrer weniger "Balancearbeit" leisten muss. So fühlt sich das jedenfalls an.

Wenn Mac nun sagt, lt. seinen Erfahrungen wird das Balancieren bei hohen Geschwindigkeiten doch einfacher mit niedrigem Gepäck (u.a. bezogen auf Low Rider Satteltaschen) würde mich schon interessieren, in weit weit das eine physikalische Grundlage hat und in welcher Größenordnung das liegt.

Alles was passiert hat eine physikalische Grundlage, die Frage ist, ob man das Problem 1. richtig erfasst (nicht alles ist immer so wie es sich anfühlt, der Mensch ist da sensorisch beschränkt) und 2. dann auch wirklich eine geeignete Theorie findet. Physik ist das was passiert, nicht die Formeln. Die sind nur ein Versuch, das Beobachtete zu beschreiben.

Hier hab ich einige Formeln (Differenzialgleichungen) zur Fahrrad Balance gefunden. Sehr aufschlussreich. Da gibt es eine "Kippeninstabilität" oberhalb 18 km/h bei Geradeausfahrt sowie eine "Schlängelinstabilität" bei Lenkbewegungen (z.B. Kurve). Der "Kreiselterm" spielt danach nur eine Rolle bei "Stossantwort".

An welcher Stelle geht denn bei den Betrachtungen dort die Höhe des Schwerpunktes ein?

Mac

[Pibach]

An welcher Stelle geht denn bei den Betrachtungen dort die Höhe des Schwerpunktes ein?

Hier: "Dabei ist J das Trägheitsmoment von Fahrer und Fahrrad in Bezug auf die Kippachse, M die totale Masse, H die Höhe des Schwerpunkts über Boden, L der Radstand und A der horizontale Abstand des Schwerpunkts von der Hinternabe (Siehe Figuren 1 und 2). Der erste Term beschreibt die Beschleunigung des Kippwinkels, der zweite das aufrichtende Drehmoment der Zentrifugal- und Knickkkraft, der letzte das Kippmoment der Schwerkraft."
Einfluss mitgelenkter Packtaschen auf die Lenkung müsste danach auch auch berechenbar sein: "Js ist das Trägheitsmoment des Steuersystems"

Alles was passiert hat eine physikalische Grundlage, die Frage ist, ob man das Problem 1. richtig erfasst (nicht alles ist immer so wie es sich anfühlt, der Mensch ist da sensorisch beschränkt) und 2. dann auch wirklich eine geeignete Theorie findet. Physik ist das was passiert, nicht die Formeln. Die sind nur ein Versuch, das Beobachtete zu beschreiben.

Ja. Genau. Man versucht zu modellieren, vorherzusagen und empirisch zu prüfen. Das Modell kann nur stimmen, wenn es der Prüfung standhält. Die Formeln hier machen aber sehr durchdachen Eindruck.

[derMac]

Wo das h in den Gleichungen steht finde ich auch selbst, ich hätte jetzt eigentlich gern gewusst, welche Auswirkungen es auf die Schlussfolgerungen des Autors hat (bzw. auf unsere Fragestellung).

Mac

[Pibach]

Wo das h in den Gleichungen steht finde ich auch selbst, ich hätte jetzt eigentlich gern gewusst, welche Auswirkungen es auf die Schlussfolgerungen des Autors hat (bzw. auf unsere Fragestellung).

Das sagt er nicht explizit und man müsste das nun genauer aus den Formeln ableiten. Ich gehe aber wie gesagt davon aus, dass mit zunehmendem Trägheitsmoment die Kippneigung geringer ist und die Höhe des Schwerpunktes erhöht das Trägheitsmoment (um die Kippachse, also um die Aufstandspunkte) .

Im Verhältniss zum Fahrer trägt das Gepäck aber wohl wenig zum Trägheitsmoment bei. Der Fahrer verlagert aber u.U. sein Gewicht und kann das System auch stabilisieren, da ist das Modell etwas vereinfachend. Sollte man also auch mal ohne Fahrer (-Gewicht) rechnen.

[Muc-Falter]

Ein lustiger Versuch mit Formeln dem erfahren "Popometer" hinterher zu spüren
Aber so war es schon immer in der Wissenschaft, Beobachtungen wurden durch Formeln physikfest gemacht.

[Motte]

Ja, aber genau so funktioniert es. Wenn die erklärenden "Modelle" alle Beobachtungen exakt beschreiben, geht man davon aus, dass sie richtig sind. In Wirklichkeit weiß niemand, ob die Eierkohlen im Keller wirklich immer der Schwerkraft gehorchen und brav am Boden liegen, wenn keiner guckt.

Ich hatte den Thread angeregt, weil es sonst später schwierig wird Betrachtungen über die Mitnahme von Gepäck an Falträdern wieder zu finden, wenn sich die Aussagen über dutzende von Threads verteilen. Während der Wochenendausflug sich ja noch irgendwie ohne größere Umbauten bewältigen lässt, wird es beim Gepäck für längere Touren (eventuell mit Zelt/Schlafsack und Kocher) schwieriger. Wenn Mensch als "Minimalist" reist - wie es ja auch die meisten Rennradfahrer machen - dann reichen ein 20 oder 30 Liter aus um das Gepäck unterzubringen. Hier würde ich gerne bei der "Schwerlastfraktion" bleiben.

