Fysikere finner opp sykkel som er umulig å styre

bricycle2Hva får du hvis du blander en vanlig sykkel med en trehulssykkel? Svaret er på ingen måte opplagt – men nå har forskere endelig prøvd. Svar: Du får noe kult, men som er umulig å styre. Møt «bricycle», som ble presentert på en fysikerkonferanse i Denver, USA, 5. mars 2014.

Sykkologi

La oss starte med litt sykkologi:

En sykkel har to hjul. Den kan ikke balansere hvis den står stille, men holder seg oppreist i fart delvis fordi hjulene går rundt og da blir vanskeligere å tippe over (spinnbevaring på fint), og delvis fordi syklisten hele tiden gjør små justeringer med styret. Den siste grunnen har vist seg å være den viktigste. Kule folk som vil komme noe sted sykler på sykler med to hjul.

En trehulssykkel har tre hjul. Den kan balansere når den står stille, og fortsetter å balansere av samme grunn når den triller. Bare småbarn sykler på trehjulssykler.

Dette er de vanligste kjennetegnene ved de to typene sykkel. (Etthjulssykler finnes også, men dem snakker vi ikke om her.)

Imidlertid er det også en dypere forskjell mellom designene. Hva skjer når du prøver å svinge?

Dance the Bicycle Swing

Tenk deg en klinkekule på gulvet i en bil. Så lenge bilen kjører rett frem blir kulen liggende

Sykkologi og kraftpiler: Tohjuling

Sykkologi og kraftpiler: Tohjuling

i ro. Når bilen gjør en sving, la oss si mot venstre, så er ikke kulen helt med på det. Den vil helst fortsette rett frem, og begynner å rulle i forhold til gulvet. For de som sitter i bilen og ser på kulen, ser det ut som om den bøyer av mot høyre.

Det samme skjer med deg når du sitter på en sykkel. Når du ber sykkelen svinge, så vil kroppen din helst fortsette fremover. Noe må gjøres for å få kroppen med på laget – «svingen» må overføres fra sykkelen til deg.

På en trehjuling ligger tyngdepunktet ditt trygt plassert midt mellom hjulene. Når du snur på styret, som gjerne er koblet til det fremste hjulet, svinger sykkelen uten at du trenger å

Sykkologi og kraftpiler 2: Trehjuling

Sykkologi og kraftpiler 2: Trehjuling

gjøre noe som helst med tyngdepunktet – du kan sitte pent i ro på setet. Mens du svinger er det litt ulik kraft som trykker på bakken fra de to bakre hjulene, men med mindre du svinger veldig krapt vil du ikke merke dette.

På en tohjuling er historien en helt annen. Hvis du bare svinger, uten å gjøre noe med kroppen, så faller du sideveis. I steden lener du deg instinktivt innover i samme retning som du svinger, noe som uten svingingen ville gjort at du falt innover. Slik oppretholder du balansen, og kan gli elegant gjennom selv skarpe kurver (så lenge friksjonen mot underlaget holder).

Bricycle

Bricycle - et sted midt mellom en to- og en trehjuling. Med fire hjul. Ironisk nok.

Bricycle – et sted midt mellom en to- og en trehjuling. Med fire hjul. Ironisk nok.

Å svinge en tohjuls og en trehjuls sykkel er med andre ord fundamentalt forskjellig.

Tenk deg nå følgende innretning: Du tar en vanlig sykkel, med to hjul, men henger på et ekstra par bak der hjulene til en trehjuling ville stått – omtrent som to gedigne støttehjul.

Så lar du støttehjulene kobles til sykkelen med en stang som du kan justere hvor stiv er.

Hvis stangen er helt stiv, så oppfører doningen seg som en trehjulssykkel. Du kan sykle fint på den, og svinge uten å flytte tyngdepunktet.

Hvis stangen er helt løs, så oppfører den seg i steden som en vanlig tohjulssykke. Skal du svinge, må du kompensere med å bøye deg siden du ikke får støtte fra ekstrahjulene.

