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Warum fällt ein Fahrrad beim Fahren nicht um?

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Das mit dem gyroskopischen Effekt ist Quark. Wenn das so wäre würde das Fahrrad halt einfach langsam umfallen. Der gyroskopische Effekt spielt zwar eine Rolle, nervt aber eher beim Fahrradfahren (beim Lenken). Das Fahrradfahren ist ein Zustand des permaneten Fallens, dem durch gegenlenken entgegengewirkt wird. Würde das mit dem gyroskopischen Effekt stimmen, dann könnte man auch in Strassenbahnschienen prima fahrradfahren. Wenn man die Kurve zu schnell nimmt ist die Schräglage zu hoch und man rutscht weg, wobei man sofort umfällt. Hätte man im Fahrrad sehr schwere schnell drehende Räder - so daß man einen starken gyroskopischen Effekt hätte, dann würde man ohne zu kippen, bzw. sehr langsam kippend zur Seite rutschen. Die nun folgende Erklärung wegen des gyroskopischen Effekts höre ich sehr oft. Sie ist aber bei Betrachtungen zur Physik des Fahrradfahrens eher vernachlässigbar.

Wegen des "gyroskopischen Effektes" der drehenden Räder.

Im Stand ist das Rad ein "metastabiles System". Dass heißt, dass es zwar theoretisch unendlich lange stehen könnte, aber nur, wenn absolut keine Störungen auf das Rad einwirken. Da dies in der Realität niemals der Fall sein wird, kippt es um.
In der Bewegung jedoch haben die rotierenden Räder ein dynamisches Drehmoment, welches als Vektor gesehen nach links (wir gehen mal von einem vorwärts fahrenden Rad aus) in Richtung der Radachse zeigt. Um dieses Moment in Richtung Boden zu kippen, müsste man das Rad rechts herum um eine vom Boden senkrecht in Richtung Himmel zeigende Achse drehen - also mit einem anderen Moment kombinieren, welches in etwa senkrecht in den Boden zeigt. Alternativ kann man auch eine Kraft anwenden, welche ein solches Moment erzeugt - z.B. eine Lenkkraft. Wer auf einem Fahrrad fährt kann das gerne einmal probieren, indem er einfach bei voller Fahrt den Lenker nach rechts reißt - In diesem Falle wird es auf der linken Seite zu einem schmerzhaften Bodenkontakt kommen. Aus diesem Grund muss man mit dem Fahrrad langsamer fahren, wenn man enge Kurven fahren will.

Das Drehmoment ist auch der Grund dafür, warum manche auch ohne den Lenker an zu fassen beim Fahrradfahren trotzdem lenken können. Dazu zwingt man das Fahrrad, indem man sich leicht zur entsprechenden Seite neigt. Dann "sucht" sich nämlich das Vorderrad, aufgrund seines Drehmoments, die am wenigsten von der Horizontalen abweichende Drehachse - es lenkt wie von selbst. Einfach mal bei Gelegenheit beobachten. Das funktioniert aber nur dann, wenn die Lenkachse unterm Lenker leicht schräg ist: damit sich die abweichende Drehachse des Vorderrats nicht auch eine Horizontale ist ;)

Andere sich drehende Beispiele zum gyroskopischen Effekt

  • Eine Geldmünze dreht solange aufrecht, bis die Drehgeschwindigkeit nachlässt (das Drehmoment gibt nach) und die Münze neigt sich und fällt dann immer schneller auf eine Seite. (Man merkt vor allem dann einen Unterschied, wenn man die Münze einfach statisch hinstellen will oder dynamisch drehen oder rollen lässt.)
  • Ein beliebtes Kinderspielzeug ist der Kreisel, der, solange er schnell genug rotiert, auf einer winzigen Spitze stehen kann. Je langsamer die Rotation, desto geringer sind die gyroskopischen Kräfte, bis der Kreisel schließlich umkippt.
  • Je schneller ein Motorrad fährt, desto größer wird auch der Kraftaufwand beim Lenken (der Lenker wird "fest"). Auch dieser Effekt beruht auf dem gyroskopischen Effekt.
  • Wie stark Kreiselkräfte die Achslage eines sich drehenden Rades stabilisieren, kann man leicht selbst ausprobieren. Dazu hält man das Laufrad eines Fahrrades an der Achse mit ausgestreckten Armen nach vorn und bittet einen Helfer, es in eine schnelle Rotation zu versetzen. Beim anschließenden Versuch, die Lage der Drehachse durch Kippen zu verändern, bekommt man ein Gefühl für die wirkenden Kräfte.
  • Bei Schiffen wurden aktive Kreiselstabilisatoren schon 1922 getestet, um der Seekrankheit der Passagiere vorzubeugen: The New York Times, Friday, April 14, 1922: PDF, 44 kB

http://query.nytimes.com/mem/archive-free/pdf?_r=1&res=9B02E5DE1739EF3ABC4C52DFB2668389639EDE

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