Fahrphysik und Fahrstabilität mit/ohne Gepäck

[Pibach]

Hier noch interessanten Beitrag mit Video über einen Science Magazine 2011 Breitrag der Cornell-Universität.
Weder der Gyroskopische Effekt noch der Nachlauf halten dabei dieses Rad aufrecht:

Wurde 2011 auch auf Spiegel Online gebracht mit weiterem Video.

[Pibach]

Wenn nun jemand das Gegenteil behauptet und die These nicht ausreichend stützt, dazu aber (relativ freundlich) aufgefordert wird, ist das noch keine Provokation.

Also ich finde auch niedrigen Schwerpunkt (des Rades und auch des Gepäcks) "angenehmer", in wie fern hab ich ja schon geschrieben.

Aber das Balancieren ist mit hohem Schwerpuntk "einfacher" (wobei hier dann die Masse und der Schwerpunkt vor allem durch den Fahrer bestimmt ist). Zumindest, wenn alle Massen fest montiert sind und nicht aufschaukeln. Das ist doch auch leicht zu sehen. Und auch empirisch "erfahrbar". Daher sitzt man ja auch hoch auf dem Rad. Und im Tieflieger ist es verdammt schwierig. Auch die autonom balcierenden Räder haben hohe Massen.

Die Physik dazu beschreibt der verlinkte Artikel. Das Rad kann durch die Schwerkraft (und gegen seine Trägheit) kippen, die Ausgleichskraft erfolgt durch Lenken. Das erbringt die "Knickkraft" und die Zentrifugalkraft. Dazu kommt noch ein wenig durch Gyro-Effekt. Im Gleichgewicht müssen diese Kräfte das Kippmoment des Rades neutralisieren. Das Kippmoment und das Trägheitsmoment ist das selbe wie beim invertierten Pendel. Die einzelnen Einflüsse sieht man in der angebenen Formel. Verstehe da nicht, was noch konkreter gefragt ist.

"Freundlich" war Mac dabei nicht, sondern - wenn Du Dir das noch mal anschauen magst - in jedem Posting geht das schon deutlich in Richtung auf Krawall. Wenn es das erste Mal wäre würd ich da nicht so empfindlich sein, aber das macht er systematisch so, auch in anderen Threads.

Ich finde auch generell diese auf Konfrontation ausgerichtete Art des Löcherns in (vermeindlichen) Argumentationsfehlern des Gesprächspartners keinen guten Diskussionstil. Da findet man immer was. Lieber mal selber versuchen Lücken durch eigene Erkenntnisse konstruktiv auszufüllen, dann kann sich ein gemeinsames Verständnis entwickeln. Wir haben hier ja eigentlich auch gar keine Meinungsverschiedenheit.

[derMac]

Den IMO dazu interessanten Teil habe ich oben zitiert und dich auch schon mal drauf hingewiesen.

Das mit der "Verkippung"? Das gilt ja nur für Freihandfahren. Da muss man den Rahmen kippen, um den Lenker zum Einschlagen zu bringen. Das ist für uns aber eigentlich eine unwichtige Überlegung.

Es geht in dem ganzen Artikel ausschließlich um Freihandfahren und Verkippung. Wenn du jetzt der Meinung bist, das wäre überhaupt nicht relevant, warum behauptest du dann, der Artikel würde deine Argumentation unterstützen?

Aber das Balancieren ist mit hohem Schwerpuntk "einfacher" (wobei hier dann die Masse und der Schwerpunkt vor allem durch den Fahrer bestimmt ist). Zumindest, wenn alle Massen fest montiert sind und nicht aufschaukeln. Das ist doch auch leicht zu sehen. Und auch empirisch "erfahrbar". Daher sitzt man ja auch hoch auf dem Rad. Und im Tieflieger ist es verdammt schwierig. Auch die autonom balcierenden Räder haben hohe Massen.

Tieflieger sind bei hohen Geschwindigkeiten überhaupt nicht verdammt schwierig zu fahren. Wenn du mit autonom balancierten Rädern solche ohne Regelung meinst, dann gilt nach dem Artikel, dass alle ab 20 km/h instabil werden, IMO unabhängig von der Masse. Du hast behauptet, es wäre doch abhängig von der Masse und ich hab dich nach der auf den Gleichungen des Artikels basierenden Begründung gefragt. Ich hab sie noch nicht erhalten.

