2. Geometrie und Kinematik
Bild 1 zeigt die für das Fahrverhalten wichtigen Geometrieparameter. Dies sind nicht die normalerweise für die optimale Anpassung an die Körpermasse verwendeten Parameter. Sehr wichtig ist der Steuerrohrwinkel Φ, der hauptsächlich für den Nachlauf verantwortlich ist. H ist die Höhe des Schwerpunkts über Boden, A sein horizontaler Abstand vom Kontaktpunkt des Hinterrades und L ist der Radstand. Es erweist sich als notwendig zwischen dem Kippwinkel Θr des Rahmens und dem Kippwinkel Θs des Schwerpunkts zu unterscheiden. Der Ausdrehwinkel des Lenkers σ ist nicht identisch zum Fahrwinkel α des Vorderrades. In diesem Beitrag werden für alle numerischen Berechnungen die folgenden Parameter verwendet: Φ = 70°, L = 105 cm, A = 33 cm, H = 120 cm, r = 36 cm, Masse von Fahrer und Fahrrad ms = 80 kg, Masse von Felge und Pneu mr = 0.8 kg.
Bild 1: Für die Fahrradphysik wichtige Geometrieparameter des Fahrrades.
Bild 2: Fahrwinkel und Kurvenradien
Die Kinematik des Fahrrads ist recht komplex (Bild 2). So hat jeder Punkt entlang der x-Achse einen anderen Fahrwinkel α, einen anderen Kurvenradius R und eine andere Geschwindigkeit v. Wenn nichts anderes spezifiziert ist, so wird in diesem Beitrag unter v stets die Geschwindigkeit des Schwerpunktes verstanden. Man findet leicht:
Dabei sind die Winkel in Radian Einheiten zu verstehen (π in Radian Einheiten entspricht 180°).
Der Einfluss des Radstandes L (Abstand der Bodenkontaktpunkte der Pneus) ist aus den Gleichungen klar ersichtlich. Je grösser L, desto grösser ist der Kurvenradius für einen gegebenen Fahrwinkel des Vorderrades. Ein grosser Radstand macht das Fahrrad gutmütig, ein kleiner macht es agil und wendig.
Der Zusammenhang zwischen der Lenkerausdrehung σ und dem Fahrwinkel α ist komplex. Für kleine Winkel gilt näherungsweise:
