Het geheim van een goede fiets wordt hier ontrafeld

Wie het Fietslab (officieel bicycle dynamics lab) binnenkomt struikelt haast over de tweewielers. Overal staan ze: op een rollerbaan, tegen de muur geparkeerd en ze hangen zelfs aan het plafond. Dat het geen gewone fietsen zijn, valt ook direct op. Bij de een hangen draadjes uit het stuur en bij een ander gaan allemaal slangen langs het frame.

Op deze plek van de TU Delft onderzoeken wetenschappers de fiets. Dat lijkt een vreemd onderwerp. Want wat valt daar nog aan te ontdekken? We gebruiken deze toch al lange tijd massaal als voertuig in Nederland en dat werkt doorgaans prima.

Dat laatste klopt, geeft wetenschapper en leider van het fietslab Arend Schwab direct toe. “Maar er is nog genoeg dat we niet weten over de tweewieler. Ik begon mijn onderzoek in 2002. Er waren toen zo’n tachtig wetenschappelijke publicaties over de fiets. Het waren allemaal losse onderzoeken van wetenschappers die zelf naar de stabiliteit hadden gekeken, maar niet goed andere onderzoeken hadden bekeken. Waarom een tweewieler tijdens het rijden overeind blijft, wisten we eigenlijk niet. In 2011 presenteerden we in vakblad Science een model waarin we dat uitleggen.” Onderzoekers benadrukten in het verleden vooral dat de voorvork en het gyroscopische effect van de wielen belangrijk waren voor de stabiliteit. Het gyroscopisch effect is de moeite die het kost om de draaiende massa van richting te doen veranderen. Met zijn onderzoek voegde Schwab daar twee belangrijke factoren aan toe: de massaverdeling en het zwaartepunt van de fiets.

Tikje tegen het stuur

Na de publicatie in Science volgde nog veel meer onderzoek, dat Schwab verricht in het Fietslab van de TU Delft. Een van zijn belangrijkste vindingen is de stuurhulp. Deze zorgt ervoor dat mensen minder snel omvallen. “Vaak gaat het dan om eenzijdige ongelukken, zonder dat er een ander voertuig aan te pas komt. Mensen vallen zomaar om. Vanwege ons eerdere onderzoek naar de stabiliteit van een fiets, weten we hoe je moet balanceren: je moet sturen in de richting van de val. Als mensen dit zelf niet doen, kun je dat inbouwen. Dat is wat onze stuurhulp doet.”

Schwab wijst naar een fiets met een wit kastje aan de stang: “Daarin zitten de batterij, een motortje en een kleine computer.” Op de fiets zit nog een sensor, die de hoeksnelheid meet en dus signaleert wanneer een fiets dreigt te vallen. Vervolgens beweegt het motortje het stuur in de juiste richting, zodat je overeind blijft. “De techniek is eenvoudig”, zegt Schwab. Het onderzoek is nog in volle gang en al zo ver dat mensen proefritjes maken met de stuurhulp.

Schwab is werktuigbouwkundige en wil met biologen en neurowetenschappers beter begrijpen hoe dit allemaal werkt. “Dan snappen we ook beter hoe we iemand kunnen helpen als een lichamelijke functie wegvalt. Bijvoorbeeld iemand die slecht ziet of een beperking aan het been heeft.” Hij wijst naar een fiets in de hoek van het lab. “Daar doen we tests. Proefpersonen zetten een virtual-reality-bril op. Ondertussen zetten wij via een motortje kracht op het stuur, zodat het echt voelt alsof je rijdt en stuurt. Zo gaan we na wat mensen voelen als ze proberen te balanceren.” Uiteindelijk wil Schwab zijn fietssimulator koppelen aan een autosimulator, die net buiten het lab staat. “Dan kunnen we testen met twee bestuurders tegelijk. Je krijgt dan een realistischer beeld van hoe mensen zich in een verkeerssituatie gedragen, bijvoorbeeld op een kruispunt.”

Naast de fiets staat een emmer. En die is er niet voor niks. “De simulator is nog in ontwikkeling. Als een simulator nog niet helemaal goed werkt, dan worden sommige mensen er ziek van en moeten ze overgeven.”