Die Physik dazu beschreibt der verlinkte Artikel. Das Rad kann durch die Schwerkraft (und gegen seine Trägheit) kippen, die Ausgleichskraft erfolgt durch Lenken. Das erbringt die "Knickkraft" und die Zentrifugalkraft. Dazu kommt noch ein wenig durch Gyro-Effekt. Im Gleichgewicht müssen diese Kräfte das Kippmoment des Rades neutralisieren. Das Kippmoment und das Trägheitsmoment ist das selbe wie beim invertierten Pendel. Die einzelnen Einflüsse sieht man in der angebenen Formel. Verstehe da nicht, was noch konkreter gefragt ist.

Der Artikel beschreibt die Dynamik eines "klassischen" Fahrrades. Dazu benutzt er ein Differentialgleichungssystem. Du kannst jetzt aus einem solchen System nicht einfach einen Term rauspicken und sagen, den gibt es woanders auch, also ist es das Gleiche. Die Zentrifugalkraft gibt es beim inversen Pendel so nämlich nicht. Dummerweise ist die aber auch von der Höhe des Schwerpunktes abhängig. Der Artikel untersucht nun das dynamische Zusammenspiel der auftretenden Kräfte. Du stellst nur statische Betrachtungen an. Es ist aber relativ sinnlos sich einfach Punkte auf der Trajektorie des Schwerpunktes des Fahrrades herauszupicken und über diese zu diskutieren, das führt nicht zum Verstehen des dynamischen Gesamtsystems. Wie man solche dynamischen Systeme untersucht zeigt der Artikel. Um darüber zu diskutieren musst du dich schon insgesamt damit auseinandersetzen und kannst dir nicht nur die Teile raussuchen, die dir in den Kram passen.

Ich muss übrigens für meine eigenen Beobachtungen überhaupt keine Theorie bringen und ich hab auch keine vollumfassende. Und ich mag den Thread auch nicht mit allem zupflastern, was mir gerade eben eingefallen ist bzw was ich gerade im Internet gefunden habe.

Mac

[Pibach]

Es geht in dem ganzen Artikel ausschließlich um Freihandfahren und Verkippung. Wenn du jetzt der Meinung bist, das wäre überhaupt nicht relevant, warum behauptest du dann, der Artikel würde deine Argumentation unterstützen?

Der Artikel zeigt die Fahrradphysik.
Das Kippen fürs Lenken ist dabei wegzudenken, das brauchen wir nicht.
Ist doch wohl sebstredend, oder?
In sofern entfält auch die 20km/h Instabilität.

Du kannst jetzt aus einem solchen System nicht einfach einen Term rauspicken und sagen, den gibt es woanders auch, also ist es das Gleiche.

Mach ich doch auch gar nicht.

Ich muss übrigens für meine eigenen Beobachtungen überhaupt keine Theorie bringen

Von mir forderst Du das aber vehement ein.

[katapult]

eigentlich wollte ich mich hier nicht einmischen, da eine isolierte Betrachtung nur eines Parameters wie der Höhenlage des Schwerpunktes einer (eher kleinen) Teillast meiner Meinung nach zu nichts führt. Da die Diskussion aber wieder in Richtung Netikette abdriftet möchte ich festhalten, das ich Macs Beiträge keineswegs als agressiv, sondern in Anbetracht der Umstände sogar als ausgesprochen sachlich empfinde. Gereiztheit kann ich leider nur in deinen Postings entdecken Pibach. Vielleicht wäre es für die Zukunft hilfreich eigenes Glauben und Vermuten klarer als solches zu kennzeichnen damit nicht der Eindruck entsteht man wollte dies als gesicherte Erkenntnis verkaufen. Dann kommt man hinterher auch nicht in Erklärungsnöte.

[derMac]

Das Kippen fürs Lenken ist dabei wegzudenken, das brauchen wir nicht.
Ist doch wohl sebstredend, oder?

Nein, das Fahrrad kippt ständig, sonst bräuchten wir es nicht aktiv stabilisieren.

In sofern entfält auch die 20km/h Instabilität.

Nein.

Mach ich doch auch gar nicht.

Doch. Für eine sinnvolle Betrachtung musst du das gesamte DGL analysieren, wie im Artikel. Das ist nicht trivial, aber das kann ich leider nicht ändern.

Von mir forderst Du das aber vehement ein.

