Gyroskopischer Effekt

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Unter einem gyroskopischen Effekt versteht man den durch Kreiselkräfte hervorgerufenen Selbststeuerungseffekt, der einem System aufgrund der Drehbewegung einzelner Elemente oder des gesamten Systems innewohnend (inhärent) ist. Dabei handelt es sich nicht nur um eine Stabilisierung aufgrund des Trägheitsmoments, sondern auch um dynamische Vorgänge im Zusammenhang mit der Drehimpulserhaltung, die das System auch bei Störungen in einen stabilen Zustand zurückführen können.

Anschaulich ist dieser Effekt an einem über eine waagrechte Fläche gerollten Fahrradreifen abzulesen. Der Reifen rollt überraschend lange annähernd geradeaus. Ein Drehmoment, das den Reifen um seine Auflage umkippen würde, bewirkt eine Präzession seiner Drehbewegung. Das heißt, er dreht sich um die senkrechte Achse. Da diese Drehung in die gleiche Richtung erfolgt wie die Kipprichtung (kippt er nach rechts, dreht er sich auch nach rechts), steuert der Reifen sich selbst aus. Dieser Effekt hält nicht unbegrenzt an. Fällt die Rollgeschwindigkeit unter einen bestimmten Wert, dann kippt der Reifen schließlich um.

Gyroskopischer Effekt bei Zweirädern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Entgegen der gängigen Meinung ist der gyroskopische Effekt nur zu einem geringen Anteil dafür verantwortlich, dass sich ein (vorwärts) freilaufendes Fahrrad üblicher Lenkgeometrie selbstständig ausbalanciert. Die Wirkung dieses Effekts auf das (Selbst-)Lenkverhalten des Fahrrades ist geschwindigkeitsabhängig und in einem für Fahrräder üblichen Geschwindigkeitsbereichen (Rotationsgeschwindigkeit des Vorderrades) verhältnismäßig gering ausgeprägt.

Das selbstbalancierende Verhalten von Fahrrädern ist vordergründig der Lenkgeometrie zuzuschreiben, bei welcher der reale Aufstandspunkt des Vorderrades hinter dem theoretischen Schnittpunkt zwischen Lenkachse und Boden liegt -- der Aufstandspunkt läuft dem Schnittpunkt nach; man nennt den Abstand zwischen beiden Punkten dementsprechend üblicherweise Nachlauf. Der Nachlauf bewirkt bei einem Kippen des Zweirads um seine Längsachse eine am Aufstandspunkt des Vorderrades angreifende und entgegen der Kipprichtung wirkende Kraft. Kippt das Fahrrad beispielsweise nach rechts, so wirkt am Aufstandspunkt des Vorderrades eine Kraft nach links, welche das Vorderrad um seine Lenkachse in Fahrtrichtung nach rechts einlenken lässt. Die Gerade der Aufstandspunkte bewegt sich damit wieder unter den Masseschwerpunkt. Dieses Verhalten lässt sich auch am stillstehenden Fahrrad nachvollziehen und ist -- für sich betrachtet -- kaum geschwindigkeitsabhängig.

Diese "geometrische Selbstbalancierung" wirkt in dieselbe Richtung wie die Präzessionsbewegung des rotierenden und seitlich kippenden Vorderrades. Beide Effekte überlagern sich, wobei der Anteil des gyroskopischen Effekts im für Fahrräder üblichen Geschwindigkeitsbereich i.d.R. lediglich die "geometrische Selbstbalancierung" stabilisiert.[1][2][3]

Einzelbelege[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Für die Balancesteuerung reichte eine einzige Zeile Code. auf: heise.de, 2. November 2012.
  2. Neues Freihand-Fahrrad: Die Masse macht's. In: Spiegel online. 15. April 2011.
  3. J. D. G. Kooijman, A. L. Schwab, J. P. Meijaard, J. M. Papadopoulos, A. Ruina: A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Caster Effects. In: Science. Band 332, Nr. 6027, 2011, S. 339–342, doi:10.1126/science.1201959.