为什么走起来,自行车就容易维持平衡是很容易解答的,根本就不是什么难题
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首先杂技演员就可以在静止的自行车上保持平衡,所以骑车人的主动调整才是自行车能维持平衡的决定性因素,我们所要讨论的问题应该只是为什么自行车走起来更容易保持平衡。
陀螺效应在维持自行车平衡中起主要作用是一个传播了很长时期的错误概念,如果自行车车轮的陀螺效应足够大,那么对控制自行车来说是很危险的。这一点是很容易用实验来证实的。用一个一拉就能高速旋转的陀螺玩具,转动起来之后顺着转动的方向让其滚动,就会发现陀螺立即就会开始扭动,和高速摩托车失控时的扭动极其相似。这就是陀螺进动效应的作用。所以自行车轮的陀螺效应是不可能做得很大的。当然,如果自行车永远是走直线,而且车轮的进动可以被和地面的摩擦力所限制,那么在车轮高速转动时是会提供一定抗倾斜力量的,这很可能就是有些运动员可以在滚筒上练骑行的原理,但控制平衡的难度应该比一般骑行高,而且和普通骑行的感觉应该是不一样的。
在路上有时可以看到一种轮子非常粗的自行车,平衡应该会容易一些,但转弯肯定不方便,做高速转弯时车轮的进动效应估计会引起问题。
一般的走起来容易保持平衡和陀螺效应原则上没什么关系,最典型的例子是滑水冰,冰鞋上根本就没有轮子,但也是速度越慢越难保持平衡。
杂技演员定车时是依靠身体变形来调整重心来保持平衡的,而一般人大多是不行的(其实杂技演员在做定车表演时往往前轮是转到最大角度的,这也是为了增大支撑宽度的技巧)。
普通人骑自行车主要是依靠转弯产生的离心力来维持平衡的(车轮的陀螺效应在低速时应该很小),这比骑车人依靠身体变形来调整重心要容易的多,多数人都可以做到。具体来说,一旦车开始左倾,骑车人就会开始向左转弯,然后离心力就会使得车子向右倾。和所有控制环路的工作原理类似,这种反馈校正是不会在车子通过平衡点之后立即停止的,总会矫枉过正,使车子接着产生右倾的,这时车就会被控右转,车子就是在这种连续调整下保持平衡的。这也就是说,即使是在直行时,自行车实际上也总是在转弯的,只是由于这种校正的幅度是很小的,所以不专门注意就不会被察觉到而已。如想验证这一点,可以试试在骑车时一直压着路上一条直线骑行,就会发现那是很不容易做到的。人学骑车的过程其实就是掌握用转弯来控制平衡技巧的过程。
至于为什么这样容易保持平衡的原因是只要前行速度足够高,就很容易只做微小转弯便可产生足够大的离心力,这相当于使得控制环路增益被提高了。走钢丝的杂技演员手里往往都会有一根长棍子,这样微小的倾斜就会产生较大的重心偏移,也是为了提高控制环路增益的。
前轮后倾有助于保持平衡,其原理是一旦车子出现倾斜,则由于前轮后倾使得车子会自动向倾斜的那侧转向,而转向产生的离心力则和倾斜方向是相反的,这就减轻了骑车人调整平衡的负担,所以其实也是靠转弯来调整平衡的。前轮如果不后倾,保持平衡的难度会增大,但也不是不能骑,就像有的读者已经指出的那样,独轮车也是一旦走起来就容易保持平衡的,就是完全依靠骑车人主动转弯来做到的。
会骑自行车但没骑过三轮车的人往往在头一次骑三轮车的时候控制不住方向,其原因就是当车子有微小转向时,骑车人会本能地以为这是在维持平衡,因此不敢直接用手去修正转向。但习惯了以后就会发现其实骑三轮车比骑自行车要容易,没有平衡问题,方向偏了直接把龙头扳正就完了。
总之,对近代力学来说,为什么走起来自行车就容易维持平衡是很容易解答的,根本就不是什么难题,即使是对陀螺原理也是早已研究透透的了。这篇文章如果真是物理所写的那可真是有点丢脸了。