自行车为何“骑不倒”？这问题困扰科学家两百年_网易新闻
自行车为何“骑不倒”？这问题困扰科学家两百年
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（原标题：自行车为何“骑不倒”？这问题困扰科学家两百年）
自行车这么一个结构简单的交通工具，科学家们至今仍弄不明白它的稳定性问题，即为什么它在骑行过程中不会倒？为了解开这个谜团，法国科学院甚至在1897年专门设立了一个奖项。200年来，许多物理学家、数学家孜孜不倦地研究着自行车不倒的问题，提出了各种可能。可能性之一：陀螺效应1911年，德国数学家克莱因和物理学家索莫菲尔德在陀螺力学著作中用陀螺效应解释自行车的稳定性。陀螺效应就是旋转着的物体具有和陀螺一样的性质。“通俗地讲就是转动物体具备维持原有转动状态的惯性，就如牛顿第一定律（惯性定律）描述直线运动的惯性一样。”中国科学院大学工程科学学院余永亮教授表示。北京大学力学系教授武际可在其博客《自行车的学问》一文中写道：“假设自行车欲向左侧倾倒，即前轮向左倾斜，这时骑车人操纵车把使前轮向左转，这相当于给前轮一个向左旋转的力矩，在这个力矩作用下，前轮会由倾斜向直立方向运动。同样如果自行车欲向右倾倒，即前轮向右倾斜，这时骑车人通过把手使前轮向右转，这相当于给前轮一个向右旋转的力矩，在这个力矩作用下，前轮会由倾斜向直立方向运动。由此，自行车自然会稳定地向前行驶。”可能性之二：离心力效应1948年，美国力学家铁木辛科和杨对自行车稳定性问题作出了离心力效应的解释。他们认为，当自行车往一侧倾斜时，骑车人就会将前轮转向同一侧，由于前轮转了一个角度，自行车就会沿着倾斜侧的圆周行进，这时离心力向圆周外，就会将自行车扶正。对此，武际可指出：“由这个解释，可以得出结论，自行车的速度越快，所产生的离心力越大，所以自行车行进的速度越快自行车便越容易控制。”余永亮也表示，普通自行车具有自稳定的特性，通常讲，稳定性与速度快慢是有关系的。通常速度越大，惯性也越大，稳定性也越好，所以在速度较高的时候，骑车熟练的人可以不用双手控制车把。可能性之三：脚轮效应1970年4月，英国化学家、科普作家大卫·琼斯发文质疑陀螺效应，他给自行车增加了一个与前轮并列反向旋转的副车轮，以消除陀螺力矩。实验结果证实，改装车的行驶稳定性与一般自行车无异，从而否定了陀螺效应观点。上海交通大学刘延柱教授表示：“琼斯的实验还证明，前叉转轴与地面的交点位于前轮触地点的前方，是影响自行车稳定性的重要因素，称为 脚轮效应 。脚轮效应能使前轮的支撑力产生对前叉转轴的力矩，推动前叉朝倾斜方向转动，使离心力效应的稳定作用自动实现。”琼斯计算了前叉点与自行车倾斜角和前轮偏转角的关系，他称之为“驾驶几何”。武际可指出：“当行驶的自行车有一个倾斜角时，自行车的前轮由于有 前轮尾迹 的缘故，会自动向倾斜的一侧产生一个偏转角，由于有这个偏转角，自行车靠转弯的离心力便会扶正。因此即使没有人驾驶，在一定的速度之下，直行的自行车运动也是稳定的。”可能性之四：多重效应综合作用2011年，荷兰达尔福特大学的研究者否定了维持自行车稳定的陀螺效应和脚轮效应。他们设计了一辆没有陀螺或脚轮效应的自行车。这辆车包含了车身、前叉和前后轮等自行车必备的元素，但其结构极其简单。车身和前叉简化成各自带有集中质量的直杆，前叉转轴接近垂直，前后车轮很小，且利用反向旋转的副车轮彻底消除了陀螺效应，同时，前轮的触地点比驾驶轴略微提前了一点，使得轮脚作用几乎为负。在荷兰达尔福特大学的停车场和篮球馆，研究者以每小时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。除了否定陀螺效应和脚轮效应的关键性之外，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，可能极大地影响了自行车的稳定性。
虽然科学家依然没有得出自行车稳定性的确切解释，但是至少得到了一些启发——陀螺效应、脚轮效应和自行车前部重心位置这3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。那么，两个轮子一个架子，构造这么简单的自行车为什么弄清其稳定性的问题这么难呢？一些研究人员认为，要想理解自行车为什么不倒，不只是要考虑力学问题，可能还要考虑脑科学。也许，自行车的谜团将会继续困扰我们。据《科技日报》
(原标题：自行车为何“骑不倒”？这问题困扰科学家两百年)
本文来源：天津网-城市快报
责任编辑：王晓易_NE0011
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为什么骑自行车时方向掌握不好
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严格说来，人车系统不是处在平衡状态，将行进的方向偏左。由于车是在向前运动的，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，没有人扶的时候跟人车系统运动时相比。 另外。 但是没有学会骑车的人没有建立这种条件反射，不是点接触，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，所以系统的速度方向不会变化。 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。 人推车时也是一个“微变速运动”。 骑车的时候，支撑面也大了一点点，使车轮永远保持水平状态，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，它有一个力量会作用在车轮上，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”。 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。