自行车不倒的原理

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自行车为什么不倒呢?物理学原理


自行车的平衡是一个动态的平衡过程,是建立在人的条件反射(现在也可以使用自动机械的自动控制)控制之上的。 但是没有学会骑车的人没有建立这种条件反射,就不能掌握自行车的平衡。 
如果车和人的整体往左侧倾斜,人会反射式的将自行车的龙头向左偏,将行进的方向偏左。由于车是在向前运动的,由于惯性会将人向原来的直线方向“推”,这时候由于龙头偏左,相对来说人就受到一个向右方向的力,将人的倾斜趋势纠正。 
向右倾斜也是类似的。 
如果正在快速行进的自行车突然向某一方向猛打龙头,肯定会向直线方向摔个大跟头! 
这种通过控制方向来控制平衡的过程在以前的物理课本是将它描述为向心力的平衡原理的。即自行车在行进的过程中,自行车的轨迹是一个一个的圆弧连接而成,自行车在这样的圆弧内行进的时候,重心受到一个离心力,离心力使他向圆弧外倾倒,但是骑行者通过控制方向使他向圆弧内倾倒,这样达到一个平衡。但这个过程同样需要人的反射控制才能很好的实现。 


原因一 陀螺效应 (与圆周运动中的向心力有关) 

自行车只有2个轮子,却为什么可以保持平衡呢?甚至,高手在骑车的时候,可以双手离开车把,任由车子向前走而不担心摔倒(但要担心前面呼啸而来的汽车)。物理学家拿出一个陀螺,放在地上转一下,并开始用鞭子使劲抽打它,随着陀螺越转越快,陀螺也像不倒翁一样,虽然只有一个尖着地,却左右摇摆而不肯倒下。这就是陀螺效应:旋转的物体有保持其旋转方向(旋转轴的方向)的惯性。 

陀螺只有一个旋转方向,已经很稳定了。而自行车有2个轮子,显然自行车轮子在高速旋转的时候,会使自行车更稳定。因此,骑车人撒开车把也不会倒下。 

但遗憾的是,这并非一个合理的解释。 

陀螺效应在保持自行车稳定中也许起到不可忽略的效果,但是,如果自行车单单凭借陀螺效应保持稳定,那么,初学者也应该在高速骑车时不会倒下。但是,2个陀螺似乎并不足以支撑骑车人重达几十公斤的身体的倾斜。刚学习骑车往往会摔得很惨。从另一个方面看,骑独轮车的杂技演员由于车速很低,甚至车轮完全停止转动,则基本无法依靠陀螺效应保持平衡。 

自行车的平衡首先来自于骑车人腰部的肌肉。熟练的骑车人,其身体形成自动的条件反射,当自行车稍微倾斜倒下时,人的身体会感受到,腰部肌肉会自动动作,把身体拉向另一侧,形成的反向力矩促使车身抬起。我们学习骑自行车,也就是训练身体的肌肉完成这种条件反射,而一旦学会,这个控制回路就保持在小脑中,随时可以启用,许多年也不会忘记。 

但是高速骑车时,会感觉车子比刚刚起步的时候稳定,这又是为什么呢? 

自行车本身的平衡机制,来自于前叉后倾。我们可以观察到,几乎每辆自行车的车把轴,都不是与地面完全垂直,而是后倾的。由于前轮是固定在车把的前叉上,因此又叫前叉后倾。前叉后倾,使车辆转弯时产生的离心力其所形成的力矩方向,与车轮偏转方向相反,迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。这样,车子就有了自动回正的稳定性。车速越快,所造成的恢复力矩越大,骑车人就越感到稳定。这就是高速骑车时,会感觉车子比刚刚起步的时候稳定的原因。 

一般而言,车子前叉越后倾,车子越稳定,但转动车把越费劲;而后倾角度小,转把较容易,但车子的稳定性不够。但如果自行车完全没有前叉后倾,那么,骑自行车会是一件很痛苦的事情。 

自行车其实是相当复杂的力学体系,而汽车的前轮定位更加复杂。有主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束,这保证开车的时候车子尽可能稳定,但又减少轮胎的磨损。 

原因二 "人一车"系统平衡 

运动中的“人-车”系统具有一定的速度,“摔倒”在物理上是“人-车”系统的运动速度改变方向,而速度方向的改变必须有一个系统外的加速度,由于在骑车的过程我们找不到这样的一个加速度,所以系统的速度方向不会变化。所以不会摔倒。至于微小的震动在下文分析。 

接着下来的问题是,这个“人-车”系统的平衡是如何实现的? 

