Die Welt physikalisch gesehen
Fahrrad
Der großspurige Nikolaus
Kein Wunder, dass für diesen Nikolaus der Eingang verwehrt wird. Denn er hat offensichtlich keine Geschenke dabei und sitzt dennoch auf einem hohen Ross.
Dieses Ross, vulgo Hochrad, war weder für Nikoläuse noch für für Akrobaten vorgesehen, sondern war mal als Alltagsfortbewegungsmittel gedacht. Es hat sich, wie man weiß, nicht durchgesetzt. Zum Glück, denn mit diesem Gefährt wäre der Radverkehr noch unbedeutender geworden, als er es mit dem nicht lange nach dem Hochrad entwickelten Fahrrad wie wir es heute kennen leider immer noch ist.
So schnell, um sich zu entkommen…
Sie erzählt gern vom Radfahren, von der erbarmungslosen Hitze an schattenlosen Steilaufstiegen und der kühlen Umarmung des Windes, wenn es abwärts geht. Vom schnellen Wechsel der Temperaturen in den Luftschichten und davon, was Freiheit bedeutet, nämlich so schnell zu sein, dass man sich selbst entkommt. Jedes Mal sagt sie, dass Geschwindigkeit jung hält, und das nicht nur, weil die Zeit nach Meinung der Physiker für bewegte Körper langsamer vergeht.*
* Juli Zeh. Schilf. Frankfurt 2007; S.:49
Auf die Spitze getrieben…
Dieses unfassbare Wesen, der Augenblick,
liegt zwischen der Bewegung und der Ruhe
als in keiner Zeit seiend…
Platon, Parmenides 156 e
Die Fotografie liefert uns eine Möglichkeit, zumindest einen Aspekt des Faustischen Wunsches zu realisieren, zu einem Augenblick sagen zu können: „Verbleibe doch,du bist so schön!“ – eine Situation als Bild zu fixieren. Dies ist dann besonders eindrucksvoll, wenn ein Augenblick aus einem schnell ablaufenden Vorgang herausgeschnitten wird, der während der realen Beobachtung gar nicht die Zeit hat, ins wache Bewusstsein zu dringen. Wenn man an einer solchen Performance als Beobachter beteiligt ist, wird einem jedenfalls nicht die komisch wirkende äußerst kurzzeitige Situation auffallen, dass hier der Fahrradfahrer mit dem Vorderrad auf der davon völlig unbeeindruckten Spitze eines Baumes balanciert. Weiterlesen
Radfahren kommt dem Flug der Vögel am nächsten*
Ein Fahrrad will bewegt werden. Im Ruhezustand kippt es um, muss gestützt werden und sieht kümmerlich und hilflos aus. Erst in der Bewegung erwacht es zum Leben. Und selbst der älteste Klepper entfaltet dann eine unerklärliche Grazie.
Obwohl man das Fahrradfahren physikalisch erklären kann, bleibt der wesentliche Teil des Geheimnisses davon unberührt, der darin besteht, dass es funktioniert.
Frei nach Loriot ist ein Leben ohne Fahrrad zwar möglich, aber sinnlos.
Daher bedaure ich jene Leute, die auf dem Weg ins Fitness-Studio im Stau stehen, um sich dort auf ein invalides Fahrrad ohne Räder zu setzen und sich nicht von der Stelle zu rühren.
Weitere Beiträge zum Fahrrad findet man hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier… Ihr seht, ich mag das Fahrrad(fahren).
* Louis J. Halle (1910 – 1998) US-amerikanischer Naturforscher und Autor
La economía energética de la bicicleta
Schlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia Mayo 2018Nº 500, p. 85 – 87
Ningún animal aprovecha la energía con tanta eficiencia como las personas cuando nos desplazamos… siempre y cuando lo hagamos sobre dos ruedas.
Los orígenes de la bicicleta se remontan a la «máquina andante» de Karl von Drais, inventor alemán que, en 1817, concibió el precursor del hoy popular vehículo de transporte. Aquel ingenio carecía de propulsión a pedales, pero, aun así, ya avanzaba más rápido que los coches de caballos y mucho más de lo que es posible a pie. Con las bicicletas corrientes de hoy en día, un adulto medio puede viajar cuatro veces más rápido que caminando a buen ritmo. En otras palabras: las personas usamos nuestra energía muscular de manera mucho más eficiente cuando vamos en bicicleta.