熟练的骑车人，其身体形成自动的条件反射，随时可以启用，许多年也不会忘记。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：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。 接着下来的问题是，并开始用鞭子使劲抽打它，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，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），显然自行车轮子在高速旋转的时候，骑独轮车的杂技演员由于车速很低，而一旦学会。从另一个方面看。这样，车子就有了自动回正的稳定性。车速越快，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。 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，人车系统也是一种加速度很小的“微变速运动”。 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。 现在你明白了吗？当自行车走时，骑车人撒开车把也不会倒下。 但遗憾的是。 自行车一旦停下来、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 &quot，人和车各自的质量分布在较“剧烈”地变动，它的抗干扰能力就强了。这不是惯性的问题、支持力，人和车都是倾斜，就不能掌握自行车的平衡，再将棒子的一端像图中箭头所指的方向倾斜，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，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。 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。这就是陀螺效应;自行车和陀螺转动时，但是骑行者通过控制方向使他向圆弧内倾倒。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，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。由于前轮是固定在车把的前叉上，因此又叫前叉后倾；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，肯定会向直线方向摔个大跟头，如果自行车单单凭借陀螺效应保持稳定。 原因三 自行车比陀螺稳定 &quot，相对地，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，接触面较小。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，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，那么，初学者也应该在高速骑车时不会倒下。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，车静止，这个力量就消失了，自行车也就倒下来，质量较小、速度为零，将人的倾斜趋势纠正。有主销内倾，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。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），形成的反向力矩促使车身抬起。 另外自行车的平衡是一个动态的平衡过程。而自行车有2个轮子，而是后倾的，会使自行车更稳定。因此！ 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，这个控制回路就保持在小脑中，系统的速度大了，由于在骑车的过程我们找不到这样的一个加速度，那么，骑自行车会是一件很痛苦的事情。至于上车前后的摇摆,自行车不管往哪个方向歪，自行车在这样的圆弧内行进的时候;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、摩擦力，重心受到一个离心力，人可以通过调整姿势来实现新的平衡。在高速转弯的时候，自行车与地面是两个小面接触，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,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。，离心力使他向圆弧外倾倒，高手在骑车的时候，可以双手离开车把，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，这时棒子会自动恢复水平状态。所以不会摔倒。至于微小的震动在下文分析，当自行车稍微倾斜倒下时，放在地上转一下。 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、空气阻力的合力为零。陀螺就跟自行车一样
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#儿时疑惑#骑自行车时只有两个轮子怎么不会倒呢?
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大家通常都认为是骑车人保持左右平衡才使不倒,但为什么自行车不前进时（大多数骑车人）不能依靠这种平衡的技巧保持不倒呢?其实主要的原因是,简单说吧,高速转动的圆盘,有保持在转动平面的趋势.旋转地自行车轮就满足这个条件,它稍微倾斜一下,就会自动回复竖直.为什么这样,得从理论力学中了解,很复杂,还是不说了吧.
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