其实,人扶着自行车的时候,这个系统已经是平衡的了(假设匀速行走)——人车的重力、支持力、摩擦力、空气阻力的合力为零。车由扶着推着变成行走,对于整个人车系统来说只是由速度较小的匀速运动连续过度到速度较大的匀速运动而已(期间的变力的加速度由人的姿势和不断变化的阻力和摩擦力所抵消而实现保持平衡)。至于上车前后的摇摆,只是人通过调整姿势来调整整个系统的质量分布来实现新的平衡,也就是消除支撑点变化所带来的不稳定。 

严格来说,人的走路是一个重心不断变化的近似匀速的变速运动——我在此定义为“微变速运动”。 
人推车时也是一个“微变速运动”。 
骑车的时候,人车系统也是一种加速度很小的“微变速运动”,严格说来,人车系统不是处在平衡状态,而是加速度很小且不断变化的大致上的“平衡”状态。 

在上车前后,人车系统的加速度相对比较大(其实也不大),人和车各自的质量分布在较“剧烈”地变动,但整个人车系统是保持“微变速”平衡的。 

运动中如果有一些小震动,人可以通过调整姿势来实现新的平衡。在高速转弯的时候,人和车都是倾斜。 

另外,自行车与地面是两个小面接触,不是点接触。 

另外,车静止,没有人扶的时候跟人车系统运动时相比,质量较小、速度为零,接触面较小。所以一个小小的干扰都会使重心投影偏离支撑面——而自行车又不会像人那样调整姿势。而人车系统速度大了,质量大了,支撑面也大了一点点。 

外扰的加速度在人车速度方向上的投影——加速度分量——对较大的人车速度的改变是极小的。也就是说,系统的速度大了,相对地,它的抗干扰能力就强了。这不是惯性的问题。 

原因三 自行车比陀螺稳定 

"自行车和陀螺转动时,不会倒的原因是一样的。" 

让我们先来观察陀螺转动时的情形吧! 

当陀螺转动的时候,它中心轴的地方会朝着一定的方向,所以不会倒下去。 

我们再来看看自行车的构造。 

将自行车车轮部分折开,像图中一样把木棒穿过轮轴的中心,然后用两手使它保持水平,很快地转动车轮后,再将棒子的一端像图中箭头所指的方向倾斜,这时棒子会自动恢复水平状态。 

现在你明白了吗?当自行车走时,它有一个力量会作用在车轮上,使车轮永远保持水平状态。 

自行车一旦停下来,这个力量就消失了,自行车也就倒下来。陀螺就跟自行车一样,在停止时,很快地倾倒下来。 

原因四 重心 

自行车不会倒下的原因很简单:因为人和自行车的重心在一条直线上,自行车不管往哪个方向歪,只要人和自行车重心保持一致,自行车就不会歪倒。 

原因五 运动习性原理 

你可以自己拿一个包,里面放着书,然后快速转,书不会掉下来。为什么初学者骑自行车就不行呢?要从这方面找原理。 

初学者不会灵活脚蹬,使自行车的速度减缓。若圆的运转速度>或=圆半径的情况下,就不会摔下。

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2条评论
  1. avatar

    轻舞 Lv.1 Chrome 50.0.2661.94 Chrome 50.0.2661.94 Windows Windows 回复

    好像蛮有道理的,不过谷歌的那个确实不科学,真实现了的话,我觉得颠覆我的认知。
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