#TALKNERDYTOME – Das Fahrrad: Warum fährt das?

#TALKNERDYTOME – Das Fahrrad: Warum fährt das?

In unserer Blogreihe „Talk Nerdy To Me“ beweist das Tech-Team von Weber Shandwick in regelmäßigen Abständen, wie viel Expertise in ihnen steckt. Automotive, KI, Chatbots, Lidar, Blockchain und Co. sind für unsere Techies schon längst keine Fremdbegriffe mehr, sondern gehören zum alltäglichen Wortschatz. Hier klären sie auf.

 

Was für eine Erfolgsgeschichte! Allein in Deutschland gibt es schätzungsweise 76 Millionen Fahrräder (2019) – eins für fast jede/n Bundesbürger*in. Fahrräder sind ökologische Fortbewegungsmittel, gut für die Gesundheit, nehmen deutlich weniger Platz weg als Autos und lassen sich für viele Fahrten zumindest in der Stadt wunderbar nutzen.

Nun lässt sich trefflich über Prioritäten in der deutschen Verkehrspolitik streiten, doch als Tech-Blog finden wir: Es ist höchste Zeit, mal aus technischer Sicht einen Blick auf diese großartige Erfindung zu werfen. Denn die meisten von uns haben zumindest eine grobe Vorstellung davon, warum Autos fahren, Schiffe schwimmen und Flugzeuge fliegen. Aber mal Hand aufs Herz: Wer weiß, warum Fahrräder fahren? Also nicht, warum sie sich vorwärtsbewegen, sondern warum sie dabei nicht umfallen?

Schauen wir uns das mal genauer an:

Die Geschichte des Fahrrades beginnt auf dem Eis, so heißt es. Der badische Erfinder Karl Freiherr von Drais stellte im Jahr 1817 seine später als „Draisine“ (nicht zu verwechseln mit der Eisenbahn-Draisine) bekannte Erfindung vor, die sich am ehesten als Laufrad für Erwachsene bezeichnen lässt. Inspiriert wurde er möglicherweise vom abwechselnden Abstoßen und Gleitenlassen beim Schlittschuhfahren. Die Geschwindigkeit von bis zu 15km/h war verlockend: Wohl bereits in den 1820er Jahren verbreitete sich die Technik in Deutschland und Europa und es entstanden viele Nachbauten.

Die Draisine war aus Holz – allerdings nicht viel schwerer als ein klassisches Stahlrad – und verfügte über eine für diesen Zweck recht komplizierte Drehschemellenkung, die auch bei Kutschen zum Einsatz kommt. Immerhin gab es bereits eine Schleifbremse am Hinterrad. Vor allem aber nutzte Karl von Drais‘ Erfindung bereits zwei wichtige Prinzipien, die auch heutige Fahrräder während der Fahrt aufrecht halten:

  • Die Balancierfähigkeit: Ein stehendes Lauf- oder Fahrrad, das nicht hundertprozentig rechtwinklig zum Boden (im Lot) steht, fällt um – klar. Während der Fahrt sorgen kleine Lenkbewegungen in Fallrichtung dafür, dass das Rad eine kurze Kurve fährt und durch die Fliehkräfte in Gegenrichtung wieder aufgerichtet wird. Eine Geradeausfahrt entspricht dabei einer ständigen Abfolge kleiner, wechselnder Lenkbewegungen, mit denen wir das Fahrrad ausbalancieren. Dabei gilt: Je schneller wir fahren, desto größer die Fliehkräfte und desto geringer die nötige Lenkbewegung. Deshalb empfinden wir zügiges Fahren als stabiler als sehr langsame Fahrten.
  • Gyroskopischer Effekt und Nachlauf: Der gyroskopische Effekt lässt sich am besten beobachten, wenn man ein einzelnes Fahrrad-Rad anschubst und geradeaus laufen lässt: Wenn das Rad zu einer Seite kippt, fällt es nicht einfach platt um – es dreht sich um seine senkrechte Achse in Fallrichtung und lenkt eine Kurve. Dabei entstehen wiederum Fliehkräfte, die das Rad wieder aufrichten (siehe oben). Bei für Fahrräder üblichen Geschwindigkeiten ist dieser Effekt jedoch relativ klein. Ergänzt wird er durch die geometrische Konstruktion des Fahrrads mit Nachlauf. Als Nachlauf bezeichnet man den Abstand zwischen dem Punkt, an dem das Vorderrad den Boden berührt, und dem Punkt, an dem die gedachte Verlängerung der (leicht schrägen) Lenkachse auf den Boden trifft, der sogenannte Spurpunkt. Bei modernen Fahrrädern liegt der Spurpunkt meist einige Zentimeter vor dem Radaufstandspunkt. Dieser positive Nachlauf sorgt dafür, dass das Rad besser in Richtung einer Neigung einlenkt und damit die Fahrer unterstützt. Außerdem stabilisiert der richtige Nachlauf bei stationären Kurvenfahrten, indem er einen Ausgleich von Radlast (die Kraft, die das geneigte Rad in Richtung Boden zieht) und Seitenkraft (die Fliehkraft, die das Rad aufrichten will) schafft.

