本帖最后由 張麻子 于 2018-7-16 09:32 編輯
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騎車雖爽,，但是研究自行車的科學(xué)家們卻有些“不爽”,。如此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的這樣一種交通工具,，騎行過程中為什么不會(huì)倒呢,？關(guān)于它的穩(wěn)定性原理,，時(shí)至今日尚不得而知,！不僅如此，當(dāng)人們?cè)谄降厣习岩惠v自行車推行到一定速度后撒手,，自行車也會(huì)無控制地穩(wěn)定前行一段,，即使中途擾動(dòng)一下，它也能夠恢復(fù)穩(wěn)定,。
荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)設(shè)計(jì)了一款自行車模型,，沒有陀螺效應(yīng)和前輪尾跡，在無人操縱的條件下，也一樣可以平穩(wěn)行駛,。 200 年來,，為解開這個(gè)謎團(tuán)，許多物理學(xué)家,、數(shù)學(xué)家孜孜不倦地研究自行車穩(wěn)定性的原理所在,，以期尋求一個(gè)合理的解釋，他們發(fā)表了近百篇文獻(xiàn),，提出了各種可能,。 . j% ?6 P# t% y
可能性之一：陀螺效應(yīng) 自行車前輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的離心力會(huì)幫助保持自身平衡,，就像抽動(dòng)旋轉(zhuǎn)的陀螺時(shí),，陀螺會(huì)圍繞著它的軸保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣。 在對(duì)自行車穩(wěn)定性的解釋中影響比較大的一種說法是自行車前輪的陀螺效應(yīng),，以至于在許多通俗讀物中都以這種觀點(diǎn)來解釋自行車的穩(wěn)定性,。
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1911 年，德國(guó)數(shù)學(xué)家克萊因和物理學(xué)家索莫菲爾德在陀螺力學(xué)著作中用陀螺效應(yīng)解釋自行車的穩(wěn)定性,。陀螺效應(yīng)就是旋轉(zhuǎn)著的物體具有和陀螺一樣的性質(zhì),。“通俗地講就是轉(zhuǎn)動(dòng)物體具備維持原有轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的慣性,，就如牛頓第一定律（慣性定律）描述直線運(yùn)動(dòng)的慣性一樣,。”中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院余永亮教授如是說,。 物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),，它的離心力會(huì)幫助保持自身平衡，就像抽動(dòng)旋轉(zhuǎn)的陀螺時(shí),，陀螺會(huì)圍繞著它的軸保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣,。
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可能性之二：離心力效應(yīng) 當(dāng)自行車往一側(cè)傾斜時(shí)，騎車人就會(huì)將前輪轉(zhuǎn)向同一側(cè),，由于前輪轉(zhuǎn)了一個(gè)角度,，自行車就會(huì)沿著傾斜側(cè)的圓周行進(jìn)，這時(shí)離心力向圓周外,，就會(huì)將自行車扶正,。 1948 年，美國(guó)力學(xué)家鐵木辛科和楊在他們所著的《高等動(dòng)力學(xué)》一書中,，對(duì)自行車穩(wěn)定性問題作出了離心力效應(yīng)的解釋,。他們認(rèn)為，當(dāng)自行車往一側(cè)傾斜時(shí),，騎車人就會(huì)將前輪轉(zhuǎn)向同一側(cè),，由于前輪轉(zhuǎn)了一個(gè)角度,，自行車就會(huì)沿著傾斜側(cè)的圓周行進(jìn)，這時(shí)離心力向圓周外,，就會(huì)將自行車扶正,。 余永亮表示，普通自行車具有自穩(wěn)定的特性,，通常講,，穩(wěn)定性與速度快慢是有關(guān)系的。通常速度越大,，慣性也越大,，穩(wěn)定性也越好，所以在速度較高的時(shí)候,，騎車熟練的人可以不用雙手控制車把,。 * h# c# _1 o, x5 m `" y
可能性之三：腳輪效應(yīng) 1970 年 4 月，英國(guó)化學(xué)家,、科普作家大衛(wèi)•瓊斯在《今日物理》上發(fā)文質(zhì)疑陀螺效應(yīng),，他給自行車增加了一個(gè)與前輪并列反向旋轉(zhuǎn)的副車輪，以消除陀螺力矩,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),，改裝車的行駛穩(wěn)定性與一般自行車無異，從而否定了陀螺效應(yīng)觀點(diǎn),。腳輪效應(yīng)能使前輪的支承力產(chǎn)生對(duì)前叉轉(zhuǎn)軸的力矩,，推動(dòng)前叉朝傾斜方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使離心力效應(yīng)的穩(wěn)定作用自動(dòng)實(shí)現(xiàn),。 瓊斯計(jì)算了前叉點(diǎn)與自行車的傾斜角和前輪偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系,，他稱之為“駕駛幾何”。國(guó)內(nèi)相關(guān)專家指出：“當(dāng)行駛的自行車有一個(gè)傾斜角時(shí),，自行車的前輪由于有‘前輪尾跡’的緣故,，會(huì)自動(dòng)向傾斜的一側(cè)產(chǎn)生一個(gè)偏轉(zhuǎn)角，由于有這個(gè)偏轉(zhuǎn)角,，自行車靠轉(zhuǎn)彎的離心力便會(huì)扶正,。因此即使沒有人駕駛，在一定的速度之下,，直行的自行車,，運(yùn)動(dòng)也是穩(wěn)定的,�,！� : y! q' j& C0 @2 S6 K) u f+ T
