En teknisk kurs kräver goda kurvor. Men, enligt fysiken, hur långt kan du tippa din cykel innan du når däck?
Forskare har funderat över vad som gör att en cykel balanserar sedan din gamla tid. Många experter föreslog att de snurrande ringarna får cykeln att bete sig som ett gyroskop, men det är inte så enkelt. En grupp ingenjörer från Nottingham University identifierade 25 separata variabler som påverkar en cykels rörelse, med hänvisning till att En enkel förklaring verkar inte möjlig eftersom lutning och styrning är kopplade av en kombination av effekter, inklusive gyroskopisk precession, laterala markreaktionskrafter vid framhjulet, markkontaktpunkt släpande bakom styraxeln, gravitation och tröghetsreaktioner…'
Vad som är känt är att så länge en cykel rör sig i en hastighet av cirka 14 km/h (9 mph), kan den förbli upprätt utan närvaro av en förare. Men återigen, forskare kan inte förklara varför.
Mot den bakgrunden, kasta in den extra dimensionen av en kurva och beräkna vinkeln som du kan luta dig i kurvor innan du kör på asf alten är helt klart en komplex affär. Under rätt förhållanden är det möjligt att se vinklar på 45°, men hur kommer vi till den punkten?
‘Vi vet att det finns tre verkliga krafter som verkar på cykeln och ryttaren, säger Rhett Allain, entusiastisk cyklist och docent i fysik vid Southeastern Louisiana University i USA.
‘Det finns gravitationskraften som trycker ner cykeln och föraren; det är vägen som trycker upp, som vi kallar "normal" kraft, och det finns en friktionskraft som driver cykeln mot mitten av den cirkulära banan som den rör sig i.’
Den falska kraften
Det finns också centrifugalkraft."Det här har en inverkan men det är en falsk kraft", säger Allain. Många fysiker hävdar att centrifugalkraften inte existerar och helt enkelt är en brist på centripetalkraft – en inåtdragande kraft som säkerställer att cykeln rör sig i en cirkel som liknar gravitationen som drar inåt på en satellit för att hålla den i omloppsbana.
Det beräknas via ekvationen F=mv2/r, där F är centripetalkraften (Newton), m är massan av cykel och förare (kg), v är hastighet (m/s) och r är hörnets radie i meter.
‘Fysiken med att åka en sväng är att du gör det genom att accelerera radiellt inåt, vilket är nere på centripetalkraften, säger David Wilson, emeritusprofessor i teknik vid Massachusetts Institute of Technology.
‘Kraften måste komma från däcken. Cykeln måste luta så att kombinationen av reaktionen från däcket och den radiella kraften är i linje med den resulterande kraften från cykeln plus föraren.’
Nyckeln till hur långt du kan luta dig är också friktionskoefficienten, som är förhållandet mellan friktionskraften mellan två kroppar och kraften som appliceras på dem – i det här fallet däcket och asf alten.
De flesta torra material har friktionsvärden mellan 0,3 och 0,6, medan gummi i kontakt med asf alt kan ge en siffra på mellan ett och två. När ytorna rör sig i förhållande till varandra – enligt cykling – minskar denna siffra något.
För att cykeln ska förbli upprätt måste sidokraften (centripetal) vara lika med friktionskoefficienten, och denna siffra kan vara förvånansvärt stor. Till exempel upplever en 70 kg-cyklist på en 10 kg-cykel som rusar i 20 mph runt en kurva med en radie på 20 m en centripetalkraft på 316 Newton.
Den här kraften måste genereras av däcken, och om kraften inte fanns skulle cykeln och föraren helt enkelt fortsätta i en rak linje.
Med hjälp av några imponerande trigonometriska beräkningar som skulle fylla en hel bok, är friktionskoefficienten lika med tangentfunktionen för den maximala lutningsvinkeln.
‘Hjulet kommer att slira när friktionskoefficienten överskrids, säger Marco Arkesteijn, lektor i idrottsvetenskap vid Aberystwyth University.’Detta kan bero på att friktionskraften ökar [på grund av att linan t.ex. dras åt genom ett hörn] eller att normalkraften minskar [på grund av till exempel en försänkning i vägen].’
Friktionskoefficienten kan också ändras på grund av en förändring i ytan. Det är därför det kan vara farligt att köra kurvor på en vit linje. "Detta gäller särskilt i vått tillstånd", säger Arkesteijn.’Färgen är mindre porös så vattnet skingras inte.’
Åkarvikt
För att komplicera saken ytterligare är frågan om förarens vikt. "Fysikmässigt borde mindre killar kunna luta sig mer", säger Arkesteijn. "De är också vanligtvis smidigare, vilket hjälper."
Allain är inte riktigt lika bestämd, vilket tyder på att även om förarens vikt spelar en "lite" roll, är föraren-plus-cykelns masscentrum av större betydelse.
‘I slutändan är det den viktigaste faktorn, säger han. Tyngre ryttare tenderar att vara längre ryttare, särskilt i proffsspelet, vilket innebär att deras ramstorlekar är större och deras massacentrum är högre. Du måste också ta hänsyn till vägförhållandena. Om du är vid gränsen kan en gupp på vägen leda till att du förlorar greppet och faller.
Brittiska vägar är ibland mer greppvänliga än våra kusiner på fastlandet eftersom de är mer porösa för att absorbera regn och förhindrar h alt underlag. Det är därför våra vägar är grövre. Men de är ofta stötigare och i sämre skick på grund av frostskador, därför är det en ren fröjd att cykla och köra i Frankrike när det är torrt.
Efter allt det, vad är den maximala lutningsvinkeln? För mekanik- och ingenjörsprofessorn Jim Papadopoulos kan det inte besvaras förrän du kastar in en sista faktor – spår.
Detta är en imaginär linje som projiceras nedför styrröret till marken. Om denna punkt är framför hjulets kontaktpunkt med marken anses den vara "positiv" och är mer stabil. Bakom och cykeln är mer benägna att välta. Trail minskar ju mer du lutar dig.
'Cyklister tenderar att stanna i den positiva spårregionen och inte överstiga 45° av lutning, säger han. Det är vanligtvis mindre, men när svängen är större än 5 m radie kan du nå 45°. Det beror på att spåret blir mindre problem – då återgår vi till frågan om dragkraft.’
Så 45° är möjligt på en snabb, bred, välbelagd sväng, men med så många variabler på spel finns det tyvärr inget definitivt svar. Hur långt du kan luta dig är ett fall av försök och (förhoppningsvis inte alltför smärtsamma) misstag.
