“Bisiklete binmek kadar kolay” – eski deyiş böyledir. Ve gerçekten de geniş ulaşım dünyasında çok az araç, en temelde boru şeklinde bir çerçeve, iki tekerlek, yönlendirilebilir bir çatal, bir koltuk, pedallar ve bir zincir tahrikten biraz daha fazlasını içeren mütevazı bisiklet kadar mekanik açıdan zariftir. Bu temel konfigürasyon 130 yılı aşkın bir süredir değişmeden kalmıştır. Bisikletin sözde basit dış görünüşünün altında derin bir bilimsel gizem yatıyor. Bu, çoğumuzun ilk elden tanık olduğu bir olgudur: Sürücüsüz bir bisikletin kaymasına izin verirseniz, bisiklet dik kalır ve sonunda yavaşlayıp devrilene kadar onu devirmeye yönelik tüm çabalara direnir. Ancak inanılmaz bir şekilde, bir asırdan fazla süren araştırmalara rağmen hala nedenini %100 anlamıyoruz.
Bugün tanıyacağımız şekliyle ilk bisiklet, 1820’de Alman mucit Karl Drais’in “züppe atı” veya “Draisine” biçiminde ortaya çıktı. Modern bir bisikletten farklı olarak Draisine’in pedalları yoktu ve modern bir scooter gibi kişinin ayaklarını tekmeleyerek hareket etmesi gerekiyordu. Önümüzdeki 70 yıl boyunca bisiklet, devasa ön tekerleğiyle 1870’lerin ve 1880’lerin popüler “penny farthing”i de dahil olmak üzere çok sayıda tuhaf ve harika biçime evrilecek.
Ancak eşit büyüklükte tekerleklere ve zincir tahrikli modern “güvenlik” bisikletinin nihayet ortaya çıkması 1890’lara kadar mümkün olmadı. Bu tasarım dünyayı kasıp kavuracak, kitlelere uygun fiyatlı ulaşım sunacak ve bugün yaklaşık 50 milyar dolar değerinde küresel bir endüstri yaratacak. Şekil, malzeme ve dişli teknolojisindeki nispeten küçük gelişmelerin yanı sıra, yaygın olarak kullanılan bisikletin temel tasarımı, yüzyılı aşkın süredir neredeyse hiç değişmeden kalmıştır ve bu da onu tüm zamanların tasarım klasiklerinden biri haline getirmiştir.
En kapsamlı ilk analizler 1899’da İngiliz matematikçi Francis Whipple tarafından ve 1910’da Alman matematikçiler Felix Klein ve Fritz Noether tarafından yapıldı; bunlar katı cisim mekaniğini kullanarak bisikletin dengesinin çoğunlukla jiroskopik devinimden kaynaklandığını belirledi. Bu, dönen nesnelerin uzayda sıkı bir şekilde sabit kalma ve yön değişikliklerine direnme eğilimidir ve örneğin topaçların dik tutulmasından sorumludur. Böylece Whipple, Klein ve Noether’e göre bisikletin tekerlekleri büyük jiroskoplar gibi hareket eder ve dönüşleri aracı dik tutar.
Bu, yaklaşık 60 yıl boyunca bisiklet stabilitesi için kabul edilen açıklama olarak kaldı; ta ki 1970 yılında İngiliz bilim yazarı David Jones, Klein ve Noether’in analizini inceleyip jiroskopik devinimin etkilerini etkili bir şekilde ortadan kaldıran bir takım matematiksel hatalar keşfedene kadar. Ayrıca, analizin parametreleri, sabit bir bisikletin stabil olmadığı kanıtlansa bile, bisikletin sabit olduğunu varsayıyordu. İddiasını kanıtlamak için Jones, ana tekerleklerin jiroskopik etkilerini ortadan kaldıran, ters yönde dönen ekstra tekerleklere sahip bir bisiklet yaptı ve bunun normal bir bisiklet kadar dengeli olduğunu buldu. 1860’larda İskoçyalı mühendis William Rankine, kayan bir bisiklet devrilmeye başladığında, ön tekerleğin otomatik olarak düşüş yönüne yöneldiğini ve bisikleti bir kez daha düzelttiğini gözlemlemişti. Gerçekten de, eğer bir bisikletin gidonları çatalın artık yön veremeyeceği şekilde bağlanırsa, bisiklet hemen dengesiz hale gelir. Bu ters yönlenme fenomenine dayanarak Jones, bisikletin yönlendirilmesi için “tekerlek teorisi” adını verdiği yeni bir model önerdi.
Alışveriş arabalarında bulunan tekerlekler gibi tekerlekler, direksiyon ekseni ile yer temas noktasının aynı hizada olmadığı, ikisi arasındaki mesafenin “ofset” olarak bilindiği tekerleklerdir. Bu sapma, tekerleğin kendisini otomatik olarak seyahat yönüne göre hizalamasına neden olur ve bir alışveriş sepetindeki dört tekerleğin hepsinin aynı anda yönlendirilmesine olanak tanır. Yaygın bisiklet tasarımlarını inceleyen Jones, ön çatalın standart 72 derecelik açısının, direksiyon eksenini (çatal boyunca yere doğru uzanan hayali çizgi) tekerleğin yerle temas noktasının önüne yerleştirdiğini ve onu etkili bir şekilde dev bir tekerleğe dönüştürdüğünü fark etti. Bundan yola çıkarak Jones, yalnızca pozitif izi olan bisikletlerin stabil olabileceği ve bisikletin kendi kendini düzeltme yeteneğinden sorumlu tek mekanizmanın kaster etkisinin olduğu sonucuna vardı.
