Geradeausfahrt
Bei der Geradeausfahrt eines Motorrads herrscht ein Kräftegleichgewicht. Die resultierende Kraft ist Null.
Kräftegleichgewicht
Die im Schwerpunkt des Gefährts ansetzende Gewichtskraft \({{\vec F}_{\rm{G}}}\) ist betrags- und richtungsgleich der an der Kontaktstelle des Reifens ansetzenden Normalkraft \({{\vec F}_{\rm{N}}}\). Die Normalkraft wirkt immer senkrecht zur Oberfläche und ist die Gegenkraft zur Gewichtskraft.
Drehmomentengleichgewicht
Die Wirkungslinie von Gewichtskraft \({{\vec F}_{\rm{G}}}\) und Normalkraft \({{\vec F}_{\rm{N}}}\) sind gleich.
Kurvenfahrt
Bei der Kurvenfahrt eines Motorrads benötigt das Motorrad eine zur Innenseite der Kurve hin gerichtete Zentripetalkraft.
Diese zum Kurveninnern gerichtete Kraft ist die Harftreibungskraft \({{\vec F}_{\rm{HR}}}\) des Reifens auf der Straße. Die Haftreibungskraft verhindert, dass der Motorradreifen nach außen wegrutscht.
Durch das Zusammenwirken von Haftreibungskraft und Normalkraft entsteht eine resultierende Kraft \({{\vec F}_{\rm{r}}\). Die resultierende kraft steht nicht mehr senkrecht auf der Straße, muss aber nach wie vor durch den Schwerpunkt des Gefährts verlaufen, damit das Motorrad nicht umfällt. Deshalb ist die Neigung des Motorrads notwendig.
Verschiebt man die resultierende Kraft \({{\vec F}_{\rm{r}}}\) längs ihrer Wirkungslinie in den Schwerpunkt des Gefährts, so erkennt man:
Die Zentripetalkraft \({{\vec F}_{\rm{ZP}}}\) ist die vektorielle Summe aus Gewichtskraft \({{\vec F}_{\rm{G}}}\) und der Summe von Haftreibungs- und Normalkraft \({{\vec F}_{\rm{r}}}\).
Zur Berechnung von Winkeln und Kraftbeträgen tut man sich oft leichter, wenn man die der Zentripetalkraft \({{\vec F}_{\rm{ZP}}}\) entgegengesetzt gerichtete Trägheitskraft \({{\vec F}_{\rm{ZF}}}\) betrachtet. Diese Trägheitskraft scheint der beschleunigte Motorradfahrer zu spüren. Man nennt diese Scheinkraft Zentrifugalkraft \({{\vec F}_{{\rm{ZF}}}}\).
Nun erkennt man auch wieder gut das Kräftegleichgewicht am beschleunigten Motorrad.
Der resultierenden Kraft \({{\vec F}_{\rm{r}}}\), aus Haftreibungskraft und Normalkraft wirkt die Kräftesumme aus Zentrifugalkraft \({{\vec F}_{\rm{ZF}}}\) und Gewichtskraft \({{\vec F}_{\rm{G}}}\) entgegen. Diese Kräftesumme ist gegengleich der Bodendruckkraft und hat dieselbe Wirkungslinie wie diese.
Die parallel zum Boden gerichtete Haftreibungskraft kann nicht beliebig groß werden: Ist die Kurve zu eng oder die Fahrerin zu schnell wird die benötigte Haftreibungskraft größer als maximale Haftkraft der Reifens auf der Unterlage. Der Reifen rutscht dann weg und die Fahrerin "fliegt aus der Kurve.
Aufgabe
Aufgabe
Die Motorradfahrerin auf obigen Bildern will mit möglichst großer Geschwindigkeit die \(400m\) Bahn eines Leichtathletikstadions durchfahren.
Nenne zwei vom Bahnradius unabhängigen Größen, die ihre maximale Geschwindigkeit begrenzen.
Nenne die Bedingung, die der Haftreibungskoeffizient werfüllen muss, damit die Fahrerin ohne Verwendung der Antriebskraft der Räder und ohne Rutschen mit maximal möglicher Geschwindigkeit durch die Kurve kommt.
Erläutere, durch welche Maßnahmen Sandbahnfahrer eine noch größere Kurvengeschwindigkeit erreichen.