Aus meiner Sicht ergeben sich dann eine Fülle von (sich zum Teil widersprechenden) Problemen:

Das Gepäck beim Faltrad (20 Zoll) darf nicht zu tief hängen, weil man sonst den Boden abfräst. (was in Kurven auch gefährlich sein kann)
Das tiefer liegende Gepäck macht sich weniger bei dem unvermeidlichen Abweichen des "Senkrecht zum Untergrund Fahrens" bemerkbar.
Das Gepäck darf nicht mit den Bewegungsabläufen des Radelns kollidieren - Fersenfreiheit hinten wäre da mein Hauptanliegen.
Wenn Gepäck auf dem HR Träger zu weit hinter der Hinterachse hängt, dann verschlechtert sich das Fahrverhalten.
Schweres Gepäck an den durch den Lenker bewegten Teilen macht das Fahren auf Dauer anstrengend (hat aber den Vorteil nervöse Falträder- ruhiger zu machen - das wäre abzuwägen)
Das Gepäck darf sich nicht aufschaukeln - muss selbst also gut befestigt werden können.

[derMac]

Ich gehe aber wie gesagt davon aus, dass mit zunehmendem Trägheitsmoment die Kippneigung geringer ist und die Höhe des Schwerpunktes erhöht das Trägheitsmoment (um die Kippachse, also um die Aufstandspunkte) .

Da bringst du einen interessanten Artikel, der einen "sehr durchdachten Eindruck" macht und bei dem man unsere Problemstellung "genauer aus den Formeln ableiten müsste" und dann rätst du völlig losgelöst vom Artikel weiter. Was genau meinst du mit "Kippneigung"?

Tatsächlich hat der Autor des Artikels da viel Arbeit reingesteckt und es wirkt tatsächlich sehr duchdacht. Es ist schon einiger Aufwand, das im Detail nachzuvollziehen. Für unsere Frage würde ich mal (ohne alles nachvollzogen zu haben) auf Abb. 14 verweisen, wo steht:

Der Fahrer muss eine Rahmenverkippung wählen, die mindestens so gross ist, wie in der obigen Formel angegeben. Je grösser die Rahmenverkippung, das heisst je grösser die Gegenkopplung, desto stabiler ist ist das System gegen Kippen, aber desto grösser ist auch die Gefahr von anwachsenden Oszillationen. Oberhalb von 20 km/h muss der Rahmen stärker gekippt werden als der Schwerpunkt, um eine genügend grosse Gegenkopplung zu erreichen.

Wenn jetzt der Schwerpunkt des Fahrrades niedrig ist, bringt ein Kippen des Fahrrades nur eine geringe Kippung des Gesamtschwerpunktes im verhältnis zur Fahrradkippung was nach dieser Betrachtung günstig ist. Liegt der Fahrradschwerpunkt höher, ist das Verhältnis ungünstiger. Dadurch, dass man geringer kippen muss, vermeidet man dann nach dem Modell auch stärker die möglichen Oszillationen.

Im Verhältniss zum Fahrer trägt das Gepäck aber wohl wenig zum Trägheitsmoment bei. Der Fahrer verlagert aber u.U. sein Gewicht und kann das System auch stabilisieren, da ist das Modell etwas vereinfachend. Sollte man also auch mal ohne Fahrer (-Gewicht) rechnen.

Das Modell unterscheidet überhaupt nicht zwischen Fahrrergewicht und Fahrradgewicht, man kann also nicht direkt "ohne Fahrer" rechnen. Die ersten Kapitel beziehen sich aber auf die Selbststabilisierung des Rades zwischen ca. 10 und 20 km/h, das ist praktisch ohne Fahrer. Die Gewichtsverlagerungen des Fahrers führen zu einer Verkippung des Rades und stabilisieren dadurch, würden sie das nicht tun, würden sie auch nicht stabilisierend wirken.

Mac

[derMac]

Ein lustiger Versuch mit Formeln dem erfahren "Popometer" hinterher zu spüren

Nein, ist es nicht. Das "Popometer" spielt bei den Betrachtungen außer bei der angenommenen Reaktionszeit von weniger als 1 s keine Rolle.

Mac

[derMac]

Das Gepäck beim Faltrad (20 Zoll) darf nicht zu tief hängen, weil man sonst den Boden abfräst. (was in Kurven auch gefährlich sein kann)

Das ist eher ein theoretisches Problem, praktisch wirst du das Gepäck nicht nur 5 cm über den Boden hängen und auch nicht so große Schräglagen fahren.

Das tiefer liegende Gepäck macht sich weniger bei dem unvermeidlichen Abweichen des "Senkrecht zum Untergrund Fahrens" bemerkbar.

Ja (wobei das Problem recht komplex ist, siehe oben). Beim Balancieren bei geringen Geschwindigkeiten ist niedriges Gepäck wiederum schlecht.

Das Gepäck darf nicht mit den Bewegungsabläufen des Radelns kollidieren - Fersenfreiheit hinten wäre da mein Hauptanliegen.

Ja.

Wenn Gepäck auf dem HR Träger zu weit hinter der Hinterachse hängt, dann verschlechtert sich das Fahrverhalten.

Ja. Idealerweise sollte der Gepäckschwerpunkt gar nicht hinter der Hinterachse liegen, wenig dahinter mach aber meist noch nichts, besonders wenn man vorn auch Gepäck hat. Bei viel dahinter und vorn kein Gepäck kommt an steilen Bergen schnell mal das Vorderrad hoch.

Schweres Gepäck an den durch den Lenker bewegten Teilen macht das Fahren auf Dauer anstrengend (hat aber den Vorteil nervöse Falträder- ruhiger zu machen - das wäre abzuwägen)

Was denn nun, verschlechtert sich das Lenkverhalten oder nicht?

Das Gepäck darf sich nicht aufschaukeln - muss selbst also gut befestigt werden können.

Ja. Wobei wieder gilt: je tiefer es hängt, desto weniger stört es wenn es nicht so stabil hängt.

Mac