Para investigar este medio de locomoción desde un punto de vista puramente físico y compararlo con otros, podemos comenzar considerando la potencia de un ciclista. Esta se obtiene al multiplicar su velocidad por la suma de las distintas fuerzas de resistencia que debe superar. Tales fuerzas se deben principalmente a la interacción con el suelo y con el aire circundante. El suelo hace que el ciclista experimente la llamada resistencia a la rodadura. Esta es en gran medida independiente de la velocidad y resulta proporcional al peso conjunto del ciclista y su vehículo. Dicha proporcionalidad se expresa a través de una constante que depende de la fricción entre el neumático y el pavimento: el coeficiente de rozamiento. No podemos cambiar la superficie de la carretera, pero sí reducir bastante el rozamiento si elegimos las ruedas adecuadas.
Como el rozamiento por rodadura también resulta proporcional al peso, cuanto menor sea la masa del ciclista, menos esfuerzo tendrá que hacer. Además, eso también le favorecerá en las subidas, dado que en ellas hay una componente del peso que se opone al movimiento. Sin duda, el empleo de materiales ligeros en la fabricación del vehículo también ayudará. Pero, dado que quien más contribuye a la masa total es el propio ciclista, una estrategia mucho más ventajosa consiste en montar en bicicleta más a menudo y adelgazar con ello. Solo en el ciclismo profesional, donde cuentan las décimas de segundo, vale la pena asumir el coste que supone recurrir a la tecnología para eliminar cada gramo superfluo del velocípedo.
En la magnitud constante de la fuerza de rozamiento por rodadura incluimos —por lo general, tácitamente— las pérdidas por rozamiento que se producen al transferir la energía muscular a la rueda motriz, dado que esta cantidad tampoco depende apenas de la velocidad. En cualquier caso, las pérdidas en las bielas, la cadena y los rodamientos de las bicicletas modernas son relativamente pequeñas, siendo el rendimiento de entre el 90 y el 95 por ciento. Esto debemos agradecérselo sobre todo a los rodamientos de bolas, los cuales reemplazan el deslizamiento, que produce grandes pérdidas y desgaste, por la rodadura, lo que nos permite ahorrar energía. Su invención a mediados del siglo XIX dio un notable empujón al desarrollo de la bicicleta.
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Deutsche Version: Konkurrenzlos sparsam
Die erste Fahrradtour der Welt…
… unternahm Karl von Drais heute vor genau 200 Jahren. Mit seiner hölzernen, zweirädrigen Laufmaschine fuhr er von Mannheim zum Schwetzinger Relaishaus und zurück. Diese Strecke von ca. 15 Kilometern legte er in einer Stunde zurück und war damit schneller als die Postkutsche. Wer sich heute die Laufmaschine ansieht, ist mit dem Wissen um die weitere Entwicklung des Fahrrads vielleicht weniger beeindruckt als es die Erfindung wirklich verdient. Weiterlesen
Vom bewegenden und bremsenden Wind
Ein Radler setzt die Luft in Bewegung, indem er sie verdrängt. Das ist anstrengend und kostet Energie. In der Windkraftanlage passiert das Umgekehrte. Der Wind, der nach oben hin stärker wird, verdrängt die angeströmten Rotoren zur Seite, die allerdings immer wieder nachrücken und dadurch in Bewegung bleiben. Diese dadurch vom Wind auf die Rotoren übertragene Bewegungsenergie wird durch einen Generator in elektrische Energie verwandelt, die ihrerseits durch ein Leitungsnetz auf viele Verbraucher verteilt und für tausend Hilfsfunktionen genutzt wird. Weiterlesen
Konkurrenzlos sparsam
Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 4 (2017), S. 74 – 77
Radfahren kommt
dem Flug der Vögel am nächsten
Louis J. Halle (1910–1998)
Kein Tier setzt Energie so effizient zur Fortbewegung ein wie ein Mensch. Sofern er Fahrrad fährt! Weiterlesen
