Hingga saat ini, sains belum mampu memberikan jawaban yang pasti. Tapi semakin dekat…
Mengendarai sepeda. Ini seperti naik sepeda, kan? Ya, tidak jika Anda adalah profesor Universitas Cornell Andy Ruina.
Dia, bersama dengan rekan penulis Jim Papadopoulos, Arend Schwab, Jodi Kooijman dan Jaap Meijaard, telah menulis makalah berjudul A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Castor Effects yang menyarankan kondisi yang dikutip sebelumnya untuk stabilitas tidak cukup menjelaskan – dan bahkan tidak perlu untuk – fenomena sepeda yang stabil sendiri.
‘Merupakan hal yang luar biasa bahwa orang dapat tetap berdiri di atas sepeda. Tapi salah satu hal yang paling menakjubkan tentang sepeda adalah mereka bisa menyeimbangkan diri, ' kata Ruina.
Memberikan contoh adegan terkenal dalam film Jacques Tati tahun 1949 Jour de Fête, di mana tukang pos yang ceroboh François mengejar kudanya yang kabur saat melaju tanpa pengendara di jalan pedesaan, Ruina dan rekan-rekan ilmuwannya mulai menjelajahi kearifan konvensional yang dua kondisi yang diperlukan agar sepeda tetap tegak adalah torsi giroskopik dari putaran roda atau jejak jarak roda depan.
'Anda hanya bisa menjaga sepeda tetap tegak saat sedang bergerak, ' kata Ruina. 'Yang terkenal adalah bahwa kemudi memberi Anda keseimbangan. Kita dapat menunjukkan ini jika kita mengunci kemudi pada sepeda tanpa pengendara, mendorongnya, lalu melepaskannya. Sepeda akan cepat jatuh dengan cara yang sama ketika sepeda tidak bergerak.’
Ruina menyamakan efeknya dengan keseimbangan sapu di tangan seseorang. Saat sapu vertikal mulai condong ke kiri, penyeimbang menggerakkan tangan mereka ke kiri juga, membawa bagian bawah sapu kembali ke bawah bagian atasnya yang jatuh, sehingga mendapatkan kembali keseimbangan. Tapi mengeluarkan pengendara dari persamaan, mengapa ini terjadi dengan sepeda?
'Orang secara alami berpikir bahwa jika sesuatu berputar cepat, itu menjadi kaku karena efek giroskopik, jadi ketika Anda memutarnya, ia ingin berbelok ke arah lain. Itu satu penjelasan umum. Yang lainnya adalah bahwa sepeda berperilaku seperti kastor di troli belanja.
Titik kontak
Orang menganggap titik kontak tanah yang sebenarnya dari roda depan berada di depan sumbu kemudi karena sudut kepala dan penggaruk garpu. Tapi sebenarnya roda menyentuh lantai tepat di belakang sumbu ini.’
Hasilnya, seperti kastor yang dapat bergerak 360° pada sumbu vertikal (bayangkan headset Anda adalah bantalan kastor dan hub Anda adalah porosnya), roda depan Anda 'mengikuti' setang Anda. Jadi seperti troli belanja, dorong sepeda Anda ke depan dan roda depan akan terselip dan mengikuti arah perjalanan.
Namun, perhitungan para peneliti menunjukkan bahwa baik efek gyroscopic atau castor sebenarnya tidak bertanggung jawab atas kecenderungan sepeda untuk mengarahkan dan menstabilkan diri.
Untuk membuktikannya, Ruina dan timnya membangun apa yang mereka sebut 'Two Mass Skate' (TMS). Terlihat seperti skuter lipat, TMS memiliki sifat yang sama dengan sepeda – dua roda dan bagian depan dan belakang yang massanya dihubungkan oleh engsel (yaitu, headset) – tetapi dibuat sedemikian rupa sehingga tidak rentan terhadap efek giroskopik atau jarak.
Untuk mencapai ini, dua roda kecil menyentuh tanah, masing-masing dengan menyentuh dan karenanya roda kontra-rotasi dengan massa yang sama di atas, yang membatalkan efek giroskopik dengan gerakan berlawanan (roda TMS berfungsi lebih seperti sepatu roda). Dan titik kontak roda depan terletak di depan sumbu kemudi, bukan di belakang seperti pada roda.
Saat didorong dan dilepaskan, 'sepeda' tanpa kastor dan trail ini tetap tegak, bahkan mengoreksi dirinya sendiri saat terbentur dari samping.
Ini membuktikan bahwa sesuatu yang lain, selain efek gyroscopic atau jarak, harus bertanggung jawab atas kecenderungan sepeda untuk menstabilkan diri dengan menyetir di bawahnya sendiri. Untuk menjelaskan hal ini, para peneliti berpendapat bahwa distribusi massa, khususnya pada rakitan kemudi, adalah kuncinya.
Kembali ke contoh sapu, Ruina menyarankan, 'TMS memiliki massa yang maju dari sumbu kemudi serta massa dalam bingkai. Ketika bagian depan sepeda jatuh, ia jatuh lebih cepat, seperti jika Anda menyeimbangkan pensil di tangan Anda, itu akan jatuh lebih cepat daripada sapu.
Jadi massa depan jatuh lebih cepat daripada massa belakang, tetapi mereka terhubung satu sama lain oleh sumbu kemudi. Jadi dalam upaya untuk jatuh lebih cepat, ujung depan menyebabkan kemudi dan membawa sepeda kembali ke bawah.’
Ruina menunjukkan bahwa ini masih belum menyelesaikan pertanyaan tentang stabilitas sepeda, paling tidak karena menyangkut sepeda tanpa pengendara. Tapi apa yang dilakukannya adalah memunculkan pertanyaan baru tentang bagaimana kita tetap tegak di atas sepeda, yang mungkin suatu hari akan menghasilkan perubahan desain yang mendasar.
Seperti yang dikatakan para peneliti: ‘Hasil ini mengisyaratkan bahwa proses evolusi yang mengarah pada desain sepeda umum saat ini mungkin belum menjelajahi wilayah yang berpotensi berguna dalam ruang desain.’ Jadi begitulah.
