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自行车的稳定性这件事,并不像我们看上去那么容易

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时间:2019/6/6 9:02:31来源:未知 作者: 点击:418次
  


还记得我们小时候学自行车的时候吗?在无数次摔倒后,我们终于掌握了当时看来很厉害的技能,我们兴奋激动,并且经常迫不及待地想向我们的朋友展示我们自行车的掏骑技巧。骑自行车很容易,但是我们有没有想过自行车是怎样保持稳定的?

自行车的自我稳定简直就是一个物理学上的奇迹。一个两轮装置能够保持稳定,甚至可以调整稳定性,从而达到平衡,甚至在无人驾驶的情况下实现平衡,这种想法几乎就像一种魔法。杰出的作家和未来学家亚·C·克拉克先生有句名言,先进的技术模糊了现实和魔法之间的界限。

任何足够先进的技术都无法与魔法区分开来。克拉克的三条定律。


图中的自行车虽然简单,但已经经历了很长的历程。19世纪60年代的无橡胶轮胎的老式自行车,由于车身和轮胎都是铁做的,所以当你骑这种车的自行车的时候,会有一种我无法描述的体验,反正我不建议男同学骑,至于为什么?我相信你会同意我的建议,随着时间的推移,制造自行车的技术现在已经足够先进了。

自行车能保持直立的原因有一些假设。其中之一就是陀螺效应。

陀螺仪是一个固定在轴上的金属轮子,轮子和轴的组合固定在一个金属框架上,轮子可以自由旋转。当轮子静止时,任何试图使陀螺仪直立的尝试都会失败。但如果你旋转轮子,就会发现一个现象,正如下图所示,它会自由地站立和旋转。


只要中间的轮子旋转,陀螺仪就会继续直立旋转,甚至会抵抗任何方向上的改变。如果你用一根线把陀螺仪的一端提起来,另一端就会看起来像被一只看不见的手握住一样也能保持稳定。快速旋转的自行车轮子,或大多数绕轴旋转的轮子,表现得都像一个陀螺仪。

旋转的自行车车轮中存在角动量,角动量是自行车转速和质量分布的内在特征,包括车轮的质量。如果你看一下不同的自行车设计,你会发现轮毂周围有集中的质量分布。这种设计是为了在任何特定速度下增加角动量。


陀螺仪保持其位置稳定的能力,使其成为飞机和太空探索飞行器中的导航工具。简单地说,自行车轮子上的这种陀螺仪效应确保了一个旋转的轮子保持旋转,并保持其旋转轴的位置。

认为是陀螺效应使自行车不会翻倒的学派漏掉了一个事实。陀螺仪效果可能对骑摩托车的人有用,因为他们的车轮又重又快,但老年人晚上骑自行车出去散步时,起的特慢,可能几乎没有什么陀螺仪效果,而且自行车车轮的重量也很轻,也提供不了轮轴的稳定性。

如果你也检查一下你在学习骑自行车时有多少伤,你会意识到剩下的陀螺效应,你所需要的就是推着自行车跳起来,走上你快乐的路。

关于自行车能保持稳定的第二个原因的是脚轮效应。


角度θ表示后倾角。它以度数表示,并显示车轮垂直轴(用灰色垂直线表示)与转向轴(用红色虚线表示)之间存在的角位移。如果转向轴(红色虚线)从自行车(机器)后部向前倾斜,则后倾角θ为正值;如果转向轴从自行车或机器前部向后倾斜,则后倾角θ为负值。

脚轮效应有助于在我们在超市中拖动购物车时自动对齐或重新定位方向。注意轮子是如何通过重新定向到新的运动来跟随方向的变化的。这个现象下次我们去超市推下购物车就能观察到,两个轮子总是试图保持在同一条直线上。在自行车上,即使方向发生变化,车轮也能始终在骑手的下方对齐。

但是,荷兰代尔夫特理工大学的自行车动力学专家阿伦德施瓦布(ArendL.Schwab)已经指出,这两种现象并不是自行车自我稳定所必须的。研究人员在2011年发表了一篇科学论文,题为“自行车可以在没有陀螺或脚轮效应的情况下自我稳定”。这篇论文证明了这两种效应对自行车的稳定性是不必要的,因为他们设计了一款无人驾驶的自行车,它既缺乏自我控制的特性,甚至在运动时还会自动修正自己。

在他们的研究中,他们发现其他各种设计参数,如质量分布、转向倾斜轴,都以复杂的方式影响稳定性。到目前未知这仍然是一项正在研究的工作。


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