Das Fahrrad als Persönlichkeit
„Woran erkennen Sie, daß jemand viel Fahrrad in den Adern hat?“ (…)
„Mancher“, sagte er, „nennt es Energie, aber das richtige Wort ist Omnium, denn es steckt viel mehr dahinter als Energie, wohinter auch immer. Omnium ist die wesentliche inwendig innewohnende Essenz, die sich im Innern der Wurzel des Kerns von allem verbirgt, und es ist immer Dasselbe.“
Ich nickte weise. (…)
Das Fahrrad selbst schien eine gewisse eigenartige Qualität der Form oder Persönlichkeit zu haben, die ihm weit mehr Würde und Wichtigkeit verlieh, als sonst diesen Maschinen eignet. Es war außerordentlich gut gepflegt, trug ein angenehmes Funkeln auf dem dunkelgrünen Gestänge zur Schau und hatte ein Ölbad sowie ein sauberes Glitzern auf rostlosen Speichen und Rahmenwerk aufzuweisen. Es ruhte vor mir wie ein zahmes Pony aus hiesigem Gestüt und schien unangemessen klein und niedrig (…), als ich aber seine Höhe mit meiner Größe verglich, fand ich heraus, daß es größer war als jedes andere Fahrrad, das ich je gesehen hatte. Das lag wahrscheinlich an den perfekten Proportionen seiner Teile, die sich nur zusammengefunden zu haben schienen, um ein Ding von unübertrefflicher Anmut und Eleganz zu schaffen, das alle geltenden Größennormen zunichte machte und nur in der absoluten Gültigkeit seiner eigenen untadeligen Dimensionen existierte. Trotz der stämmigen Fahrradstange schien es unsagbar weiblich und wählerisch, es posierte eher wie ein Mannequin, als daß es sich müßig gegen die Wand lehnte wie ein Faulenzer, und mit unanfechtbarer Präzision ruhte es auf seinen zierlichen Reifen, zwei winzige Punkte reinen Kontakts mit dem geraden Fußboden. Ich strich mit unbeabsichtigter Zärtlichkeit – ja, sinnlich – über den Sattel. Auf unerklärliche Weise erinnerte er mich an ein menschliches Antlitz, und das nicht einer simplen Ähnlichkeit in Umriß oder Miene wegen, sondern durch eine Verwandtschaft der Gewebe, irgendeine unbegreifliche Vertrautheit an den Fingerspitzen. Das Leder war dunkel vor Reife, hart, und zwar von einer noblen Härte und von all den scharfen Falten und feineren Runzeln gezeichnet, die die Jahre mit all ihrer Drangsal auch in mein Antlitz gekerbt hatten. Es war ein freundlicher Sattel, und doch war er fest und furchtlos, über seine Einkerkerung nicht verbittert von der Haft nicht gezeichnet, nur von den Spuren ehrenwerten Leidens und ehrlicher Pflichterfüllung. Ich wußte, daß ich dieses Fahrrad lieber hatte als je ein anderes Fahrrad zuvor, lieber sogar als manche Leute mit zwei Beinen. Ich liebte ihre bescheidene Kompetenz, ihre Fügsamkeit, die einfache Würde ihrer stillen Art. Jetzt schien sie unter meinen freundlichen Augen zu kauern wie ein zahmes Huhn, das sich ergeben mit halb ausgebreiteten Schwingen duckt in Erwartung der streichelnden Hand. Ihr Sattel schien sich zur einladensten aller Sitzgelegenheiten zu breiten, während die beiden Enden ihrer Lenkstange zierlich mit der wilden Anmut der Flügel eines wassernden Vogels mir gleichsam zuwinkten, auf daß ich meine Meisterschaft zum Gelingen freier und freudvoller Reisen beitrage, das Leichteste vom Leichten im Verein mit flinken Bodenwinden dem weit entfernten sicheren Port zustrebe, das Schwirren des treuen Vorderrades in meinem Ohr, das sich unter meinem klaren Auge vollendet dreht, und das gute, starke Hinterrad, das mit unbewundertem Fleiß sanften Staub auf trockenen Straßen aufwirbelt. Wie begehrenswert ihr Sitz war, wie reizend die Einladung der Umarmung ihrer schlanken Lenkstange, wie unerklärlich statthaft und beruhigend ihre Luftpumpe, die sich warm gegen ihren hinteren Schenkel schmiegte!
Flann O’Brien (1911 – 1966): Der dritte Polizist. Frankfurt 1991.
