Techniek: zwaartepunt
De discussie is zo oud als de motorfiets zelf. Maar wat is nu eigenlijk beter: een hoog of een laag zwaartepunt? De voorstanders van een laag zwaartepunt dringen zich onmiddellijk op en roemen de daaraan gekoppelde handelbaarheid. Zelfs een grote motorfabrikant als BMW onderstreept deze zienswijze zoals bijvoorbeeld met de K-serie. Op het eerste gezicht hebben ze absoluut een punt. Ga maar eens naast zo’n machine staan (schets links), pak het stuur beet en kantel de motor snel van de ene naar de andere kant. Een motor met een laag zwaartepunt biedt dan het minste weerstand en voel licht en handelbaar aan. Logisch, want het lage zwaartepunt, dus het massacentrum van alle voertuigonderdelen, legt bij een kiepbeweging om de lengteas (een denkbeeldige lijn van het voorste naar het achterste bandcontactvlak ) een kortere weg af (groen) dan een hoog zwaartepunt (rood). Volgens de logica der hevelwerking moet een persoon staand naast een machine met een hoog zwaartepunt meer kracht gebruiken dan bij een motor met een laag zwaartepunt. Stilstaand of rangerend wordt zo’n laag zwaartepunt over het algemeen als prettig ervaren, omdat het immers licht en stabiel aanvoelt. Maar wat nu als de motor rijdt? Dan geldt het hierboven geschetste scenario in ieder geval niet langer. De reden: de machine wordt niet langer middels een tweede via stuur en ondergrond verbonden systeem (de hier naast de motor staande rijder) in een hellingshoek gedwongen, maar door de rijder op de motor. Die moet het opnemen tegen de stabiliserende gyroscopische werking van de wielen, die niet langer rechtuit maar onder hellingshoek moeten roteren. Hoe gaat dat? Dat geschiedt door een tegengesteld ingeleide stuurbeweging. Ergo: voor een linkerbocht wordt het stuur eerst één à twee graden naar rechts gedraaid, waarna motor en bestuurder naar links een bocht maken. Je kunt boeken vol schrijven om dit proces natuurkundig te verklaren, maar het kan ook eenvoudiger: we gooien alles overhoop en vervangen de persoon, die aan het stuur trekt, door een zijdelingse kracht aan het voorwiel. Deze kracht ontstaat zodra een motor een bocht maakt. Des te hoger het zwaartepunt ligt, des te makkelijker dat zwaartepunt zich nu uit de loodrechte lijn met het asfalt laat brengen. Een ander verschijnsel, precessie genaamd, openbaart zich op prachtige wijze bij een uitgebouwd voorwiel. Zorg dat het wiel kan draaien, houd het bij de as vast en ‘stuur’ naar rechts. Er treedt dan onmiddellijk een sterke kracht op, die het draaiende wiel vervolgens naar links kiept. Deze kracht versterkt de kantelbeweging onder hellingshoek. En dan komen er ook zaken als massatraagheid en de gyroscopische werking van het draaiende achterwiel en de draaiende delen in het blok om de hoek kijken. Een verhaal zonder eind en ook daar zijn boeken over vol geschreven, maar wij concentreren ons voor het gemak puur op het zwaartepunt. Stapel eens tien bierkratjes op elkaar – bij voorkeur zonder de flessen – en begin dan eens aan het onderste krat te trekken. Deze stapel zal dan sneller gaan wankelen dan een stapel van slechts twee kratten, nietwaar? Maar het zwaartepunt mag ook niet te hoog liggen. De motor duikt dan veel te sterk in een hellingshoek en het ‘omvallende’ zwaartepunt moet dan worden afgeremd. Dat is bijvoorbeeld goed te voelen op een volgetankte allroad. Motorrijders met veel gevoel voor wat er onder de wielen gebeurd, zullen merken hoe ze in een hellingshoek haast onbewust licht tegensturen om niet nog platter te gaan. Dat kan bij een motor met een te hoog zwaartepunt de gewilde lijn aardig verpesten, omdat het geheel dan nerveus wiebelig aanvoelt. Op het slalomparcours op onze Toptest-baan zijn eigenlijk ook alleen de motoren met een nauwkeurig uitgebalanceerde zwaartepunthoogte echt snel. Tot dusverre hebben we de breedte van de banden buiten beschouwing gelaten, maar al naar gelang zwaartepunthoogte is ook dit een factor om rekening mee te houden. Vooral motoren met brede banden hebben, vanwege het aan de binnenzijde van de bocht geringere bandcontactvlak (zie schets rechtsboven), bij gelijke snelheid en gelijke radius meer hellingshoek nodig dan puur rekenkundig nodig is. Theoretisch zou bij een zijdelingse kracht van 1G (dus het eigen gewicht van de motor en rijder) een hellingshoek van slechts 45° nodig zijn (theoretisch vereiste hellingshoek bij bandbreedte nul). Bij de daadwerkelijk benodigde hellingshoek van de motor speelt ook de hoek die door het hart van de band en het zwaartepunt voert een rol. Hoe hoger het zwaartepunt, hoe kleiner