Men hva nå hvis stangen er et sted mellom stiv og slakk?

Da får du noe helt nytt – noe som trenger en slags blanding av bøying og ikke-bøying for å holde seg på hjulene.

Noe som, viser det seg, er så og si umulig.

På et møte i American Physical Society i Denver 5. mars 2014 holdt Andy Ruina fra Cornell University et foredrag med tittelen «A bicycle with compliant training wheels, half way between a bicycle and a tricycle, is uncontrollable«.

Der viste han frem en prototype på en slik «bricycle» som han kaller det, og kan fortelle at den ved visse grader av stivhet mellom hjulene er fullstendig mulig å sykle på. Det er når støttehjulene er akkurat så koblet til de midre hjulene at de balanserer for den ekstra kraften du gir ved å lene deg innover i svingen. Resultatet er at du er garantert å falle så fort du prøver å gi den minste sving.

Dette resultatet er ikke overraskende – det kan utledes fra en ganske enkel stabilitetsanalyse. Men, som magasinet Science rapporterer:

«Jim Papadopoulos, an engineer and bicycle expert at Northeastern University in Boston, had warned the Cornell researchers that their hybrid vehicle was going to be completely unworkable. He wasn’t surprised when they built it anyway. “

Vi fysikere, vi har slikt å gjøre og vi har slikt å føre. Vi fører gjerne en bricycle med, vi.

"Narrow-track vehicle" - hot topic for tiden. Ser du likheten? Tør du prøve en? (Klikk bildet for mer info.)

«Narrow-track vehicle» – hot topic for tiden. Ser du likheten? Tør du prøve en? (Klikk bildet for mer info.)

Helt uten anvendelser er ideen imidlertid ikke. Det markedsføres i dag en rekke motorkjøretøy med tre hjul, men ved en veldig smal akse bak. De er, i en viss forstand, et sted mellom en tradisjonell motorsykkel og en trehjuling brukt for terrengkjøring. Det doningen til Ruina viser, er at man må være veldig forsiktig når man designer slike kjøretøy, så ikke hjulene bak får nettopp den tyngdekraftskompenserende effekten han så på sin bricycle. På et laboratoriegulv tåler man et fall eller to for forskningen. Ute på vei eller i terrenget, i adskillige kilometer i timen, er det mindre morro.

Det er godt å se at klassiske oppfinnere fortsatt har en plass i verdens fysiske institutter.

Avslutningsvis, her er en video Ruina og kolleger har laget som viser designet, og hvordan det (forsåvidt ikke helt) virker:

Kilder: Science News

Oppdatering:

Ellen Henriksen, fra skolelaboratoriet på Fysisk institutt, UiO, kommenterer:

Dette må jo være oppfølgeren til klassikeren «The stability of the bicycle» fra 1970. David Jones bygde en serie med «unridable bikes» (URB I – URB IV) som viste seg å ikke være så «unridable» som teorien tilsa. Jones konkluderte slik i artikkelen i «Physics Today»: «It seems a lot of tortuous effort to produce in the end a machine with absolutely no utility whatsoever, but that sets me firmly in the mainstream of modern technology. At least I will have no intention of foisting the product onto a long-suffering public in the name of progress».

Her er artikkelen fra 1970 – vel verdt en titt.

8 comments

  1. Marty McFly · mars 7, 2014

    Fremtidens sykkel? Neppe, men så har vi ikke kommet til 5. mai enda heller……

    • Bjørn H. Samset · mars 7, 2014

      Vi fysikere regner tiden som vårt leketøy. Eller rettelse: Vi regner den som _ett av_ våre leketøy. (Rettet nå.)

  2. sungame · mars 7, 2014

    Morsomt! Forskning – og forskningsformidling på sitt beste!

    Imidlertid er jeg uening i at en alminnelig tohjulssykkel holder seg oppreist fordi «syklisten hele tiden gjør små justeringer med rattet». En alminnelig sykkel har nemlig ikke noe ratt. Styre, derimot…

    • Bjørn H. Samset · mars 7, 2014

      Mnja, OK da. Er vel egentlig enig i det.