Wir selbst sorgen also nur zu einem Teil dafür, dass das Fahrrad beim Fahren nicht umkippt – den Rest der Arbeit übernehmen die Fahrradkonstruktion und die Physik für uns.

 

Vom Laufrad zum Fahrrad

Bis aus dem Laufrad ein Fahrrad wurde, sollte es noch bis Mitte des 19. Jahrhunderts dauern. Im Jahr 1853 brachte der Schweinfurter Schreiner und Orgelbauer Philipp Moritz Fischer einen Tretkurbelantrieb an der Vorderradachse seiner Draisine an, allerdings nur für den Eigenbedarf. In den 1860er Jahren waren dann die ersten Fahrräder – ebenfalls mit Vorderradantrieb – kommerziell erhältlich.

Soweit, so gut. In den darauffolgenden Jahren wuchs jedoch zunächst einmal das Vorderrad in ungeahnte Höhen. Das größere Vorderrad hatte unter anderem den Vorteil, dass man bei gleicher Pedalkurbeldrehzahl schneller unterwegs war. Dennoch waren Hochräder nicht nur sehr unhandlich, sondern auch ziemlich gefährlich – Stichwort Fallhöhe. Vom „Fahrrad“ war jedenfalls noch nicht die Rede, sondern beispielsweise vom „Veloziped“. Auch der wunderbare englische Begriff „Boneshaker“ lässt einige Schlüsse über den Fahrkomfort vergangener Zeiten zu. Der Begriff „Fahrrad“ etablierte sich erst in den 1880er Jahren.

Ebenfalls ab den 1880er Jahren wurde das Fahrrad (oder auch „Sicherheits-Niederrad“) nach und nach zu dem, was wir heute kennen: mit zwei gleichgroßen Rädern, Luftbereifung, Hinterrad-Kettenantrieb, Felgenbremse, Nabenschaltung, Dynamo und Beleuchtung sowie mit Diamantrahmen oder tiefem Durchstieg. Damit etablierte sich das Fahrrad als massentaugliches, für alle Bevölkerungsgruppen zugängliches Fortbewegungsmittel.

Heutige Fahrräder haben einen sehr hohen energetischen Wirkungsgrad. Der ist natürlich abhängig von vielen Faktoren wie Reifendruck, Pflegezustand oder auch Schaltungsart, doch er kann bis zu 90-95 % betragen. Das bedeutet, dass 90-95 % der Energie, die wir hineinstecken (beim Fahrrad also die Kraft, mit der wir in die Pedale treten), eingesetzt wird, um das Fahrrad fortzubewegen. Nur mal so zum Vergleich: Bei Autos mit Verbrennungsmotor beträgt der Wirkungsgrad (Kraftstoff zu Bewegung) im Idealfall bis zu 35 %.

 

Du outest dich als Nerd, wenn du …

… weißt, dass das Bambusfahrrad, dieses ultimative Hipster-Accessoire, bereits 1894 vorgestellt wurde.

 


 

#TALKNERDYTOME

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Bild Credits: Banner – unsplash.com