de benodigde hellingshoek. Of anders gesteld: op ons Toptest-parours kan sneller worden gereden, omdat daar steeds de maximaal mogelijke hellingshoek wordt benut. In de racerij is dit van wezenlijk belang. Door verschillende zwaartepunthoogtes (waarbij de motor in zijn geheel en in sommige gevallen alleen het motorblok wordt verhoogd of verlaagd) kan een machine in feite op ieder willekeurig circuit of op een bepaald bochtenverloop worden afgesteld. Doorgaans wordt op smalle circuits met lang doorlopende bochten voor een hoger zwaartepunt gekozen (minder hellingshoek nodig, meer grip bij bochtuitgang) en op snelle banen voor een wat lager zwaartepunt (minder wheelie-neiging bij volgas acceleratie, betere stabiliteit bij remmen, stabieler stuurgedrag). Maar geen licht zonder duisternis. De hoogte van het massazwaartepunt kan aan de andere kant ook de oorzaak van allerlei onrust in een rijwielgedeelte zijn. Bij een hoog zwaartepunt kan een lichte, ongeplande stuurbeweging, bijvoorbeeld veroorzaakt door luchtturbulentie, op hoge snelheid resulteren in een vervelende pendelbeweging. Ook hobbelig wegdek in een bocht kan instabiliteit veroorzaken. In de praktijk komen dit soort problemen vooral voor als bijvoorbeeld de achterzijde van de motor door een verhogingskit extreem is gelift. Hierdoor wordt ook de stuurgeometrie nog eens extreem nerveus, doordat de balhoofdhoek fors steiler wordt en de naloop veel korter. Maar stabiliteit alleen is niet de enige reden waarom er grenzen aan de hoogte van het zwaartepunt zitten. Ook wat betreft remmen en accelereren is dat het geval. Reden: door de lange hevelarm van het hoge zwaartepunt wordt de dynamische aslastverdeling verhoogd, wat bij accelereren al snel resulteert in wheelie’s en bij remmen in een ongeplande stoppie. Daarom is de keuze voor de hoogte van het zwaartepunt van een motor altijd een compromis tussen het ontwikkelings- en gebruiksdoel. [Bei Zeichnungen][Seite 109 oben]ZWAARTEPUNTHOOGTE VERGELEKENIn tegenstelling tot een draaibeweging bij stilstand (foto links) is de hoogte van het zwaartepunt tijdens het rijden (foto rechts) slechts één van de vele factoren die invloed hebben op de handelbaarheid van de een motor. Om de motor onder hellingshoek door een bocht naar links te sturen, ontstaat door de stuurimpuls (circa één tot twee graden stuurbeweging) naar rechts een zijdelingse kracht die het zwaartepunt als het ware uit de loodrechte lijn drukt. Daar komt een precisiekracht naar links bij, die een rolmoment veroorzaakt en het zwaartepunt aansluitend in een hellingshoek naar links brengt. Het kiepen wordt afgeremd door de naloop van het voorwiel en zo nodig kan de stuurimpuls door een stuurbeweging naar de binnenzijde van de bocht worden afgeremd zodra de gewenste hellingshoek is bereikt. Een homogeen afgestelde motorfiets vraagt onder hellingshoek slechts minimale stuurkrachten. Oprichten doen motor en rijder zich als het stuur naar de binnenzijde van de bocht wordt gedraaid of als er wordt geaccelereerd. [Bu’s opener links][Bild: HennyB-2279]Een hoog zwaartepunt leidt bij gelijke zwaartekracht (rood) tot een groter kiepmoment door de langere hevelarm. [Opener rechts][Bild: HennyB-2278]Een hoog zwaartepunt laat zich door de zijdelingse kracht op het wiel dankzij de langere hevelarm makkelijker omkiepen. [rot]Hoog zwaartepunt[grun]Laag zwaartepunt[Seite 110]MASSAZWAARTEPUNTVoor een zo goed mogelijke handelbaarheid van de motor wordt meestal getracht om alle zware onderdelen rond het zwaartepunt van de motor te concentreren. Met het zwaartepunt van de rijder moet bij het constructieproces eveneens rekening worden gehouden, omdat deze factor met name bij lichte motorfietsen een niet te onderschatten rol speelt. Bestuurder en machine hebben namelijk een gezamenlijk zwaartepunt. [Bei Bild: HennyB-2282][Links]Zwaartepunt bestuurder[Mitte, Grosse Zirkel]Gezamenlijk zwaartepunt[unten Zirkel]Zwaartepunt motorHELLINGSHOEK EN ZWAARTEPUNTHOOGTEHoe hoger het zwaartepunt, des te geringer de noodzakelijke hellingshoek. Rijdt een motor met een zwaartepunthoogte van 800 millimeter een hellingshoek van 30 graden bij een effectieve bandbreedte van 160 millimeter (gemiddelde uit voor- en achterbandbreedte, foto rechts, rode lijn), dan zal bij een tot 500 millimeter verlaagd zwaartepunt (groene lijn) de noodzakelijke hellingshoek bij een gelijkblijvende bochtensnelheid met 3 graden worden verhoogd. [AktionBild links]Actief bochtenwerk: de blik naar voren en de knie uitgestoken. [Skizze rechts][Bild: HennyB-2285]500 millimeter zwaartepunthoogte, 33 graden
