Μέχρι στιγμής, η επιστήμη δεν είναι σε θέση να δώσει μια οριστική απάντηση. Αλλά πλησιάζει…
Οδηγώντας ένα ποδήλατο. Είναι σαν να οδηγείς ποδήλατο, σωστά; Λοιπόν, όχι αν είστε ο καθηγητής του Πανεπιστημίου Cornell Andy Ruina.
Εκείνος, μαζί με τους συν-συγγραφείς Jim Papadopoulos, Arend Schwab, Jodi Kooijman και Jaap Meijaard, έχει γράψει μια εργασία με τίτλο A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Castor Effects που υποδηλώνει ότι οι συνθήκες σταθερότητας που αναφέρθηκαν προηγουμένως δεν εξηγούν επαρκώς –και δεν είναι καν απαραίτητα για– το φαινόμενο του αυτοσταθερού ποδηλάτου.
«Είναι αξιοσημείωτο το γεγονός ότι οι άνθρωποι μπορούν να μείνουν ξύπνιοι με ένα ποδήλατο. Αλλά ένα από τα πιο εκπληκτικά πράγματα για τα ποδήλατα είναι ότι μπορούν να ισορροπήσουν τον εαυτό τους», λέει η Ruina.
Δίνοντας το παράδειγμα της διάσημης σκηνής στην ταινία του Jacques Tati του 1949 Jour de Fête, όπου ο ταχυδρόμος Φρανσουά κυνηγά το δραπέτη άλογό του καθώς κινείται χωρίς καβαλάρη σε έναν επαρχιακό δρόμο, ο Ruina και οι συνάδελφοί του επιστήμονες ξεκινούν να εξερευνήσουν τη συμβατική σοφία ότι δύο απαραίτητες προϋποθέσεις για να παραμείνει ένα ποδήλατο όρθιο ήταν είτε η γυροσκοπική ροπή των τροχών που στρίβουν είτε το ίχνος τροχίσκου του μπροστινού τροχού.
«Μπορείτε να κρατήσετε ένα ποδήλατο όρθιο μόνο όταν κινείται», λέει η Ruina. «Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι το τιμόνι σου δίνει ισορροπία. Μπορούμε να το δείξουμε αυτό αν κλειδώσουμε το τιμόνι σε ένα ποδήλατο χωρίς αναβάτη, το σπρώξουμε και μετά το αφήσουμε να φύγει. Το ποδήλατο θα πέσει γρήγορα με τον ίδιο τρόπο που πέφτει όταν είναι ακίνητο.»
Το Ruina παρομοιάζει το εφέ με την ισορροπία μιας σκούπας στο χέρι. Καθώς η κατακόρυφη σκούπα αρχίζει να γέρνει προς τα αριστερά, ο εξισορροπητής μετακινεί το χέρι του και προς τα αριστερά, φέρνοντας το κάτω μέρος της σκούπας πίσω κάτω από την κορυφή της που πέφτει, ανακτώντας έτσι την ισορροπία. Αλλά βγάζοντας τον αναβάτη από την εξίσωση, γιατί συμβαίνει αυτό με ένα ποδήλατο;
‘Οι άνθρωποι πιστεύουν φυσικά ότι αν κάτι περιστρέφεται γρήγορα γίνεται άκαμπτο λόγω του γυροσκοπικού φαινομένου, επομένως όταν το γυρίζετε, θέλει να στρίψει από την άλλη πλευρά. Αυτή είναι μια κοινή εξήγηση. Το άλλο είναι ότι ένα ποδήλατο συμπεριφέρεται σαν τροχίσκος σε καροτσάκι για ψώνια.
Σημείο επικοινωνίας
Οι άνθρωποι υποθέτουν ότι το πραγματικό σημείο επαφής με το έδαφος του μπροστινού τροχού είναι μπροστά από τον άξονα διεύθυνσης λόγω της γωνίας κεφαλής και της κλίσης του πιρουνιού. Αλλά στην πραγματικότητα ο τροχός έρχεται σε επαφή με το πάτωμα ακριβώς πίσω από αυτόν τον άξονα.»
Το αποτέλεσμα είναι ότι, όπως ένας τροχός που μπορεί να κινηθεί 360° γύρω από έναν κατακόρυφο άξονα (φανταστείτε το ακουστικό σας είναι το ρουλεμάν του τροχίσκου και η πλήμνη σας είναι ο άξονά του), ο μπροστινός τροχός σας «ακολουθεί» το τιμόνι σας. Έτσι, όπως ένα καροτσάκι για ψώνια, σπρώξτε το ποδήλατό σας προς τα εμπρός και ο μπροστινός τροχός αναγκαστικά μπαίνει και ακολουθεί πίσω από την κατεύθυνση του ταξιδιού.
