Teoria meni taas uusiksi.

Polkupyöräily on helppoa, kun sen kerran oppii. Niin helppoa, että siitä on tullut vertaus taidolle, jonka osaa, vaikkei vuosiin sitä käyttäisi.

Ajamisen helppous ei ole ihmisen vaan polkupyörän ansiota: se pysyy pystyssä myös itsekseen.

Olethan huomannut, kuinka etupyörä pyrkii pitämään suuntansa, vaikka ajaessasi irrottaisit kätesi ohjaustangosta? Tai kuinka pyörän taluttaminen onnistuu yhdelläkin kädellä? Jos tasaisella alustalla tönäiset pyörän liikkeelle, se jatkaa matkaansa suoraan ja pysyy pystyssä niin kauan kuin vauhtia riittää. Ajajaa tarvitaan periaatteessa vain suunnan muuttamiseen ja vauhdin ylläpitämiseen.

Hyrrävoimat ja vino haarukka?

Selitystä polkupyörän ominaisuuksiin on etsitty sen mekaniikasta ja dynamiikasta jo noin 150 vuoden ajan. Ja selityksiä on löydetty.

Suosituin on hyrrävoimat, josta polkupyörää käytetään usein esimerkkinäkin. Pyörimisliikkeessä liikemäärä pyrkii säilymään ja akseli pitämään suuntansa. Kunhan vauhtia on tarpeeksi, pyörien pyöriminen estää polkupyörää kallistumasta liikaa.

Jo 1970-luvulla tutkijat kuitenkin osoittivat, että pystyssä pysyy myös polkupyörä, josta hyrrävoimien vaikutus on kumottu vastakkaiseen suuntaan pyörivillä lisäpyörillä. Hyrrävoimat eivät siis voi olla ainoa selitys.

Toinen pääselitys liittyy pyörän etuhaarukkaan. Se ei ole pystysuora, vaan sen alaosa on yläosaa edempänä. Siksi piste, jossa ohjaustangon kuviteltu jatke kohtaa maanpinnan, on edempänä kuin kohta, jossa etupyörä koskettaa maata. Tämän ansiosta etupyörä korjaa automaattisesti suunnan alkaessaan kallistua.

Samasta syystä myös ostoskärryjä on yleensä helppo rullata eteenpäin – ja joitakin pyörillä varustettuja toimistotuoleja ei. Jos rullien kiinnitys on pystysuora, ohjattavuus kärsii.

Tuorein selitys painopisteen sijainti

Viime kevääseen saakka pyörän syvin olemus näytti suhteellisen selvältä. Sitten Delftin teknisen yliopiston tutkijat menivät tekemään tietokonemallinnuksen ja prototyypin pyörästä, joka pysyy pystyssä, vaikka hyrrävoimat ja etuhaarukan vaikutus on kumottu.

Hollantilaisinsinöörien mukaan hyrrävoimien ja etuhaarukan vaikutus riippuu pyörämallista, mutta välttämättömiä ne eivät ole, vaan pyörä pysyy pystyssä myös painopisteensä ansiosta. Se on selvästi lähempänä takapyörää kuin etupyörää. Takana oleva painopiste jarruttaa kevyemmän etupään kallistumista ja saa etupyörän ohjaamaan itseään.

Vieläkään polkupyörän matemaattinen malli ja käytäntö eivät täysin kohtaa, hollantilaiset myöntävät Science-lehdessä. Joka tapauksessa he osoittivat, että pystyssä pysyvän pyörän voi rakentaa monella tapaa. Ehkä tämä innoittaa valmistajia suunnittelemaan uudentyyppisiä pyörämalleja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 4/2012

Delftin yliopiston pyörätutkimuksista lisää: bicycle.tudelft.nl

Sivuilta löytyy myös videoita sekä kattava luettelo polkupyörätutkimuksen historiasta alkaen vuodesta 1869.