Com es manté dreta una bicicleta

Soc avi d’un nen de tres anys que fa dies que va en una bici sense pedals y que des de aquest estiu ja porta una amb pedals de pinyó fix. En la foto no s’aprecia però ell va mantenint l’equilibri girant a dreta i esquerra de manera que va fent esses.

Mirant-lo vaig recordar les explicacions que feia servir en la meva joventut respecte a l’equilibri de les bicicletes, que bàsicament ho atribuïen a la conservació del moment angular de les rodes en el seu gir. No hi havia tornar a pensar en la física de les bicicletes des de que va desaparèixer del currículum del batxillerat la dinàmica dels cossos rígids. No us vull dir la d’anys que fa!

Vaig rumiar: no sembla que sigui només la conservació del moment angular de les rodes la que manté l’equilibri de la bici quan resulta tant difícil no caure al començament. Però per altra banda, els experiments d’una roda a les mans i d’una roda penjada d’un fill semblen indicar que el moment angular, L, de la roda és elevat.  El professorat de Física de la Universitat Complutense de Madrid ens explica aquests dos experiments i els mostren en un vídeo del catàlec de la seva col·lecció OSCAR (catálogO de experienciaS de Cátedra para la docenciA de física geneRal):

Me vaig ficar a estudiar una mica i, deu n’hi do!, el que se ha investigat al respecte. L’experiment de la roda penjada d’un fil podria fer-nos pensar que si una roda que gira es manté en equilibri vertical també ho farà la bicicleta a la que està enganxada, però resulta que una bici té una massa molt més gran (amb el ciclista) que la roda sola y que les bicis van a una velocitat moderada (i la velocitat de gir de les rodes també), de manera que el moment angular és prou petit per mantenir per si sol una bici en equilibri.

Com explica el professor Hugh Hunt de la Universitat de Cambridge, en fer els càlculs del moment angular per una roda d’una bici que va a 6 m/s (21,6 km/h), només es mantindria l’equilibri de la bici si les desviacions de la vertical del centre de masses de la bicicleta foren més petites de 2 mm. Una variant de l’article de dalt del mateix autor és aquest altre en castellà en el diari El País que titula: ¿Cómo se mantiene de pie una bicicleta? Sorprendentemente, es una cuestión mental.

Per evitar aquest problema, al 2012 l’empresa GyroBike va inventar una roda d’inèrcia per ficar com a roda davantera de les bicis de la canalla i augmentar així el moment angular, però va fracassar ja que com a joguina científica era una passada però com a roda de bici era molt cara (~150€). Un parell d’anys més tard es va tornar a intentar i una altra vegada va fracassar.

Per altra banda resulta que és possible mantenir-se en equilibri en una bici sense que les rodes girin, per exemple si estàs aturat davant un semàfor. En la web En bici por Madrid expliquen com guardar l’equilibri en bici si estàs parat.

Al respecte s’ha de considerar que el moment d’inèrcia d’un ciclista parat respecte a l’eix que formen les rodes amb el terra és bastant gran, el que permet estabilitzar-se amb una certa facilitat només inclinant-se cap a la dreta quan te’n vas a l’esquerra i al revés, igual que equilibres una escombra quan la mantens dreta en equilibri recolzada en un dit.

El punt d’inflexió en l’explicació de l’equilibri de les bicicletes va ser al 1970 quan el químic anglès David E. H. Jones, més conegut per l’article The Stability of the bicycle que pels seus estudis de química, va mostrar experimentalment que es podia anar perfectament en bici contrarestant el moment angular de les rodes. Tant ell, com al 2006 el professor Hugh Hunt, van muntar en una bicicleta una roda supletòria que girava en sentit contrari a les de la bici, de manera que anul·lava el seu moment angular, i no van tenir cap problema per a mantenir-se en equilibri.

No va ser aquest el punt final, ni molt menys, dels estudis científics sobre l’estabilitat de la bicicleta perquè les successives explicacions tenien mancances i encara es continua recercant, tant en la física de la bici amb ciclista com sobre tot en la física de la mateixa bicicleta. Heu de pensar que hi ha milions i milions de ciclistes que es gasten molts dines a l’any en bicis i complements.

A l’entrada del llibre de física online Hiperphysics La rueda de bicicleta hi ha un entenedor resum de les raons per explicar l’equilibri d’un ciclista, entre les quals s’ha de contemplar la distribució de masses en la bici, la batalla i l’avanç del quadre, els efectes giroscòpics, la velocitat, etc. i per suposat, el més important, el conductor que és el que va readreçant i equilibrant la bici mentre avança, ja que com diu el professor Hunt anar en bici sense caure és una qüestió mental, i per això a tots ens ha costat una mica aprendre a muntar-la.Aquí no acaba la física de la bicicleta ja que es pot estudiar la transmissió del moviment, com roden les rodes i el fregament amb el terra, com s’agafen les corbes, etc. Podeu donar un cop d’ull a l’article de la wikipedia Dinámica de la bicicleta y la motocicleta, que encara que no està molt bé traduït de l’original en anglès, és una entrada molt ben feta i fonamentada.

Per ampliar, si voleu més canya podeu mirar la tesi doctoral de John Prince de la Universitat d’Auckland en Australia en 2014, An investigation into bicycle performance and desing, i també el treball de síntesi de les recerques realitzades fins 2011 Historical Review of Thoughts on Bicycle Self-Stability, de J. P. Meijaard i altres de la Universitat of Twente a Holanda.


 

Anuncis

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out /  Canvia )

Google photo

Esteu comentant fent servir el compte Google. Log Out /  Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out /  Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out /  Canvia )

S'està connectant a %s

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir els comentaris brossa. Apreneu com es processen les dades dels comentaris.