Zweirädrige Energiesparbüchse – Das Fahrrad als alltägliches Verkehrsmittel
Schlichting, H. Joachim; Wilfried Suhr. In: Physik in unserer Zeit 39/2 (2008) 86 – 89
Im Stadtverkehr ist das Fahrrad ein geradezu genial energiesparendes Transportmittel. Das zeigt der Vergleich mit den Beinen, also der alternativen Fortbewegungsart mit Körperkraft. Besonders schlecht schneidet jedoch das Auto ab.
PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)
Physik des Fahrradfahrens – Gleichgewicht auf zwei Rädern
Suhr, Wilfried; Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 38/5 (2007) 238 – 241
Auf zwei Rädern stets das Gleichgewicht zu halten, ist nicht immer einfach. Wie wir es einhalten können sagen uns die Gesetze der Physik, die wir uns beim Fahren freilich nicht bewusst machen. Übung macht auch hier den Meister.
PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)
Physik des Fahrradfahrens – Moderne Zentauren
Schlichting, H. Joachim; Suhr, Wilfried. In: Physik in unserer Zeit 38/4 (2007) 184 – 188
Nun rollt sie wieder – die Tour de France. Für uns ein guter Anlass, die Physik des Radfahrens zu beleuchten. In einer mehrteiligen Serie beschäftigen wir uns mit Themen wie Leistung und Energetik, der Stabilität und den beiden natürlichen Feinden des Radfahrers: Berge und Wind.
PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)
Fahrradfahren – Mit Pedalkraft gegen Berge und Wind
Suhr, Wilfried; Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 38/4 (2007) 294 – 298
Warum sparen sich die Favoriten eines Radrennens ein gegenseitiges
Kräftemessen für die Bergetappen auf? Und wieso fürchten sie den Wind gerade beim Einzelzeitfahren? Was aus Sicht der Physik dafür spricht, zeigen Modelle der Fahrwiderstände.
PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)
Der Sturz über den Lenker – Zur Problematik des Bremsens beim Radfahren
Schlichting, H. Joachim. In: technic-didact 10/1, 49 (1985).
Die Gleichgewichtsproblematik des Fahrrads läßt sich je nach der Drehachse, um die sich das aus der Gleichgewichtslage ausgelenkte Fahrrad drehen kann, in drei Abschnitte einteilen. Die Drehung um eine Achse durch das Fahrrad senkrecht zur Erdoberfläche spielt jedoch keine wesentliche Rolle und kann daher vernachlässigt werden. Die Drehung um eine Achse längs durch das Rad (in Fahrtrichtung) wurde unter der Thematik „Zur Gleichgewichtsproblematik beim Fahrradfahren“ in einer vorangegangenen Arbeit in dieser Zeitschrift behandelt /l/. Die Drehung um eine Achse quer durch das Rad (senkrecht zur Fahrtrichtung) soll in der vorliegenden Arbeit skizziert werden. Sie betrifft die Wirkung von Drehmomenten, die durch Bremsmechanismen zustande kommen. Wie schon in /l/ beschränken wir uns im weiteren auf qualitative Argumente und einige quantitative Abschätzungen.
Zur Gleichgewichtsproblematik beim Fahrradfahren
Schlichting, H. Joachim. In: technic-didact 9/4, 257 (1984).
Die physikalische Beschreibung eines fahrenden Zweirads hat Mathematiker und Physiker immer wieder herausgefordert. WHIPPLE /10/ und Mc GAW /7/ dürften die ersten gewesen sein, die eine Theorie des Fahrradfahrens vorgelegt haben. Später befaßten sich TIMOSHENKO und YOUNG /9/ erneut mit der Problematik. Die Ergebnisse wurden kaum akzeptiert, weil viele vertraute Aspekte des Fahrradfahrens nicht erklärt werden konnten, Allenfalls spezielle, mathematisch leicht zu behandelnde Detailprobleme flossen in einige Lehr- und Fachbücher /8, 3/ ein. In jüngster Zeit hat man sich dieser Problematik sowohl experimentell als auch theoretisch erneut angenommen /6, 4/, vermutlich als eine Folge des Comebacks des Fahrrads…
Fahrradfahren, Laufen, Autofahren. Ein interressanter Vergleich im Unterricht
Schlichting, H. Joachim. In: technic-didact 9/3, 177 (1984).