      Takk, forøvrig 🙂

      B

  3. Carbomontanus · mars 7, 2014

    Dette kommer seg.
    Sykkelen er et Doggggggggg- me i klimaisputten og er ikke der engang på Felgen, for Aukrust hadde kunst og håndverksskole og boren hans var professor i statistikk.

    Jeg kommer tilake til saken just you wait.

    • Bjørn H. Samset · mars 7, 2014

      Det ser jeg frem til 🙂

      Bjørn

      • Carbomontanus · mars 8, 2014

        Skavissesann….

        Det er en særlig vinglevorden veltepetter.

        Det virkelig overraskende her er at den ikke er oppfunnet før, for det er jo ren og enkel klassisk mekanikk.

        Såvidt jeg ser vil man kunne komme rundt svingene om man bare kjørte langsomt nok. Det er først når man kommer opp i en viss fart så den begynner å legge seg over når den får sentripetalakselerasjon i svingene, at en ikke vil lenger.

        Og da har vi en stor klasse systemer som funker bra ved lav fart, men over en viss grense så går det i spinn og flikkflakk.

        Hva som synes å være tilfelle her er for mye negativ feedback til svingingen over en viss fart. Da ville den kanskje kunne brukes til å holde ting automatisk på kurs, for det er det som ser ut til å skje.

        Men et er ett viktig element, syklisten, som er en dyrisk trenet ekvilibrist. Det er å kjøre tohjuling er en typisk dyrisk motorisk ekvilibristisk trening, som funker ved lillehjernen og det motoriske nervesystem, så man kan drive der og sykle så flott og befinne seg i helt andre tanker, drømme seg nesten helt bort eller hengi seg til de høyere chosmiske overeielser.

        Man kan lage servo stankelben, som har sensorer og som balanserer ekvilibristisk ved ustabil likevekt, såsom en tobeining eller tohjuling, og som balanserer ved negativ feedback om likevekten.

      • Carbomontanus · mars 9, 2014

        Samset & al

        Litt klassisk sykkelmekanikk må kollokviet tåle.

        Jeg ble motvillig dratt med i Gamle Festsal den 8.de Mars og trodde det var grunnlovsfeiring, men så var det kvinnedag, og huset var fullt av tilårskomne rødstrømper og sufragitter, heldigvis så yndige og dydige og besjende de fleste av dem at jeg klarte å sjekke mange bare ved å ta meg sammen og gå alvorlig inn for det.

        Men det huset er viktig. I DOMVS ACADEMICA også kalt «Urbygningen» står klokka til Ibsen.

        I vestibylen var en ung lærling som vakt. Han var fra Åsgårstrand og skulle begynne å studere, og sa at han tålte ikke Munch lenger, for han var fed up allerede der han kom fra, og det kan man jo forstå.

        Nå har jeg pekt på Munch for å opplyse om dette med Historien på universitetsnivå.. Ideen i maleriet er iallefall saklig, selvom arbeidet er sjuskete og drøsser ned. Det er den lille gutten og den gamle mannen, 7 og 70 års-perspektivet. Bak dem den store eika, 700 årsperspektivet, og bak der igjen Oslofjorden med istiden og landhevningen, 7000 års-perspektivet.

        Klimaresponsen for CO2 får ganske ulike verdier alt efter hvilket tidsperspektiv vi drøfter det i, og dette legger trollet aktivt skjul på.

        En valgperiode, eller partiets femårsplan for kull og stål og elektrisitetsproduksjonen er innenfor 7 år. 70 er Salomos tall og the eventual storm of our grandchildren. 700 år, den gamle eika, er imperienes omtrentlige levealder, og 7000 år er de helt kortperiodiske Milancovic syklinger. Verdens skabelse fant sted ifølge den eldre universitetsalmanakk for ca 7000 år siden. Gud er vel da omtrent så gammal, men det er idag perspektivet for hva man regner som agrikulturens og sivilisasjonens epoke i klimadisputten, og at endringene idag skjer altfor raskt i forhold til dette.

