自行车不倒

自行车不倒之谜科学解释，人类尚未完全掌握自行车工作原理。自我平衡性 困惑很多人自行车为什么能平衡地前进呢？这看似无比简单。车头是大部分人调整自行车的工 具。骑自行车时，人们会随时调整车头，一旦车子看着要往某边倾斜，我们便会调整车头让 其重新回到轨道上来。但也有人可以潇洒地不扶车把骑车，他们利用身体的倾斜度调整来控 制自行车的平衡。不过，哪怕没有人骑，自行车自己也可以调整平衡：把一辆自行车推一下，它会自动 向前行驶一段路，直到倒下，这个过程被称为“自我平衡”或“自我稳固”。这个特征，曾 经在过去的一百多年中困惑了很多人。 “为什么自行车会在需要的时刻自己掌舵，我们目 前还没有简单的物理学解释。”不过，这群把物理天赋用在自行车而不是宇宙大爆炸上的物理学家们，还是找到了一 些研究线索。虽然我们还是不知道自行车到底怎么保持自我平衡，但至少他们把原因缩小到 几个方面。骑车人在维持自行车不倒中的作用。命题中“运动中的自行车”当然是包含了骑车人在内，所以段青老师是用系统的观点 来论述这个问题的，即人和车组成了一个自组织系统。她提到了人的加入，给系统输入能量， 让车动起来，并通过人的调节，使系统的重心落在车轮与地面接触的范围内。但因对此命题 的力学本质未能充分揭示，故显得说服力不够。“ GT ”又是在忽略了车轮转动的情况下来阐 述骑车人的作用的，也有不全面之嫌。综合上面两种看法，我认为骑车人的作用有如下一些：1. 让车轮转动，使之具备“陀螺效应”，从而给自行车奠定了不易倾倒的力学基础；2. 由于在某一转速下，车轮抗干扰的能力是有限的。骑车人的作用之一就是通过对自 行车姿态的控制或骑车人本身姿态的调节，使干扰始终维持在临界值之内；3. 调节自行车姿态，使之具有更好的稳定性，如加大车轮转速，适当改变车的方向等；4. 调节整体姿态，以抵消干扰。如因地面或侧风使车始终向一边倾斜，而行车路线又 不允许转弯时，则需调整姿态，抵消干扰，保持车的不倒状态。陀螺原理对于自行车的自我平衡能力，目前有不同的解释。在获过诺贝尔奖提名的物理学家阿 诺德认为，自行车能够自我平衡是类似“陀螺”的一种表现。陀螺会产生自旋，随着能量消 减而停下来，自行车也有同样的作用。行进中，自行车车轮的运动可以分解为绕轴的转动 和随整车前进的“平动”。这里 只分析车轮绕轴转动对自行车发生倾倒的影响。如下图所示，车轮绕轴逆时针转动，当外界干扰力矩使车轮向左发生一定的偏倒时， 车轮到底怎样运动呢？我们来考察车轮最上面一点的运动状态。车轮的偏转，使它产生了一个垂直于旋转平切向蘆度面的轴向速度；由于车轮的转动，它还具有位于旋转面内的 圆周切向速度；该点的实际速度是这两个速度的矢量和。这 个合速度显然缓解了车轮的倾倒。轮子的转速越大，其合速 度越靠近旋转平面，车轮也就越稳定。一般情况下，圆周切 线速度都比使车倾倒的轴向速度大得很多，因而车轮的高速 转动能有效地抵御干扰力矩的作用。需要说明的是，以上这种解释只能说是一种静态的、 粗浅的理解，它没有完全说明旋转的车轮不容易倒的本质原 因。要全面科学地理解其本质原因，还必须凭借“陀螺原理” 也就是，当受到外力干扰时，车轮转轴方向发生变化，在转 轴方向变化的过程中，车轮将产生附加的旋转分量（进动、 章动）。其中某部分旋转量具有抵抗外力干扰的作用。车轮 原有惯性旋转速度越快，即相应质量的动量矩越大，反抗干 扰的能力就越大，车轮就越稳定。因为涉及到矢量叠加、动量矩方向、动量矩转化和守恒等 数学力学知识，推导也较繁复，不能在此展开。轮脚作用此外，一些科学家认为，自行车主要是由于“轮脚作用”而能够保持一定程度上的平 衡。所谓“轮脚”作用，即自行车的前轮可以像超市购物车的前轮一样起到方向控制作用。不过，新的研究认为，自行车可以既不像陀螺，又不像超市购物车前轮那样实现自我 平衡。此前的理论并不一定适用，很多依此增加了车轮陀螺作用或主动驾驶能力的自行车, 稳定性并没有增加多少，而且一旦速度提高，就失去了陀螺效应，反而平衡能力减少。“前叉后倾”的学问。在讨论“运动中的自行车为什么不容易倒？ ”时，还必须充分注意到自行车结 构中的自稳定因素，这就是“前叉后倾” 的结构安排。如右图所示，自行车前轮的转向是由 “前叉”控制的。也就是说，前叉操纵前 轮转弯时，前轮的转动是以前叉所在的直 径为转轴的。（图中红色直径）当干扰力矩使车向左倾斜，前轮也将 随之向左转弯。这时，在前轮与地面的接 触点A处必将产生一个向右的运动趋势， 因而地面也就必将产生一个向左的摩擦 力，这个摩擦力有两个作用。一是它对前 后轮中心连线所形成的力矩，反抗车身向 左的倾斜；二是它对前叉轴线形成的力矩迫使前轮恢复到原来的方向。一些骑车高手之所以能“撒把”骑行，其功劳应归于后倾的前叉。如果用绳将前叉固 定，他就不可能如此潇洒了。法国人西弗拉克最初发明的自行车，没有“龙头”，速度很低，经常摔倒，只有在自 行车装上了后倾的龙头之后，骑车才变得更加安全。自行车平衡 原因太复杂为了证明这点，科学家们从反常规入手，设计了一辆排除了陀螺或轮脚作用的自行车。 这辆自行车只带两个小轮，最大限度地减少了车轮的自旋转动量。科学家以每小时8 千米的 速度把这辆小车向外推了出去，它自己行驶了相当长的距离，如同任何一辆传统自行车一样， 它能够平衡自己。研究者甚至还在自行车自我行驶过程中略微推了它一下，很快，这辆小车 又自己调整到直线轨道。“没人知道这是为什么。”参与研究者瑞纳说。“这辆自行车证明，自我平衡还无法用任何简单的词来解释。”达尔福特大学的科学 家阿诺德舒瓦特在展示视频中说道。除了否定陀螺和轮脚作用的关键性之外，他们的实验还显示，自行车重量分布可能对 平衡起到很大的作用，特别是自行车前部重量中心的位置，可能极大影响了自行车稳定性。 虽然科学家依然没有得出自行车的完美数学公式，但是，至少他们得到了一些启发陀 螺、轮脚作用和自行车前部重心位置这三点，虽然不会各自对平衡力起决定性作用，但可能 三者有一股微妙的交互关联，影响自行车的平衡力。研究论文中提到，他们发现当对这三点 调整失误后，反而会令自行车更为不稳定。研究者还提到，决定一辆自行车的稳定性还有其他很多因素，比如驾驶轴的几何原理， 两轮之间的距离或更重要的车体重量分布。