In zwei vorangegangenen Aufsätzen in dieser Zeitschrift /6 und 7/ wurde die Energetik des Fahrradfahrens für typische Situationen erarbeitet. Im folgenden
sollen einige der dort gewonnenen Ergebnisse in einen größeren Zusammenhang gestellt werden: Es wird untersucht, welcher Stellenwert dem Fahrradfahren zukommt, wenn man es hinsichtlich der (energetischen) Transportkosten mit anderen Fortbewegungsarten für repräsentative Situationen vergleicht…
Untersuchungen zur Energetik des Fahrrads
Schlichting, H. Joachim; Nobbe, Reinhold. In: technic-didact 8/4, 225 (1983).
Die folgenden Ausführungen sind als Fortsetzung des in dieser Zeitschrift erschienenen Artikels „Physik des Alltags am Beispiel der Energetik des Fahrrads“ /3/ zu verstehen. Eines der wesentlichen Ergebnisse dieses Beitrages bestand darin, daß unter den gegebenen Bedingungen die Rollreibung nur bei niedrigen Geschwindigkeiten einen größeren Einfluß auf die aufzubringende Leistung hat. Bei einer Geschwindigkeit von 13,5 km/h sind Rollreibung und Luftwiderstand gleich groß. Bei höheren Geschwindigkeiten dominiert der Luftwiderstand /vgl. 3; Bild 3/. Beispielsweise hat die Rollreibung bereits bei 30 km/h mit einer Leistung von 29 W nur noch einen Anteil von 17 %an der
Gesamtleistung von 174 W. Es ist daher von großem Interesse, die Einflüsse auf den Luftwiderstand näher zu untersuchen.
Dazu soll im folgenden Abschnitt 2 zunächst die Wirkung des Windes auf den Radfahrer in einigen ausgewählten Situationen betrachtet werden. Anschließend werden in Kapitel 3 Möglichkeiten des Radfahrers angesprochen, den
Luftwiderstand von sich aus zu beeinflussen. In Abschnitt 4 sollen schließlich die Beschränkung der ebenen Fahrbahn fallengelassen und Steigungen
bzw. Gefälle berücksichtigt werden. In dem abschließenden Kapitel 5 sollen Meßergebnisse, die um die Jahrhundertwende erhoben wurden, mit den
unsrigen verglichen und interpretiert werden.
Physik des Alltags am Beispiel der Energetik des Fahrrads
Schlichting, H. Joachim; Backhaus, Udo. In: technic-didact 8/1, 27 (1983).
Neuere Untersuchungen bestätigen den Eindruck, daß der Physikunterricht zu den unbeliebtesten Fächern gehört (BORN et al. 1978). Einer der Hauptgründe dafür ist u. E. in der mangelhaften Berücksichtigung der spezifischen Differenz zwischen der Lebenswelt der Schüler und der wissenschaftlichen Welt zu sehen. Diese Differenz kommt vor allem dadurch zustande, daß die physikalische Erfassung der Dinge weitgehend verlangt, sie „so zu beschreiben, wie wir sie nicht erfahren“ (WEIZSÄCKER 1973, S. 107). Beispielsweise wird in der Physik häufig behauptet, alle Körper fielen gleich schnell, obwohl man ständig das Gegenteil erlebt. Physik treiben heißt daher nicht zuletzt, die Dinge zu verändern.Anstatt diese Veränderung im Physikunterricht zu thematisieren und die Einsicht zu vermitteln, daß die Dinge durch die Veränderung in einer Hinsicht ‚besser‘ werden, wird sie nicht selten unterschlagen: Indem physikalische Vorstellungen in der Regel an künstlichen, mit Hilfe von Lehrmitteln produzierten Phänomenen entwickelt werden, die oft nur dazu geschaffen wurden, jene Phänomene hervorzubringen, wird sofort eine veränderte Weit präsentiert. Möchte man jedoch erreichen, daß die Schüler einsehen, welchen Sinn es haben kann, die gewohnten Alltagsvorstellungen zugunsten der wissenschaftlichen Vorstellungen aufzugeben bzw. zu modifizieren, so muß mit ihnen zumindest an einzelnen Beispielen eine solche Veränderung der Sichtweise erarbeitet und nachgewiesen werden, was man dadurch gewonnen hat. Ein solches Beispiel kann u. E. die Behandlung des Fahrrads bzw. des Fahrradfahrens im Physikunterricht sein…
Die Welt physikalisch gesehen 