        Så det bildet til Munch i Uniersitetets Aula kan vi føre som bevis.

        Men det skjedde nylig i qvasi- videnskabelige krædse, at en eldre befalselev antagelig fra Partiets kvote, (åpenart uten lovlig gymnas,) trengte seg inn med slagordet: «BOMBE!.. dere står der og strutser og har satt Newton på hylla……. de veldige veltingene og lang-periodiske måne opp…. og måne ned- trekk- kreftene av varmtvannet i Atlanterhavet opp og ned fra Kongsfjorden, på den cylindriske jord……!»

        . Han lanserte på autoritært bølle og offisersnivå Yndestad- hypene og falskneriene, , som ble diskvalifisert og slettet av almanakken av Christopher Hansteen.

        Jeg spurte nemlig en gang min far «Hva med månen?» og fikk vite at et visstnok ikke er tilfelle. Og så i finskrift i Brun og Deviks fysikk til Gymnas at sekundpendelen har spilt en rolle for definisjonen av de dansknorske tommer. Er man fanatisk esoterisk forankrings og orienterings- religiøst blokkert av nyere progressive årsaker mot å kunne innse spontant at slinger i tyngdefeltet forlengst ville slått ut og være oppdaget i den store og jordrotasjons, langkikkert på fast montereing, – stjerne kontrollerte lang- tikk- takken som står opptil veggen i laboratoriet og observatoriet og i biblioteket, så vil svært meget annet også, nemlig vide vidder og horisonter av ens mulig fakultært opplyste forankrings, orienterings, og forståelses- evner og generelle systematiske dømmekraft være alvorlig forskanset og deprivert, forsumpet, forgiftet, forkvaklet, og defekt.

        Dette har jeg også sjekket nøyere til antikvarisk byggrestaurering og til klimadisputten.

        Det er selveste Ole Rømer han med lyshastigheten, som har vært på ferde som mester for justervesenet i Brahes stilling, og foreslått 12/38 af den matematiske Pendel, der svinger et Sekund ved Havniveau ved 45 grader Nord som den Skjellandske Fod.

        Kongen godtok!

        Af Hensyn til Rigets Enhed og Sikkerhed, Næringslivets Værn, og Allmuens trivsel og Munterhed.

        Hansteen oppmålte og rettet og innskjerpet det samme påny med sekssifret nøyaktighet eter unionsoppløsningen og fikk det vedtatt på Stortinget af 1824 med omtrent samme begrunnelse. En klar majestetsfornærmelse, da Kong Carl Johan stilte med en annen fot.

        It`s slightly bigger and better in Norway you see, idet den angloamerikanske fot er definert nede i gjørma på Greenwhich ved et skrekkelig irrasjonalt tall bare for å tekkes foten til en obscur potentat litt lenger oppe ved elva. (James 2) Mens Olaf Rømer meldte Sjakk! overfor Paven. 45 grader nord ved havnivau går nemlig tvers over Marcusplassen i Venetia ved høyvann..

        På bygget i Fredensborgveien 5 på Gamle Hammersborg fant jeg alt i mål pal på streken i hele og halve og kvarte fot, og listverket videre klart rasjonalt systematisk i hele og halve og kvarte dansknorske tommer, i alt som må holdes i mål av klart tekniske grunner. På formel så enkel at selv far kunne huske hele bygget utenat. Alt annet slingret suverent på øyemål. Som om han ventet seg kongelig Dansknorsk bygningskontroll hver dag som helst så sent som i 1860 i og med eneveldig Kongelig DICTAT! af 1624.

        Det var datidens videnskabelige og rasjonale måle og læreskikk og teknisk systematiske koordinatsystem.. Byggmesteren hadde helt åbenbart pliktig REALskole, ellers intet mulig mesterbrev eller skap i noesomhelst fag. Og det hersket Laugs- forbud. LO/NHO-forbud af 1838, Atter en klar majestetsfornærmelse. (Det var sånt som at taksten og mursten og sagtømmer ikke atomatisk kunne gå over grensen for et sto jo ikke i mål etter system)

        Hansteen satte landet på verdenskartet.

