Waarom blijft een fiets eigenlijk overeind?

"Waarom blijft een fiets eigenlijk overeind?" is iets wat je je waarschijnlijk nooit hebt afgevraagd. Tenzij je een uitzondering bent op de regel, natuurlijk, maar ik kan wel met zekerheid stellen dat je nooit bent overgegaan op een diepgaand, langdurig wetenschappelijk onderzoek naar het fenomeen. Dat doen namelijk zeer weinig mensen, en één daarvan is wetenschapper Arend L. Schwab, die 12 jaar geleden begon met onderzoek om een antwoord te vinden op die prangende vraag.

Ik besloot contact op te nemen met de Delftse onderzoeker om erachter te komen hoe zijn onderzoek vordert.

Volgens Schwab is de stabiliteit van de fiets aan "een combinatie van factoren" te danken. Deze factoren zijn het gyroscopische effect van de draaiende wielen, iets wat de 'naloop' van het voorwiel heet en, cruciaal, het feit dat het wiel zich in de valrichting stuurt. Dat dat laatste punt zo belangrijk is voor onze dagelijkse fietstochten is iets waar Arend en zijn studenten achter zijn gekomen. In het filmpje hieronder wordt een korte demonstratie gegeven:

De fiets in het filmpje leunt eerst een beetje naar de rechterkant, waarna het stuur naar rechts zwiept en de vallende beweging corrigeert, waarna de fiets weer de andere kant opvalt, het stuur die valrichting volgt tot de fiets weer de andere kant op gaat vallen. Dit gaat zo door tot de fiets te weinig voorwaartse snelheid heeft en omvalt. Een ander voorbeeld is dat je op de fiets zit en een bocht ingaat; dan leun je ook altijd een klein beetje de bocht in. Probeer op je fiets maar eens precies het tegenovergestelde te doen: naar links hangen, maar naar rechts sturen. Je gaat gegarandeerd op je bek. Dit gebeurt ook wanneer het stuur vaststaat. Probeer maar eens. Of niet, als je geen masochist bent.

Een fiets blijft dus stabiel doordat het zijn eigen val voorkomt met behulp van corrigerende bewegingen van het stuur. De regel is daarbij dat het stuur altijd de kant van de val opgaat, maar er is wel voldoende snelheid voor nodig. Wordt er aan die voorwaarden voldaan dan blijft de fiets stabiel en spreekt men van een zelf-stabiliserend systeem. Je kunt een fiets die voldoende snelheid heeft zelfs kleine duwtjes geven, zonder dat het ding direct omvalt. Op het moment dat een fiets stilstaat gaat het principe verloren en valt de fiets sowieso om.

Volgens Schwab dacht iedereen vroeger dat de stabiliteit vooral door het gyroscopische effect van de wielen kwam óf door hoe de stuurinrichting precies is gebouwd. Maar uit zijn eigen experimenten blijkt de massaverdeling van de fiets ook een grote rol te spelen. Toch is er niet één enkel ding aan te wijzen waardoor de fiets overeind blijft

Om de relatieve invloed van de verschillende factoren aan te tonen, bouwden Schwab en zijn team de two-mass-skate (TMS) bike, een rare metalen constructie op wielen die vaag doet denken aan een fiets:

Ten eerste zitten de wielen die contact maken met de grond vast aan wielen die in de tegenovergestelde richting draaien, waardoor het gyroscopisch effect in feite wordt opgeheven. Met deze aanpassing deed Schwab experimenten in een gymzaal. De constructie vertoonde echter nog steeds hetzelfde gedrag als een normale fiets, namelijk het meesturende, val-corrigerende effect. Hieronder zijn een aantal van de 'testritten' te zien:

Ook is de naloop van de wielen bij de TMS weggehaald, doordat de stuurkolom bijna pal boven het wiel staat. De naloop is het deel van het wiel dat zich tussen het verlengde van de stuuras en de verticale lijn getrokken vanaf de wielas bevindt. Hoe groter de naloop is, hoe beter het wiel de richting van de bovenbouw volgt en vice versa. Bij de TMS hebben ze de naloop geminimaliseerd zodat het niet noemenswaardig kon bijdragen aan het zelf-stabiliserend mechanisme. Hieronder is te zien waar de naloop zich bevindt bij, respectievelijk, de TMS en een normale tweewieler:

De naloop bleek niet essentieel, want het model blijft toch overeind en behoudt nog altijd het zelf-stabiliserend mechanisme. Dit komt omdat het wiel wel de richting op blijft gaan van de bovenbouw, maar nog steeds in de valrichting kan sturen en dus de fiets kan corrigeren. Met deze experimenten toonde Schwab dus aan dat de zelf-stabiliserende werking van een fiets blijkbaar de belangrijkste factor is om te kunnen fietsen. Bedankt, zelf-stabiliserende factor.

Ergens is het niet zo raar dat niemand hier eerder écht onderzoek naar heeft gedaan. Het lijkt allemaal namelijk vrij vanzelfsprekend. Zelfs Schwab geeft aan zich nooit zo veel met fietsen bezig gehouden te hebben voordat hij een jaar op sabbatical ging aan Cornell Universiy. Daar werd hem pas gevraagd of hij zijn Nederlandse fietslicht op deze prangende kwestie kon werpen.

Schwab: "Ze hadden [bij Cornell] wat aan fietsen gedaan en rare resultaten gekregen. Toen zeiden ze: 'hé hé, jij bent toch zo'n Hollander, kijk jij eens naar dat fiets-gedoe.'" Vanaf toen is zijn interesse gegroeid. Na zijn sabbatical nam hij zijn onderzoek mee naar Nederland, waar het naar mijn mening een beetje thuishoort.

Het is natuurlijk mateloos interessant om iets uit te zoeken hoe iets werkt waar iedereen elke dag gebruik van maakt, maar heeft het onderzoek ook praktisch nut? Volgens Schwab zouden de resultaten van zijn onderzoek gebruikt kunnen worden om fietsen veiliger te maken voor bejaarden: volgens veiligheid.nl is "de kans op een ongeval (aantal per gefietste kilometers) het grootst voor de oudere fietser."

Ook zou het onderzoek kunnen helpen bij het stabiliseren van racefietsen voor dingen als de Tour de France. Tijdens afdalingen ontstaat namelijk nu nog vaak "shimmy of wobble," waarbij het stuur heen en weer gaat trillen, en er valgevaar ontstaat. Schwab denkt dat daar zeker iets aan te doen is.

Verder gaan Schwab en zijn collega's zich verder verdiepen in het gedrag van de bestuurder van de fiets. Al het bovenstaande onderzoek ging namelijk over het gedrag van een fiets an sich, dus zonder de bestuurder. Ze zullen zich dan voornamelijk bezig houden met de vragen "Hoe stuur en balanceer je?" en "Hoe zorg je er voor dat je je fiets overeind houdt?"

Ik vind het nog steeds behoorlijk bizar dat het 2014 is en het nog steeds onduidelijk is hoe iets wat ik dagelijks doe eigenlijk werkt. Maar dankzij Schwab en zijn team komen we steeds dichterbij een antwoord van hoe het mogelijk is dat bijna heel Nederland zich succesvol van punt A naar punt B kan verplaatsen.

Je kan binnenkort trouwens hartstikke leuk stage komen lopen bij Motherboard. Klik hier voor meer info of mail meteen naar alejandro.tauber@vice.com.