Motorradphysik

Wissenschaft Physik
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hallo experten!

unlängst hatten wir im freundeskreis eine diskussion welche kräfte wohl beim fahren das motorrad stabilisieren. die frage: wie kann man die physikalischen kräfte benennen und beschreiben, die das fahrzeug auf der fahrbahn halten, in kurven die schräglage ermöglichen bzw. verlangen, und die beim beschleunigen das motorrad aufstellen oder bei gerader fahrt nicht umfallen lassen.

bitte nicht falsch verstehen, aber diese fragen richten sich an die experten. gutgemeinte vermutungen helfen hier nicht, denn soweit sind wir selbst schon gekommen.

vielen dank!
mfg prince

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Moin!

unlängst hatten wir im freundeskreis eine diskussion welche
kräfte wohl beim fahren das motorrad stabilisieren.

Ein Motorrad ist im Fahrbetrieb stabiler, als im Stand, darüber dürfte Einigkeit herrschen. Stabilisierend wirken hier die Kreiselkräfte der Räder. Das allein genügt leider nicht, der Fahrer balanciert die Maschine permanent neu aus. Wie stark die Kreiselkräfte wirken, kann man leicht mit dem Rad eines Fahrrades ausprobieren: Es wird in Rotation versetzt und kann dann an einem Ende seiner Achse gehalten werden. Allerdings muß die Erdrotation durch eine Drehung um die Hochachse ausgeglichen werden.

wie kann man die physikalischen kräfte benennen und
beschreiben, die das fahrzeug auf der fahrbahn halten, in
kurven die schräglage ermöglichen bzw. verlangen, und die beim
beschleunigen das motorrad aufstellen oder bei gerader fahrt
nicht umfallen lassen.

Auf der Fahrbahn gehalten wird das Motorrad von der Schwerkraft (Gravitation) - sonst würde es schweben oder gar aufsteigen.

Damit die Antriebskraft des Motors auf die Fahrbahn übertragen werden kann, sind die Reifen da, die mit dem Fahbahnbelag eine Reibpaarung bilden. Je höher der Reibkoeffizient ist, desto besser (schlupffreier) funktioniert das.

Die Schräglage bei Kurvenfahrt wird durch die Zentrifugalkraft erforderlich. Die erforderliche Schräglage (entscheidend ist die Gerade zwischen Reifenaufstandspunkt und Schwerpunkt des Motorrades) ist genau dann erreicht, wenn Zentrifugalkraft (axial) und Schwerkraft (vertikal) im Gleichgewicht sind.

Rein rechnerisch ergibt sich so eine maximale Schräglage von 45°. Tatsächlich sind die zu erreichenden Schräglagen deutlich höher. Das liegt daran, daß sich einerseits das Reifengummi regelrecht mit dem Asphalt verzahnt und andererseits an der Meßmethode: Bedingt durch die Reifenkontur ist die Achse Reifenaufstandspunkt - Schwerpunkt nicht identisch mit der Hochachse des Motorrades. Wird an der Hochachse gemessen, so ist die erreichbare Schräglage umso größer, je breiter der Reifen ist. Schräglagen von 60° und darüber werden so tatsächlich erreicht.

Beschleunigen: Hier erfährt das Motorrad im Gegensatz zur stehenden Maschine zusätzlich zur Erdbeschleunigung eine Beschleunigung längs zur Straße. Liegt die Achse der resultierenden Kraft (Reifenaufstandspunkt Hinterrad) oberhalb des Schwerpunktes, bleibt das Vorderrad auf der Straße, liegt sie unterhalb, steigt das Vorderrad. Deshalb wird stets versucht, den Schwerpunkt eher straßensportlicher Maschinen möglichst tief zu legen. Ein Wheelie ist dennoch auch mit Maschinen möglich, deren Motorisierung und Geometrie dies eigentlich nicht zulassen würde. Hier reißt der Fahrer die Maschine einfach hoch.

Bremsen: Prinzipiell gilt hier dasselbe, wie beim Beschleunigen, nur, daß die (negative) Beschleunigung eben von der Bremse erzeugt wird und daß der Reifenaufstandspunkt des Vorderrades maßgeblich ist. Der „Wheelie“ heißt dann übrigens „Stoppie“.

Grenzen hierbei werden durch den Reibkoeffizienten der Reibpaarung Fahrbahn/Reifengummi sowie durch die Fähigkeit des Reifenmaterials, sich mit dem Fahrbahnbelag zu verzahnen, vorgegeben. Deshalb hat eine weiche Gummimischung mehr „Grip“.

Einlenken: Fährt das Motorrad stabil geradeaus, muß das System zum Einlenken zunächst gestört (ins Ungleichgewicht gebracht) werden. Die Störgröße ist ein leichter Lenkimpuls entgegen der gewünschten Kurvenkrümmung, der Fahrer lenkt also zunächst in die falsche Richtung. Die Fliehkraft dieser „Minikurve“ drückt das System in die Schräglage der gewünschten Kurve. Jetzt wird „richtig“ eingelenkt, um die Maschine in dieser Schräglage zu stabilisieren.

Der Winddruck des Fahrtwindes wird bei Motorrädern in der Regel nicht genutzt, um die Reifen stärker auf den Asphalt zu pressen. Die Vollverkleidung von Motorrädern dient in erster Linie dazu, den Luftwiderstand zu verringern. Sekundär dient sie dazu, den Winddruck vom Fahrer fernzuhalten.