Ich hab von dir nirgends eine Theorie gefordert. Du bringst von dir aus ständig welche und ich kritisiere die weil ich sie ungeeignet finde.

Mac

[Pibach]

Die Zentrifugalkraft gibt es beim inversen Pendel so nämlich nicht. Dummerweise ist die aber auch von der Höhe des Schwerpunktes abhängig.

Auf die Massen wirkt die selbe Beschleunigung, unabhängig von deren Höhe. Liegen sie höher, müssen sie aber mehr Weg zurücklegen für die selbe Neigung. Man hat also mehr Zeit für Lenkkorrekturen.

[Pibach]

;

Nein, das Fahrrad kippt ständig, sonst bräuchten wir es nicht aktiv stabilisieren.

Klar.
Wir fahren es in der Regel aber nicht freihändig. Also entfällt der Teil mit Lenken durch Verkippen (komm mir etwas blöd vor, das wiederholen zu müssen).
Bei langsamer Fahrt , im Extremfall ein Track Stand, ist das Balancieren analog zum invertieren Pendel. Je schneller man fährt, werden die ausgleichenden Terme verstärkt, es wird also “einfacher“ das Rad zu balancieren, d.h.es reagiert schneller auf Lenkbewegungen. Irgendwann ist diese starke Reaktion aber vielleicht schlecht beherrschbar? Und du meinst mit hoher Konzentration bezogen auf das Balancieren mit ganz feinen Lenkbewegungen?

Allerdings steigen auch die Störkräfte insbesondere der Lenkung, da könnte wie gesagt mehr Trägheit dämpfend wirken, das ist dann aber etwas andere Situation.

Bei diesen Oszilationen fährt man Schlangenlinien. Dabei ist die Drehachse näher beim Schwerpunkt, nicht mehr bei den Aufstandspunkten. Diesbezüglich würde tiefes Gepäck das Drehmoment erhöhen und wohl etwas stabilisieren. Vielleicht merkst du also sowas?

Hier mal nen Link, wie das Oszilieren beim Motorrad aussehen kann.

Und hier ein Video, wie Reisebeladung ein Rad zum Flattern bringt:

[derMac]

Die Zentrifugalkraft gibt es beim inversen Pendel so nämlich nicht. Dummerweise ist die aber auch von der Höhe des Schwerpunktes abhängig.

Auf die Massen wirkt die selbe Beschleunigung, unabhängig von deren Höhe. Liegen sie höher, müssen sie aber mehr Weg zurücklegen für die selbe Neigung. Man hat also mehr Zeit für Lenkkorrekturen.

Das ist so für dich allein betrachtet erstmal richtig. Man Braucht aber bei gleichem Krafteinsatz auch länger, um die Masse wieder in die Nullposition zu bringen. Aber was hat das jetzt mit der Zentrifugalkraft zu tun (die es beim inversen Pendel nicht gibt).

Meine Aussage, dass die hier relevante Zentrifugalkraft höhenabhängig sein, war zwar formal richtig, ist aber trotzdem Blödsinnig, dass der Unterschied bei den hier betrachteten Winkeln vernachlässigbar sein sollte. Das ändert aber nichts daran, dass man die Zentrifugalkraft im Modell haben muss.

Wir fahren es in der Regel aber nicht freihändig. Also entfällt der Teil mit Lenken durch Verkippen (komm mir etwas blöd vor, das wiederholen zu müssen).

Das ständig passierende Kippen erzeugt aber ein Lenken (bzw. unterstütze es). Man lenkt nur nicht mehr ausschließlich durch aktives Kippen sondern auch am Lenker.

Bei langsamer Fahrt , im Extremfall ein Track Stand, ist das Balancieren analog zum invertieren Pendel. Je schneller man fährt, werden die ausgleichenden Terme verstärkt, es wird also “einfacher“ das Rad zu balancieren, d.h.es reagiert schneller auf Lenkbewegungen.

Welche genau sind bei dir die ausgleichenden Terme?

Irgendwann ist diese starke Reaktion aber vielleicht schlecht beherrschbar? Und du meinst mit hoher Konzentration bezogen auf das Balancieren mit ganz feinen Lenkbewegungen?

Vll ist das so, ich weiß es nicht.

Allerdings steigen auch die Störkräfte insbesondere der Lenkung, da könnte wie gesagt mehr Trägheit dämpfend wirken, das ist dann aber etwas andere Situation.

