
自行车在前进时不会倒下,静止时却很难站住,这是为什么呢?
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”的变动,但整个人车系统是保持“微变速”平衡的。
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渡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。
人推车时也是一个“微变速运动”
自行车行驶时车轮转动,获得一个向左的比较大的角动量,当外力矩不为零的时候,角动量当然会随之改变。但是由于通常外力矩增量的模远小于自行车固有的角动量,所以表现出类似于进动的行为另一方面,当自行车静止的时候,角动量为零,这时一旦受到外力矩,就直接倒下了,其运动方程由重力矩和绕车轮底部定点的转动惯量决定。
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。
自行车本身的平衡机制
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。