Het hoeft niet eens te gaan om een rijdende motorfiets. Ook een stilstaande motard of een andere tweewieler kan zonder extra steun perfect overeind blijven. Tenminste als het zwaartepunt exact boven het steunpunt, of de steunlijn voor een tweewieler, ligt. Maar dat evenwicht is uiterst labiel en er is maar heel weinig nodig om het te verstoren.
Theorie en praktijk
Allemaal goed en wel. Parkeer je je gloednieuwe Harley-Davidson 883 Roadster, dan heb je meer aan extra steunpunten. In de praktijk wil je die 260 kilo niet tegen de vlakte zien gaan, ook al zegt de fysica dat die overeind kan blijven staan. In theorie is dat met de wetten van Newton perfect mogelijk. Tenminste op voorwaarde dat het zwaartepunt perfect in het midden valt, het gewicht van en op de machine perfect verdeeld is en vooral dat er geen externe krachten op je Harley inwerken… In de praktijk moet er echter niet veel gebeuren om het fout te laten lopen. Verplaatst het zwaartepunt zich — een zuchtje wind, wat extra bagage links of rechts — dan slaat de zwaartekracht vernietigend toe en gaat de motor onderuit. Een beetje snelheid echter blijkt wonderen te doen voor de stabiliteit.
Beweging houdt overeind
Wanneer de tweewieler in beweging is, blijkt die gemakkelijker overeind te blijven. Daarvoor zijn eigenlijk niet eens twee wielen en een motor nodig. Uit afbeeldingen blijkt dat de Egyptenaren drieduizend jaar geleden al speelden met een hoepel die ze over de grond lieten rollen en met een stok in beweging hielden. Ook bij ons duikt dit oude volksspel op, bijvoorbeeld in 'Kinderspelen', een schilderij van Pieter Bruegel uit de zestiende eeuw. Bij dit behendigheidsspelletje gaat het erom de hoepel een zetje te geven met de stok wanneer die aan het slingeren gaat en dreigt om te vallen.
Met een tweewieler doen we eigenlijk net hetzelfde: zolang die blijft rijden, hoeven we niets te doen. Neemt de snelheid af — onder andere door de wrijving met de grond en de lucht — dan geven we gas of trappen we bij. Wat we ook doen, misschien zelfs onbewust, is bijsturen. Want strikt gezien bewegen we ons met een tweewieler niet zuiver rechtlijnig voort. Eigenlijk slingeren we op de fiets of de motor altijd een beetje van links naar rechts en omgekeerd. Hoe trager we rijden, hoe duidelijker dat te zien is. Om in evenwicht te blijven, maken we korte stuurbewegingen. Vreemd genoeg zorgen die slingerbewegingen en de corrigerende stuurbewegingen ervoor dat we in evenwicht blijven. Zo is fietsen of rijden op de motor altijd een beetje vallen en opstaan.
Hoger is trager, lager is sneller
Om dit te begrijpen, maken we het eerst nog wat moeilijker. Slingeren we nu van links naar rechts of van hoog naar laag? Wat is het gemakkelijkst om in evenwicht te houden: een lage ligfiets of een hoog gedrocht met een dubbel hoog frame, een zogenaamde 'tall bike'?
Welnu, zo'n hoge fiets is gemakkelijker om in evenwicht te houden dan een lage ligfiets. En dat om dezelfde reden als waarom het op hoge stelten gemakkelijker is om overeind te blijven dan op lage. Wie dat niet gelooft, neemt een lange en een korte bezemsteel en probeert die rechtop te balanceren op de hand. Je zult vaststellen dat de hoge stok trager beweegt en trager valt dan de korte: de hoge stok kun je dus gemakkelijker bijsturen en in evenwicht houden. Het komt erop neer dat we de stok in evenwicht houden of weer in evenwicht brengen wanneer we het steunpunt — de hand — weer onder het zwaartepunt van de stok brengen. Eigenlijk bewegen we de hand voortdurend heen en weer onder de stok, rond het gemiddelde steunpunt dus. En hoe hoger de stok, hoe trager de valbewegingen en hoe meer tijd we hebben om bij te sturen. Conclusie: een hoge tweewieler is gemakkelijker om in evenwicht te houden, gemakkelijker om traag mee te bewegen en theoretisch ook gemakkelijker om mee te stoppen.
Bestuurder is overbodig
De natuurwetten dwingen tot nederigheid: een bestuurder of fietser is zelfs overbodig om een bewegende tweewieler in evenwicht te houden. Hoe is dat te verklaren? Bij een tweewieler loopt er een steunlijn tussen de steunpunten van het voor- en het achterwiel. Het zwaartepunt valt bij de beweging links of rechts van die steunlijn, wat de slingerbeweging vormt. Hoe sneller de tweewieler beweegt, hoe 'zachter' de slinger. Een tweewieler in beweging valt niet — zelfs zonder bestuurder — als er mechanismen aan het werk zijn waardoor het tuig automatisch stuurt in de richting van de beginnende val. Zo zijn er twee belangrijke mechanismen.
Het eerste en het belangrijkste is te wijten aan de helling van het balhoofd, waarop het stuur en het frame draaien, en de kromming van de vork. Dit kun je zelf testen: hou je fiets mooi verticaal en met het voorwiel in de lengterichting. Leun nu je fiets lichtjes naar rechts en je zult zien dat je voorwiel automatisch naar rechts stuurt.