1975 yılında Cornell Üniversitesi’nde çalışan Amerikalı mühendis Jim Papadopoulos, bisiklet teorisi üzerine neredeyse bir asırlık akademik makaleyi incelemeye başladı ve bulduklarından pek etkilenmedi. Orijinal Klein ve Noether analizi gibi, makaleler de ya aşırı basit varsayımlarda bulundu ya da matematiksel hatalar yaptı ve çok azı birbirine atıfta bulundu ya da önceki çalışmalar üzerine inşa edildi. Bir yıllık çalışmanın ardından Papadopoulos, tüm bu farklı analizleri tek bir birleşik denklem kümesinde birleştirmeyi başardı; bu da Jones’un hatalı olduğunu hemen ortaya çıkardı: Aslında, ağırlık dağılımı ilerilere taşınması sağlandığı takdirde, negatif izli dengeli bir bisiklet yapmak mümkündü. Papadopoulos, mühendis arkadaşı Andy Ruina ile birlikte, bisiklet dinamiklerini daha iyi anlamak ve bu anlayışı endüstriye aktararak daha iyi, daha verimli bisikletler üretebilmek amacıyla Cornell Bisiklet Araştırma Projesini başlattı.
Ekip, Papadopoulos’un hesaplamalarına dayanarak, bisiklete pek benzemeyen, jiroskopik etkiyi ortadan kaldırmak için küçük tekerleklere ve ters yönde dönen tekerleklere, tekerlek etkisine karşı koymak için negatif bir ize ve önde ön tekerleklerin çok önüne uzanan uzun ağırlıklı bir boma sahip deneysel bir cihaz inşa etti. Şaşırtıcı bir şekilde, bu garip mekanizmanın mükemmel bir şekilde stabil olduğu kanıtlandı ve karşı yönlenme olgusundan ne jiroskopik devinim ne de kaster etkisinin tek başına sorumlu olmadığı ortaya çıktı. Küçük ön ve büyük arka tekerleğe sahip bir modelle yapılan daha fazla araştırma, olası bir alternatif açıklamayı önerdi: Bisiklet düşmeye başladığında, daha kısa olan ön uç, arka uçtan daha hızlı düşer. Bununla birlikte, iki uç sıkı bir şekilde bağlı olduğundan, ön uç arkayı da kendisiyle birlikte çekerek çatalın anında düşüşe ve aracın sağa doğru yönlenmesine neden olur.
Bu büyük ilerlemeye rağmen Cornell Bisiklet Araştırma Projesi kısa ömürlü oldu. Sadece bir avuç küçük bisiklet şirketinden sponsorluk alamamakla kalmadı, aynı zamanda Papadoupolos bulgularını yayınlamakta yavaş davrandı.
Bu arada Andy Ruina, bisiklet araştırmalarının meşalesini taşımaya devam etti ve 2001 yılında bilim insanı Arend Schwab ile bir araya gelerek Hollanda da başka bir bisiklet araştırma merkezi kurdu. 2003 yılında Papadopoulos takıma katıldı ve J.D.G. Delft Üniversitesi’nden Kooijman ve J.P. Maijaard ile birlikte o, Ruina ve Schwab, araştırmalarını yeni ve daha yüksek teknolojiye sahip bir alana taşırken, örneğin bir bisikleti dik tutabilen bir bisiklet robotu yaparak 1970’lerdeki sonuçlarını doğruladılar. Herhangi bir ağırlık değiştirme veya dengeleyici jiroskop olmadan, yalnızca yönlendirme yoluyla. Bu araştırma, 2011 yılında Bisikletler Jiroskopik veya Tekerlek Etkisi Olmadan Kendiliğinden Dengeli Olabilir başlıklı çığır açıcı bir makaleyle sonuçlandı.
Delft araştırma merkezi aynı zamanda stabil bir arka tekerlek direksiyonlu bisiklet, arkadan itişli yatay direksiyonlu bisiklet, direksiyon hareketini dengeleme hareketinden ayıran telli direksiyonlu bisiklet, düşük hızlarda kendini otomatik olarak dengeleyen, motorlu direksiyon destekli bir bisiklet gibi çeşitli alışılmadık bisiklet tasarımları da üretti.. Bu tuhaf yaratımlar sadece mekanik yenilikler gibi görünse de, günlük ulaşım için bisiklete bağımlı olan milyonlarca insan göz önüne alındığında, Ruina bunların dünyaya fayda sağlama konusunda büyük bir potansiyele sahip olduğunu düşünüyor.
Ancak Delft ekibi bisiklet tasarımında evrim için sonsuz olasılıklar görse de bisiklet endüstrisi bulgularını benimsemekte yavaş davrandı. Bu isteksizliğin bir kısmı pratiktir: Deneme yanılma sonucu doğmuş olmasına rağmen klasik bisiklet tasarımı basit, sağlam ve sade bir çalışmadır. Ancak başka bir faktör organizasyoneldir: Bisiklet sporlarının uluslararası yönetim organı olan UCI, yol yarışı bisikletlerinin tasarımını geleneksel çizgilere göre standartlaştırarak endüstriyi kendi kurallarına uymaya zorladı.
Delft ekibi ve diğer araştırmacılar tarafından kaydedilen büyük ilerlemelere rağmen, bisiklet stabilitesinin dinamikleri hakkında pek çok şey yeterince anlaşılmamış durumda:
Herkes bisiklete nasıl binileceğini biliyor ama kimse bisiklete nasıl bindiğimizi bilmiyor.