Question

行进中的自行车为什么不倒?

Answer 1

一、车轮的转动，对“自行车不容易倒” 的作用不能忽略。 讨论中有一种意见认为，自行车不倒，是因为骑车的人在车产生倾斜时，下意识地把车把向倾斜方向转动，使车向倾斜方向作曲线运动，从而产生一个作用在整车重心上的离心力，这个离心力相对于地面支点的力矩而使车不倒。这个解释对自行车的“平动”是合理的。但这种观点却忽略了车轮转动的作用。那么，车轮的转动对自行车的不易倾倒到底有没有作用呢？我们设想，把车轮制动，让熟练的车手骑在上面，并想法使车轮与地面减少摩擦，使之易于滑动，然后用外加设备拖动自行车前进，且不妨碍 车手对车的操纵（这是完全做得到的）。我们可以肯定， 不管车手多么熟练，自行车都会很快倒下。因为这时缺 少了车轮转动所起的稳定作用。 二、车轮转动为什么可以使自行车不容易倒？ 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。 如右图所示，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。 三、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。 四、“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

Answer 2

行进中的自行车不倒的原因：具有一定速度转动的物体，都有一种能保持转动轴方向不变的能力，使它们不向两侧倒。
分析：
骑车时是在前进的方向上给自行车一个力，使车轮转动起来，车轮就能保持一定的平衡状态，再利用车把调节一下平衡，自行车就可以往前走了。可是一停下来，车子就会因失去平衡倒下来。

Answer 3

这个问题存在争议，并未有统一公认无争议的说法。（仅供参考）

Answer 4

行人或者自行车或者人力独轮车在完全无摩擦的表面无论有无初速度的，仅依靠自身的任何动作都无法改变整体的水平动量值，表现为即使是倒地过程（因为有重力和地面支持力的作用垂直动量值可以改变）也无法改变重心在水平面垂点位置，即静止的时候仅依靠自身的任何动作都无法改变重心在水平面垂点位置（在重力和地面支持力的共同作用下是可以倾斜和可以倒地的,却不会改变重心在水平面垂点位置）。
在摩擦系数很大的表面，在脚轮效应控制下自行车倾斜做圆周运动的时候，离心力分力产生的旋转力矩小于重力分力产生的相反旋转力矩时，自行车继续倾斜，离心力分力产生的旋转力矩会延长倾斜时间，部分抵消重力分力产生的相反旋转力矩。如果离心力分力产生的旋转力矩（直行时没有离心力分力产生旋转力矩）大于重力分力产生的相反旋转力矩，自行车就被扶正。自行车被离心力分力产生旋转力矩扶正的状态下就无法继续向倾斜方向做转向运动，这时根据骑行目标如果要求继续向倾斜方向做转向运动, （在实际骑摩托车时，时速8千米及以上速度时转弯是常见动作）骑行者就必须主观主动控制外力（实际是摩擦力大小）才可以实现继续转向运动（只有水平外力不为零才能改变水平动量大小）（这时自我平衡是有利于保持平衡，却是不利于骑行目标的实现，为了实现骑行目标就必须打破自我平衡），如果自行车速度很大直接转动车把手做转向运动时（在学会骑自行车之前会做这样动作），离心力同样很大，骑行者有可能会被离心力甩出去，这样的现象在机动车高速转弯时是可以见到。通过观察和力学分析实际骑行时在自行车速度很大做转向运动时，离心力同样很大，骑行者是利用速度不能跃变通过提前向转弯方向倾斜身体加大重力的分力产生更大的旋转力矩抵消随后转弯时（减小圆周半径）离心力分力产生的相反旋转力矩，过程中骑行者主观能动性起到关键作用（心理过程是内隐的，是心理学研究的重点内容）。如果抵消失败骑行者就有可能跌到或者被离心力甩出去。
人力独轮车或自行车自我平衡功能（比如陀螺效应）虽然有时是有利于平衡的保持，骑行者骑人力独轮车或自行车是为了实现主观的骑行目标，人力独轮车或自行车自我平衡的保持结果和骑行者主观骑行目标相同的很少，在平衡的保持结果和骑行者主观骑行目标冲突时就需要打破人力独轮车或自行车自我平衡功能，这时就必须依靠骑行者（或者AI智能系统）的主动控制作用，所以在人力独轮车或自行车骑行中骑行者（或者AI智能系统）的主动控制作用很重要。

物理学原理分析如下图，可以用理论也可以用实践证实在水平方向360度范围内任意角度发生倾斜形成旋转失衡时如果得不到及时有效控制就会倾倒（因为速度不能跃变，段时间失衡是可以的，概率为百分之一百正确，因为在生活中也必须遵守物理学规律），在游戏过程中开始时旋转失衡倾斜方向可以是随机的，在游戏过程中成功控制过程是需遵循物理学定律和控制论逻辑。受物理学定律限制在确定时刻为了成功纠正转动失衡需要做出的水平加减速运动方向和大小一定不可以是随机的。实际是利用平动的变化（即平动加速度大小和方向的变化）时外力合力的作用方向不通过重心会产生力矩控制纠正转动失衡，在实际骑行中纠正完成过程一直存在却没有得到很好的认识（和内隐学习过程中人工语法的作用相同），自行车左右转动平衡的控制、平衡车前后转动平衡的控制、电动独轮车水平360度范围内转动平衡的控制、人力独轮车水平360度范围内转动平衡的控制都是利用这一技术。控制效果，动作过程都是一样的，仅仅是控制主体不同和控制范围不同（自行车在前后失衡前只需要控制左右转动平衡、人力独轮车需要控制360度范围内的转动平衡，四轮轿车和人力三轮车在任意方向失衡前不需要控制转动平衡），实际生活中学习骑自行车和人力独轮车过程就是对以上控制转动平衡技术掌握的过程（过程符合心理学中内隐定义）。纠正转动失衡过程中所需水平加减速运动方向和大小确定和实施过程是分析重点（对研究内隐的主观能动性很重要），借助物理学定律和控制论分析自行车和人力独轮车骑行过程，深入客观了解骑行者心理和行为过程。