Het tweede mechanisme heeft te maken met draaibewegingen rond een as, zoals bij een tol. Dit noemt men de gyroscopische werking van het draaiende voorwiel. Wil je die gyroscopische werking zelf ondervinden? Haal dan het wiel uit de vork en hou het wiel verticaal vast, met je handen telkens aan een kant van de as. Vraag een vrijwilliger om het wiel stevig voorwaarts te doen draaien en laat je rechterhand los, zodat de wielas enkel steun vindt in je linkerhand. Het wiel zal niet naar rechts omvallen, maar gewoon naar rechts sturen.
Een fiets op rollen kan zo perfect rechtop blijven rijden. Weet dat vooral de vrije bewegingen van het stuur doorslaggevend zijn: als het stuur geblokkeerd is, valt de tweewieler om. Nog een leuk weetje: dit lukt enkel bij bewegingen voorwaarts. Wie een fiets achterwaarts probeert te duwen, ziet dat die hoogst instabiel is en omvalt. Dat komt doordat de corrigerende slingerbeweging de verkeerde kant uit stuurt. Het stuur zit dan namelijk aan de achterkant.
Is hiermee de kous af? Eigenlijk niet. Professor Schwab van de TU Delft heeft een revolutionair type tweewieler gebouwd waarbij zowel het naloop- als het gyroscopisch effect is uitgeschakeld. Daarmee toonde hij aan dat deze tweewieler mits een nauwkeurige gewichtsverdeling nog altijd zelfstabiliserend kan zijn. Deze Schwab-tweewieler ziet er niet uit als een gewone fiets en staat voorlopig nog niet bij de fietsenhandelaar.
Liggen in de bochten
We kunnen het principe van de zelfsturing naar de helling van de fiets gebruiken om een bocht te nemen zonder de handen te moeten gebruiken. Zorgvuldige analyse leert dat een bocht nemen in drie fases gebeurt: rechtop in het zadel rijden we rechtdoor. Vervolgens sturen we tegen door de schouders naar de binnenkant van de bocht te kantelen of door de knie aan de binnenkant van de bocht uit te steken. Daardoor kantelt de tweewieler in de tegenovergestelde richting, naar de buitenkant van de bocht dus. Zo ontstaat een onevenwicht in de richting van de bocht en gaan we dus 'vallen' naar de bocht. Ten slotte gaan de bestuurder en de tweewieler samen mooi liggen in de bocht. Het tegensturen in de tweede fase kan trouwens ook met de knie, wat bij motorraces spectaculaire beelden oplevert.
Ook hier is nederigheid geboden: hoe schuin je komt te liggen in de bocht, bepaal je niet zelf. De natuurwetten leggen je dat op in functie van het traject en de snelheid. Sterker nog: zelfs je gewicht of lengte zijn irrelevant. Groot of klein, dik of dun, je ligt gelijk schuin in dezelfde bocht als de snelheid en het traject gelijk zijn. Hoe groter de snelheid en hoe korter de bocht, hoe schuiner je komt te liggen. Oefening baart kunst, maar voorzichtig blijven is de boodschap. Hoe schuin je de bocht kunt ingaan, wordt bepaald door de wrijving tussen je banden en het wegdek. Bij een droog wegdek is een hoek van 45° perfect mogelijk, kijk maar naar een motorrace. Bij een nat wegdek waag je je best niet verder dan 35°. De wrijving is dan kleiner en dus moeten ook de snelheid en de hellingshoek waarmee we die bocht kunnen nemen, kleiner worden.
Jong geleerd, maar hoe?
Er valt niet te ontsnappen aan de wetten van de fysica. Hooguit kun je proberen ze naar je hand te zetten met acrobatische evenwichtsoefeningen. Bij trial gaat het precies daarover: in evenwicht blijven op twee wielen zonder steun en zonder de voeten op de grond te plaatsen. Hoe doen ze het om ter plekke stil te staan zonder om te vallen? De truc is op een lichte helling te gaan staan met het voorwiel in een bepaalde hoek op die helling. Wie heel scherp kijkt, merkt trouwens op dat trialatleten niet onbeweeglijk stil blijven staan. De bestuurders corrigeren hun positie bijna permanent door de tweewieler enkele centimeters naar voor-rechts en dan weer naar achter-links te bewegen. Daar komt heel wat behendigheid bij kijken. En die behendigheid leer je het best jong aan.
Wat betekenen de natuurkundige wetmatigheden nu voor wie zijn kind met de fiets wil leren rijden? De kinderfiets is klein, valt sneller en door het trappen is het nog moeilijker om in evenwicht te blijven. Dus laat je een kind beter balanceren op een fietsje zonder pedalen, maar waarbij het wel met de voeten aan de grond kan. Steunwieltjes trainen de behendigheid niet en ook een stok om het fietsje in evenwicht te houden, laat je beter achterwege. Laat het kind voelen hoe een tweewieler in beweging reageert, laat het zelf bijsturen met het lichaam en leer het de voeten op de grond te plaatsen om te stoppen.
Met dank aan Charles Dauwe, ere-hoofddocent Universiteit Gent.