Et teknisk kursus kræver gode kurvefærdigheder. Men ifølge fysikken, hvor langt kan du vælte din cykel, før du rammer dækket?
Forskere har undret sig over, hvad der får en cykel til at balancere, siden jeres gamle dage med penny farthing. Mange eksperter foreslog, at de roterende bøjler får cyklen til at opføre sig som et gyroskop, men det er ikke så enkelt. En gruppe ingeniører fra Nottingham University identificerede 25 separate variabler, der påvirker en cykels bevægelse, med henvisning til, at 'En simpel forklaring synes ikke mulig, fordi lean og styring er koblet af en kombination af effekter, herunder gyroskopisk præcession, laterale jordreaktionskræfter ved forhjulet, jordkontaktpunkt bag ved styreaksen, tyngdekraft og inertiereaktioner…'
Hvad man ved er, at så længe en cykel bevæger sig med en hastighed på omkring 14 km/t (9 mph), kan den forblive oprejst uden tilstedeværelse af en rytter. Men igen, forskerne kan ikke forklare hvorfor.
På den baggrund skal du kaste den ekstra dimension af et sving ind og beregne den vinkel, du kan læne dig op i, mens du kører i sving, før du rammer asf alten, er klart en kompleks affære. Under de rigtige forhold er det muligt at se vinkler på 45°, men hvordan kommer vi til det punkt?
'Vi ved, at der er tre virkelige kræfter, der virker på cyklen og rytteren,' siger Rhett Allain, ivrig cykelrytter og lektor i fysik ved Southeastern Louisiana University i USA.
‘Der er tyngdekraften, der skubber cyklen og rytteren ned; der er vejen, der skubber op, som vi kalder "normal" kraft, og der er en friktionskraft, der skubber cyklen mod midten af den cirkulære bane, som den bevæger sig i.’
Den falske kraft
Der er også centrifugalkraft."Dette har en indflydelse, men det er en falsk kraft," siger Allain. Mange fysikere hævder, at centrifugalkraft ikke eksisterer og simpelthen er en mangel på centripetalkraft – en indadtrækkende kraft, der sikrer, at cyklen bevæger sig i en cirkel, der ligner tyngdekraften, der trækker indad på en satellit for at holde den i kredsløb.
Det beregnes via ligningen F=mv2/r, hvor F er centripetalkraften (Newtons), m er massen af cykel og rytter (kg), v er hastighed (m/s) og r er radius af hjørnet i meter.
"Fysikken ved at køre et sving er, at du gør det ved at accelerere radi alt indad, hvilket er ned til centripetalkraft," siger David Wilson, emeritus professor i ingeniørvidenskab ved Massachusetts Institute of Technology.
‘Kraften skal komme fra dækkene. Cyklen skal læne sig, så kombinationen af reaktionen fra dækket og den radiale kraft er i overensstemmelse med den resulterende kraft fra cykel plus rytter.’
Nøglen til, hvor langt du kan læne dig, er også friktionskoefficienten, som er forholdet mellem friktionskraften mellem to legemer og den kraft, der påføres dem – i dette tilfælde dækket og asf alten.
De fleste tørre materialer har friktionsværdier mellem 0,3 og 0,6, hvorimod gummi i kontakt med asf alt kan give et tal på mellem en og to. Når overfladerne bevæger sig i forhold til hinanden – som ved cykling – falder dette tal en smule.
For at cyklen skal forblive oprejst, skal sidekraften (centripetal) svare til friktionskoefficienten, og dette tal kan være overraskende stort. For eksempel oplever en 70 kg-rytter på en 10 kg-cykel, der kører med 30 km/t rundt i en kurve med en radius på 20 m, en centripetalkraft på 316 Newton.
Denne kraft skal genereres af dækkene, og hvis kraften ikke eksisterede, ville cyklen og rytteren simpelthen fortsætte i en lige linje.
Ved at bruge nogle imponerende trigonometriske beregninger, der ville fylde en hel bog, er friktionskoefficienten lig med tangentfunktionen af den maksimale skrå vinkel.
'Hjulet vil glide, når friktionskoefficienten overskrides,' siger Marco Arkesteijn, lektor i sportsvidenskab ved Aberystwyth University. 'Dette kan skyldes, at friktionskraften stiger [på grund af at strammer linen gennem et hjørne for eksempel] eller normal kraft aftager [på grund af f.eks. en fordybning i vejen].'
Friktionskoefficienten kan også ændre sig på grund af en ændring i overfladen. Derfor kan det være farligt at køre i sving på en hvid linje. "Dette gælder især i det våde," siger Arkesteijn. 'Malingen er mindre porøs, så vandet spredes ikke.'
Ryttervægt
For at komplicere sagen yderligere er spørgsmålet om rytterens vægt. "Fysisk set burde mindre fyre være i stand til at læne sig mere," siger Arkesteijn. 'De er norm alt også mere adrætte, hvilket hjælper.'
Allain er ikke helt så bestemt, hvilket tyder på, at selvom rytterens vægt betyder en 'lidt smule', er rytter-plus-cyklens massecenter af større betydning.
'I sidste ende er det den vigtigste faktor,' siger han. Tyngre ryttere har en tendens til at være højere ryttere, især i pro-pelotonen, hvilket betyder, at deres stelstørrelser er større, og deres massecenter er højere. Du skal også tage højde for vejforholdene. Hvis du er ved grænsen, kan et bump på vejen føre til tab af trækkraft og et fald.
UK-veje er nogle gange mere gribende end vores europæiske fastlands-fætre, fordi de er mere porøse til at absorbere regn og forhindre en glat overflade. Derfor er vores veje grovere. Men de er ofte mere ujævne og i dårligere stand på grund af frostskader, og derfor er det en absolut fornøjelse at cykle og køre i Frankrig, når det er tørt.
Hvad er den maksimale hældningsvinkel efter alt det? For maskin- og ingeniørprofessor Jim Papadopoulos kan det ikke besvares, før du kaster en sidste faktor ind – spor.
Dette er en imaginær linje, der er projiceret ned ad styrerøret til jorden. Hvis dette punkt er foran hjulets kontaktpunkt med jorden, anses det for "positivt" og er mere stabilt. Bagved og cyklen er mere tilbøjelig til at vælte. Trail reduceres, jo mere du læner dig.
'Cyklister har en tendens til at blive i den positive sti-region og ikke overstige 45° af lean,' siger han. »Det er norm alt mindre, men når svinget er større end 5 m radius, kan du nå 45°. Det er fordi spor bliver mindre af et problem – så vender vi tilbage til spørgsmålet om trækkraft.’
Så 45° er muligt på et hurtigt, bredt, veloverfladet sving, men med så mange variabler i spil, er der desværre ikke noget endeligt svar. Hvor langt du kan læne dig er et tilfælde af prøvelse og (forhåbentlig ikke alt for smertefuld) fejl.
