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自行车不倒

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卖家[上传人]：夏**

文档编号：485732972

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常见问题

1、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

2、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

3、，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

4、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

5、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。

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