Olympische Spelen

Schwab houdt zich niet alleen bezig met fietsveiligheid, maar richt zich ook op het verbeteren van sportfietsen. Hij probeert de fietsen zo aan te passen, dat wielrenners er nog sneller op kunnen fietsen. Dit doet hij aan de hand van de ervaringen van sporters. Zo merkte hij dat veel baanwielrenners niet goed op hun eigen fiets zaten. “Alle fietsen waren te klein, een aantal sporters zat met de elleboog tegen de knie aan. Doordat we de grootte van de fiets en de stuurinrichting veranderden, konden de sporters ineens veel beter hun vermogen kwijt”, zegt Schwab.

Schwab hoopt dat de nieuwe baanfiets die hieruit voortkwam een gouden overwinning oplevert op de volgende Olympische Spelen in Tokyo. Daarom vliegt hij deze zomer naar Tokyo om de sporters aan te moedigen en zijn fiets in actie te zien. Grappig genoeg is Schwab zelf helemaal niet zo’n sportfan, maar hij geniet wel van de magie ervan: “Een gouden medaille is onbetaalbaar, die kun je niet kopen.”

Ploegen aansturen met een computermodel

Ook wielerploeg Team Sunweb profiteert van het gesleutel in het lab. Schwab helpt hen bijvoorbeeld met de ploegentijdrit, volgens hem een erg interessant onderdeel van de wielersport. Bij grote rondes, zoals de Tour de France of Giro d’Italia, rijden teams dan samen tijdens een etappe een route naar de eindstreep. Het doel is om als groep zo snel mogelijk te fietsen. Hierbij starten er meer renners dan er over de finish komen. Er mogen dus sporters zich helemaal leeg rijden vooraan de groep (waar ze meer wind vangen) en vervolgens pas later over de finish komen. Hoeveel renners dit zijn, verschilt. Vaak starten acht of negen renners en telt de tijd van de vierde (of vijfde) sporter. Dan is het dus raadzaam om als groep van vier (of vijf) aan te komen. Zo’n ploegentijdrit roept allerlei vragen op: Wie gaat er als eerste aan kop, en voor hoe lang? Wie gaat er daarna naar voren, Kees of toch Piet?

“Een computermodel kan dit grotendeels voorspellen. Als je het vermogen van de renners weet, en je kent hun individuele weerstand en de plaats in de groep, dan kun je de maximale snelheid van de groep bepalen”, legt Schwab uit. De computer neemt deze variabelen allemaal mee en loopt verschillende scenario’s af. Uiteindelijk kun je dan zeggen: Kees gaat eerst op kop en na dertien seconden Piet waarop Kees zich laat terugvallen naar de derde positie. Op die manier kun je de renners strategisch inzetten, zodat het team de beste prestatie levert.

Juichen in Tokyo

Wat vinden de wielrenners zelf eigenlijk van die bemoeienis van buitenaf? “In eerste instantie zijn ze sceptisch: ze zien een overwinning liever als hun individuele prestatie. Ze vinden het ook vreemd dat een computerprogramma berekent hoe ze moeten rijden. Maar als ze merken dat hun prestatie beter wordt door onze aanpassingen, willen ze wel”, zegt Schwab. De sporters moeten natuurlijk wel hun vrijheid houden, vindt de wetenschapper. Het model kan dan wel zeggen dat Piet 15 seconden op kop moet blijven, maar uiteindelijk kan Piet zelf beslissen om los te breken.

Boven ons hoofd hangt nog een andere fiets aan het plafond. Schwab legt uit dat ze deze voor de olympische BMX-ploeg gebruikt is. “De Nederlandse ploeg wilde weten hoe je zo snel mogelijk start. Dit is belangrijk bij races: wie als eerste beneden aan de helling is, heeft de race praktisch al gewonnen”, zegt Schwab.

Om dit te testen, werd een wedstrijdfiets uitgerust met sensoren die meten wat de stand van de fiets is en hoeveel kracht er op de pedalen staat. Hiermee konden ze de eerste paar slagen goed in beeld krijgen en deze in verband brengen met de uiteindelijke prestatie. De conclusie: de eerste trap is bepalend voor succes. Of dat tot medailles gaat leiden, is nog de vraag. Aan het enthousiasme van Schwab zal het in elk geval niet liggen: vanuit Tokyo gaat hij de Nederlandse ploeg aanmoedigen. Niet omdat hij zo van sport houdt, maar vanwege zijn fascinatie voor de wetenschap van fietsen.