可能性之四：多重效應(yīng)綜合作用 陀螺效應(yīng)、腳輪效應(yīng)和自行車前部重心位置這 3 點(diǎn),，雖然不會(huì)各自對(duì)平衡力起決定性作用,，但可能三者有一股微妙的交互關(guān)聯(lián),，影響自行車的平衡力。 2011 年,，《科學(xué)》雜志刊登了一篇名為《一輛自行車可以不借助陀螺或腳輪效應(yīng)而保持平衡》的論文,，文中荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)的研究者們否定了維持自行車穩(wěn)定的陀螺效應(yīng)和腳輪效應(yīng)。 他們?cè)O(shè)計(jì)了一輛沒有陀螺或腳輪效應(yīng)的自行車,。這輛車包含了車身,、前叉和前后輪等自行車必備的元素，但其結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單,。車身和前叉簡(jiǎn)化成各自帶有集中質(zhì)量的直桿,，前叉轉(zhuǎn)軸接近垂直，前后車輪很小,，且利用反向旋轉(zhuǎn)的副車輪徹底消除了陀螺效應(yīng),，同時(shí)，前輪的觸地點(diǎn)比駕駛軸略微提前了一點(diǎn),，使得輪腳作用幾乎為負(fù),。 在荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)的停車場(chǎng)和籃球館，研究者們以每小時(shí) 8 千米的速度把這輛小車向外推了出去,，它自己行駛了相當(dāng)長(zhǎng)的距離,，如同任何一輛傳統(tǒng)自行車一樣，它能夠平衡自己,。研究者甚至還在自行車自我行駛過程中略微推了它一下,，很快這輛小車又自己調(diào)整到直線軌道。參與研究者瑞納說：“沒人知道這是為什么,�,！痹摯髮W(xué)的另一名科學(xué)家阿諾德•舒瓦特說：“這輛自行車證明，自我平衡還無法用任何簡(jiǎn)單的詞來解釋,�,！� 除了否定陀螺和腳輪效應(yīng)的關(guān)鍵性之外，他們的實(shí)驗(yàn)還顯示,，自行車重量分布可能對(duì)平衡起到很大的作用,，特別是自行車前部重量中心的位置，可能極大影響了自行車穩(wěn)定性,。 ) A/ p- Z7 x# f
雖然科學(xué)家依然沒有得出自行車穩(wěn)定性的確切解釋,，但是至少他們得到了一些啟發(fā)——陀螺效應(yīng)、腳輪效應(yīng)和自行車前部重心位置這 3 點(diǎn),，雖然不會(huì)各自對(duì)平衡力起決定性作用,，但可能三者有一股微妙的交互關(guān)聯(lián)，影響自行車的平衡力,。 那么,，兩個(gè)輪子一個(gè)架子,，構(gòu)造如此簡(jiǎn)單的自行車，為什么想要弄清其穩(wěn)定性的問題這么難呢,？一些研究人員認(rèn)為,，要想理解自行車為什么不倒，不只是要考慮力學(xué)問題,，也許還要考慮腦科學(xué),。人類能用很復(fù)雜但卻很直觀的方式使得自行車保持穩(wěn)定，例如在非常低的速度下,，我們很容易就意識(shí)到,，扭轉(zhuǎn)車把沒多大用處，相反我們會(huì)通過膝蓋運(yùn)動(dòng)來操控自行車,。但是人們?yōu)槭裁磿?huì)這么做,，沒人知道，也許自行車的謎團(tuán)將會(huì)繼續(xù)困擾我們,。 5 A5 B; u7 _% G2 z6 N9 e3 P
網(wǎng)友評(píng)論： 4 h% n% M3 T, d1 E$ ?! G8 l; B1 y/ o
@翱翔 慣性拖帶,，當(dāng)摩擦，阻力大時(shí),，方向,，速度會(huì)變。
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6 G0 P* [7 L" f- s# a |& `$ Q 騎自行倒不倒由屁股決定,，屁股壓住三角架,，三角架前叉結(jié)點(diǎn)與前輪軸心組合成前輪擺動(dòng)軸線，與前輪軸心與輪胎接地點(diǎn)垂直線形成夾角,，一個(gè)勾股弦結(jié)構(gòu)出現(xiàn),，短邊叫做勾的那一小段在地面上形成另一個(gè)更小的勾股弦三角形的弦，當(dāng)車輪行駛中有側(cè)傾時(shí),，其勾的長(zhǎng)度與車輪的摩擦力形成回正力矩,，車速越快力越大，偏得越厲害矩越長(zhǎng),，只要你調(diào)正屁股協(xié)助糾偏即可,，即使雙手脫把也不怕。 , k* t w- `0 r* d2 @" _% c
@笠翁" z. O. Y/ b* z, U
簡(jiǎn)單的騎行工具,，卻有復(fù)雜的平衡原理,。值得有關(guān)專家研究。 $ @: I) j: q" o) ~) _0 |
@Megarage 自行車和摩托車真是太調(diào)皮了,，就算解決了兩輪行駛問題,，還有無數(shù)大神總是能玩出讓人瞠目結(jié)舌的各種違反重力原理的花式
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發(fā)表于 2018-7-16 09:05:49
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