Question

为什么自行车两个轮子行走时不往一边倒？

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。 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 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。 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。