Ωστόσο, οι υπολογισμοί των ερευνητών έδειξαν ότι ούτε το γυροσκοπικό ούτε το φαινόμενο του καστόρ ευθύνονται στην πραγματικότητα για την τάση του ποδηλάτου να οδηγεί και να αυτοσταθεροποιείται.
Για να το αποδείξουν αυτό, ο Ruina και η ομάδα του κατασκεύασαν αυτό που αποκαλούν «Two Mass Skate» (TMS). Μοιάζει κάτι σαν αναδιπλούμενο σκούτερ, το TMS έχει τις ίδιες ιδιότητες με ένα ποδήλατο – δύο τροχούς και ένα μπροστινό και πίσω τμήμα μάζας που συνδέονται με έναν μεντεσέ (δηλαδή, το ακουστικό) – αλλά είναι κατασκευασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να μην είναι επιρρεπείς σε γυροσκοπικά ή καστορικά εφέ.
Για να επιτευχθεί αυτό, δύο μικροί τροχοί έρχονται σε επαφή με το έδαφος, ο καθένας με έναν συγκινητικό και ως εκ τούτου αντίθετα περιστρεφόμενο τροχό ίσης μάζας στην κορυφή, ο οποίος ακυρώνει κάθε γυροσκοπικό αποτέλεσμα με αντίθετη κίνηση (οι τροχοί του TMS λειτουργούν περισσότερο σαν πατίνια). Και το σημείο επαφής του μπροστινού τροχού βρίσκεται μπροστά από τον άξονα διεύθυνσης, όχι πίσω όπως με έναν τροχό.
Όταν πιέζεται και αφήνεται, αυτό το «ποδήλατο» χωρίς τροχούς παραμένει όρθιο, ακόμη και διορθώνεται όταν χτυπηθεί από το πλάι.
Αυτό αποδεικνύει επομένως ότι κάτι άλλο, εκτός από τα γυροσκοπικά ή τα εφέ τροχού, πρέπει να ευθύνεται για την τάση της μοτοσυκλέτας να αυτοσταθεροποιείται οδηγώντας κάτω από τον εαυτό της. Για να το εξηγήσουν αυτό, οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η κατανομή της μάζας, ιδιαίτερα στο συγκρότημα διεύθυνσης, είναι το κλειδί.
Επιστρέφοντας στο παράδειγμα της σκούπας, ο Ruina προτείνει, «Το TMS έχει μια μάζα που βρίσκεται μπροστά από τον άξονα διεύθυνσης καθώς και μια μάζα στο πλαίσιο. Όταν το μπροστινό μέρος ενός ποδηλάτου πέφτει, πέφτει πιο γρήγορα, όπως και αν ισορροπήσεις ένα μολύβι στο χέρι σου, θα πέσει πιο γρήγορα από μια σκούπα.
Έτσι η μπροστινή μάζα πέφτει πιο γρήγορα από την πίσω μάζα, αλλά συνδέονται μεταξύ τους μέσω του άξονα διεύθυνσης. Έτσι, σε μια προσπάθεια να πέσει πιο γρήγορα το μπροστινό άκρο προκαλεί το τιμόνι και επαναφέρει το ποδήλατο κάτω από τον εαυτό του.»
Η Ruina επισημαίνει ότι αυτό εξακολουθεί να μην λύνει το ζήτημα της σταθερότητας ενός ποδηλάτου, ιδίως όσον αφορά ένα ποδήλατο χωρίς αναβάτη. Αλλά αυτό που κάνει είναι να θέτει νέες ερωτήσεις σχετικά με το πώς μένουμε όρθιοι σε ένα ποδήλατο, κάτι που μια μέρα μπορεί να οδηγήσει σε θεμελιώδεις αλλαγές στο σχεδιασμό.
Όπως το έθεσαν οι ερευνητές: «Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η εξελικτική διαδικασία που οδήγησε σε κοινά σημερινά σχέδια ποδηλάτων μπορεί να μην έχει ακόμη εξερευνήσει πιθανές χρήσιμες περιοχές στο χώρο σχεδιασμού.» Άρα εκεί.