Im „normalen“ Fahrbetrieb muß der Fahrer all dies koordinieren. Übrigens unterscheidet sich die Motorradphysik nicht wesentlich von der sonstigen Zweiradphysik.

War das physikalisch genug?

Munter bleiben… TRICHTEX

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Hallo
Im Prinzip soll ein Motorrad oder auch ein Fahrrad auf ebener Strecke geradeaus fahren , solange der Fahrer genau in der Mitte sitzt und nichts macht , oder gar kein Fahrer da ist .
Nun sind einmal die Kreiselkräfte schon erwähnt , es spricht aber nichts dagegen die Räder so leicht wie möglich zu machen , es funktioniert so :
Die Achse des Vorderrades befindet sich vor der Lenkachse .
Fährt das Fahrrad nun geradeaus , müßte es irgendwann umfallen , oder in eine unbekannte Kurve kommen , was aber aus folgendem Grund nicht passiert :
Verlagert sich der Schwerpunkt des Fahrrades etwas außerhalb der Reifenauflage , so bekommt der Lenker automatisch einen Impuls in die Richtung , in welche das Fahrrad fallen würde . Das Fahrrad fällt aber nicht , weil es selber in die fallende Richtung lenkt , so das durch die Massenträgheit das Fahrrad wieder aufgerichtet wird .
Das ganze ist nicht sonderlich stabil , die kleinste unmittige Masse oder der kleinste Wind muß vom Radfahrer oder Motorradfahrer sofort ausgeglichen werden , weil es sonst eine unbekannte Richtung fährt .
Möchte ein Rad oder Motorradfahrer eine Kurve einschlagen , so hat er entweder die Wahl , sein Gewicht zu verlagern , oder den Lenker zunächst etwas in die Gegenrichtung zu lenken , worauf das ganze seinen Schwerpunkt verlagert , und der Lenker der Kurve folgt .
MfG
Matthias

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

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zum Gleichgewicht
Hallo,

um es nochmal klar zu sagen, der primär stabilisierende Effekt eines Zweirades, der auch bei geringen Geschwindigkeiten funktioniert, beruht auf die Fliehkraft, die das Zweirad um die Gleichgewichtslage hin- und her pendeln läßt. Und das geht so:

Angenommen es wirkt auf das Zweirad ein Kippmoment nach rechts, dann wird der Fahrer „dafür sorgen“, dass das Rad ebenfalls eine Rechtskurve macht; dies kann geschehen durch:

  1. aktives Lenken
  2. die Radaufhängung des Vorderrades, das beim Kippen automatisch in die Kipprichtung fällt
  3. bei größeren Geschwindigkeiten durch den Kreiseleffekt: die Vorderradachse weicht beim Kippen seitlich aus, dreht sich also in die Kipprichtung

Auf jeden Fall fährt das Zweirad dann eine Rechtskurve mit dem Effekt, dass nun auf den Schwerpunkt eine Fliehkraft nach links wirkt, die das Rad wieder aufrichtet. In der Regel ist der Schwung des Aufrichtens so groß, dass sich nun das Zweirad über die Gleichgewichtslage hinaus in die andere Richtung neigt. Dort wiederholt sich das Spiel, sodass das Rad immer um die Gleichgewichtslage hin- und herpendelt. Es befindet sich im dynamischen Gleichgewicht. Sehr schön sieht man das, wenn man mit einem Fahrrad durch eine Pfütze fährt: die Vorderradspur ist eine Schlangenlinie um die Hinterradspur. Je schneller man fährt, desto kleiner sind die Kreisbahnradien, die für die erforderliche Fliehkraft notwenig sind, die Schlangenlinien sind enger, das Rad stabiler.

(dies war eine Erklärung aus der Sicht des Radfahrers: der Schwerpunkt pendelt über der Standfläche hin- und her. Interessant wird es, wenn man es aus der Sicht der Straße beschreibt: dann nämlich pendelt die Standfläche unter dem Schwerpunkt hin- und her und erinnert damit an das ganz normale Balancieren; das gleiche wie wenn man einen Schirm auf der Schuhspitze balanciert.)

Der oft angesprochene Kreiseleffekt, der das Rad von sich aus schon stabilisiert (also anders wie oben, wo der Kreiseleffekt nur Mittel zum Zweck für einen anderen Effekt war) ist bei nur bei schweren Rädern und hohen Geschwindigkeiten (also bei Motorrädern) bemerkenswert. Denn das oben angesprochene seitliche Ausweichen geschieht um so langsamer, je größer die Geschwindigkeit und die Masse der Räder ist. Und in diesem Fall kann dieses seitliche Ausweichen in der kurzen Einwirkzeit des momentanen Kippmoments so gering sein, dass nur das zeitlich gemittelte Kippmoment während der gesamten Geradeausfahrt von belang ist - und das ist aus statistischen Gründen Null: die Fahrt ist stabil. Aber wie gesagt, für Fahrradfahrer mit ihren leichten Rädern ist dieser Effekt nicht von Bedeutung.

Ich hoffe ich habe nichts vergessen.

Gruß
Oliver

5

kleiner Tippfehler

Je
schneller man fährt, desto kleiner sind die Kreisbahnradien,
die für die erforderliche Fliehkraft notwenig sind, die
Schlangenlinien sind enger, das Rad stabiler.

Es muss natürlich heißen „Je schneller man fährt, desto größer sind die Kreisbahnradien…“