        Breddegraden er kurant, da har man langkikkert og polsikte og sjekker en fixstjerne høyt på medianen. Loddet bestemmes med teodolitt som sikter ned i et kvikksølvbad 2 meter under gulvet.

        Lengdegraden er værre. Da må man bringe 3 skipskronometere med seilbåt fra København opp til Vippetangen i Provinshovestaden og stille langtikktakken der, og så tilbake samme vei og sjekke apparatfeilene. Eter 4-5 slike turer kan man foreta en midling, og Hansteen bestemte dette med sekssifret nøyaktighet først på Vippetangen og senere oppe i Observatoriegaten 1.

        Så hadde H.C. Ørsted oppfunnet elektromagnetismen. Den elektriske telegrafledning var lagt ut fra Observatoriegaten 1 og ned til DOMVS ACMICA på Det Kgl Freeriks ved Carl Johan så man kunne stille på sekundet etter Hansteen.,

        Med en virkelig snerten og saklig klassisk mekanisk sykkel med lang-tikk- takk hengt opp i vinduet ut mot gaten til de brede masser, så også Ibsen kunne få stilt klokka si.

        Ta en tur, fold hendene, rett ryggen, vær andektig. Maskinen er virkelig fin.

        Den står på ei vannrett fjøl. En tannhjulmekanisme bak urskiven og en 1/4″ stang av hvilket metall? Så er pendelen cylindrisk og ekspanderer thermisk fra bunnen og oppover, tilsammen nøyaktig vienskabelig empirisk målt og beregnet og designet og temperaturkompensert.

        Til drivkraft henger et enkelt messinglodd i ei trinse ved siden av i ei tynn snor.. Det er vel messingrør med bly.

        Dette er Norges og statens offisielle tid, den norske sykkel fra gammelt av, som ikke er gjendrevet av forskningen. . .

        Jeg kom tilfeldigvis klokken 12 og hørte rådhusklokkene slå et halvt minutt for seint.

        Det skal ha gått en flygranat direkte gjennom maskinrommet på Westminster under WW2 der Churchill hele tiden offisielt stilte klokka si. Men maskinen hadde kvalitet og sto ikke et sekund under hele WW2.

        Slike politiske manerer for å markere revir og føre sin sak, som å fly på og forhåne og skulle ha vekk Big Ben eller Klokka til Ibsen regner jeg som direkte innvandrerreligiøst og trollete, uopplyst, umoralsk, og syndig.

        Og der finnes grandgivelig kropper av blodet med den heller riktige kjemien, jypplinger, innvandrerreligiøse, bøller og og barbarer også i vårt terreng den dag idag som ikke har fått det med seg at jorden er rund og som slingrer både med jordakselen og med tyngdekraften i suveren politisk forakt på vitenskapens og etikkens vegne mot maskinprotokollen på Big Ben og mot Hansteens forskning og notater. For å kunne prakke på oss sin alternative sykkel og sykkelmekanikk.

        Studenten jeg nevnte fra Åsgårstrand hadde ikke valgt seg noe fakultet enda, men lurte på elektronikk og datateknikk og teoretisk astrofysikk. Jeg fortalte ham systemet og han skjønte det og var imponert over at de hadde klart å gjøre det analogt.Man må også huske på at radio og lange telegraflinjer var ikke oppfunnet enda.

        Trollet er i det hele tatt av blodet og kommer og skal valse opp og gjøre vei i vellinga og innføre fornuften og logikken og etikken og vitenskapen der samfunnet forlengst har klart å organisere seg lovlig og sivilt.

        Men den autentiske visdom synes å ha hatt det for seg at Majesteten skal instruere og inspisere i medhold av Universet, ikke på grunn av menneskelige vedtak. Når han sier «Der skal byen ligge…. og den skal hete Christiania…» så må dens mål og prinsitter være utledet direkte av solsystemet, må vite.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s