Könnte, ja.

Bei diesen Oszilationen fährt man Schlangenlinien. Dabei ist die Drehachse näher beim Schwerpunkt, nicht mehr bei den Aufstandspunkten. Diesbezüglich würde tiefes Gepäck das Drehmoment erhöhen und wohl etwas stabilisieren. Vielleicht merkst du also sowas?

Auch möglich. Ich versuchs noch mal: Wenn du das in einem Modell beschreiben willst, muss die entsprechenden Zustandsgleichungen aufschreiben und so wie in dem Artikel untersuchen. Anders geht das nicht, da sich all diese Größen gegenseitig bedingen und die Dynamik eine Rolle spielt (geringe Änderungen in irgendwelchen resultierenden Zeitkonstanten können über Aufschaukeln oder nicht entscheiden). Wahrscheinlich kommt das alles von dir genannte gleichzeitig vor und hat einen irgendwie gearteten Einfluss.

Ich hab heute mal versucht zu beobachten wie ich beim schnellen Fahren (> 30 km/h, kaum mit Gepäck beladenes Rad) steuere und ich muss zugeben, dass ich nicht genau sagen kann, was ich da mache, die Lenkbewegungen und die Schwerpunktverlagerungen sind gefühlt jedenfalls extrem klein. Ich finde es wirklich gut, dass du dich für solche Dinge interessierst, aber manchmal muss man einen wirklich großen Aufwand in die notwendigen Modelle stecken, damit sie halbwegs taugen. Ich bin dafür vor allem zu faul.

Mac

[Pibach]

Aber was hat das jetzt mit der Zentrifugalkraft zu tun (die es beim inversen Pendel nicht gibt).

Für die zu balancierende Masse ist es ja gleich, ob die Kraft durch Erdanziehung oder durch Kurvenfahrt entsteht.
Bei höherem Schwerpunkt hat man mehr Zeit muss aber längere Korrekturwege machen, genau. Warum das genau "einfacher" zu balancieren ist, weiß ich nicht, aber es ist so beim invertierten Pendel.
Dabei kippt das Rad zwar, aber es gibt kein "Verkippen" wie beim freihändig fahren, damit auch daraus keine Kräfte auf den Lenker. Das kann man also weglassen. Zumal man ja ohnehin die Hände am Lenker hat und die Kräfte dort so stark dämpft, dass das kaum ins Gewicht fällt (bis auf spezielle Ausnahmesituationen mit Ozilationsneigung).
Ausgleichende Terme sind die in der Formel, also Gyroeffekt, Knickkraft, Zentrifugalkraft.

Ich versuchs noch mal: Wenn du das in einem Modell beschreiben willst, muss die entsprechenden Zustandsgleichungen aufschreiben und so wie in dem Artikel untersuchen. Anders geht das nicht, da sich all diese Größen gegenseitig bedingen und die Dynamik eine Rolle spielt (geringe Änderungen in irgendwelchen resultierenden Zeitkonstanten können über Aufschaukeln oder nicht entscheiden). Wahrscheinlich kommt das alles von dir genannte gleichzeitig vor und hat einen irgendwie gearteten Einfluss.

Ja. Das hab ich ja auch schon gesagt, bevor Du mich da zu Aussagen gedrängelt hast.
Trotzdem ist es ja legitim, zum "Verstehen" mit vereinfachenden Zerlegungen und Erklärungen zu arbeiten.
Da würde ich eben sagen gibt es das Balancierproblem (ohne Störungen und Resonanzen) und dann die Oszilationen.
Und das Balancierprobem ist weitgehend analog zum invertierten Pendel.
Die Praxis scheint das ja auch gut zu bestätigen.

Ich hab heute mal versucht zu beobachten wie ich beim schnellen Fahren (> 30 km/h, kaum mit Gepäck beladenes Rad) steuere und ich muss zugeben, dass ich nicht genau sagen kann, was ich da mache, die Lenkbewegungen und die Schwerpunktverlagerungen sind gefühlt jedenfalls extrem klein.

Genau. Das balancieren ist beim (schnellen) Rad (mit hohem Schwerpunkt) halt eigentlich sehr "einfach". Problematisch sind ggf. Störungen und Oszilationen.

Hier noch ein Video mit plötzliches Schlingern bei schneller Abfahrt: