自行车平衡原因太复杂

laodongbeiren · 发表于 2011-6-20 09:50:50

本帖最后由 laodongbeiren 于 2011-6-20 11:06 编辑

自行车为什么能平衡地前进呢？这看似无比简单。
车头是大部分人调整自行车的工具。骑自行车时，人们会随时调整车头，一旦车子看着要往某边倾斜，我们便会调整车头让其重新回到轨道上来。

但也有人可以潇洒地不扶车把骑车，他们利用身体的倾斜度调整来控制自行车的平衡。

不过，哪怕没有人骑，自行车自己也可以调整平衡：把一辆自行车推一下，它会自动向前行驶一段路，直到倒下，这个过程被称为“自我平衡”或“自我稳固”。这个特征，曾经在过去的一百多年中困惑了很多人。

“为什么自行车会在需要的时刻自己掌舵，我们目前还没有简单的物理学解释。”研究论文中写道。

不过，这群把物理天赋用在自行车而不是宇宙大爆炸上的物理学家们，还是找到了一些研究线索。虽然我们还是不知道自行车到底怎么保持自我平衡，但至少他们把原因缩小到几个方面。
利用仿生学的自行车，可根据人体高度自行调节。

对于自行车的自我平衡能力，目前有不同的解释。

在获过诺贝尔奖提名的物理学家阿诺德·索菲尔德参加的一篇研究论文中提到，自行车能够自我平衡是类似“陀螺”的一种表现。陀螺会产生自旋，随着能量消减而停下来，自行车也有同样的作用。陀螺仪作用在导航定位系统中起了很大的作用，而阿诺德等人也认为，在自行车的平衡力上，陀螺也发挥了关键作用。

此外，一些科学家认为，自行车主要是由于“轮脚作用”而能够保持一定程度上的平衡。所谓“轮脚”作用，即自行车的前轮可以像超市购物车的前轮一样起到方向控制作用。
不过，在这次新的研究中，这群自行车科学家们则提出，自行车可以既不像陀螺，又不像超市购物车前轮那样实现自我平衡。此前的理论并不一定适用，很多依此增加了车轮陀螺作用或主动驾驶能力的自行车，稳定性并没有增加多少，而且一旦速度提高，就失去了陀螺效应，反而平衡能力减少。

可折叠轻便自行车，可折叠到车轮大小。

为了证明这点，这群科学家们从反常规入手，设计了一辆排除了陀螺或轮脚作用的自行车。

这辆自行车只带两个小轮，最大限度地减少了车轮的自旋转动量。为了进一步减少陀螺效应，他们还给自行车前轮增加了反自旋轮，用相反方向的旋转消减车轮的自旋。而两个轮胎的设计类似冰鞋，前轮的触地点比驾驶轴略微提前了一点，使得轮脚作用几乎为负。

“虽然我们的实验车看上去像是辆折叠踏板车，但它依然是一辆自行车，带两轮，两个车轮架，三个轴。”研究者写道。
在荷兰达尔福特大学的停车场和篮球馆，这群科学家以每小时8千米的速度把这辆小车向外推了出去，它自己行驶了相当长的距离，如同任何一辆传统自行车一样，它能够平衡自己。研究者甚至还在自行车自我行驶过程中略微推了它一下，很快，这辆小车又自己调整到直线轨道。“没人知道这是为什么。”参与研究者瑞纳说。

“这辆自行车证明，自我平衡还无法用任何简单的词来解释。”另一名达尔福特大学的科学家阿诺德·舒瓦特在展示视频中说道。

科学家用作试验的排除陀螺或轮脚作用的自行车，样子像个折叠踏板车。

除了否定陀螺和轮脚作用的关键性之外，他们的实验还显示，自行车重量分布可能对平衡起到很大的作用，特别是自行车前部重量中心的位置，可能极大影响了自行车稳定性。

虽然科学家依然没有得出自行车的完美数学公式，但是，至少他们得到了一些启发——陀螺、轮脚作用和自行车前部重心位置这三点，虽然不会各自对平衡力起决定性作用，但可能三者有一股微妙的交互关联，影响自行车的平衡力。研究论文中提到，他们发现当对这三点调整失误后，反而会令自行车更为不稳定。

研究者还提到，决定一辆自行车的稳定性还有其他很多因素，比如驾驶轴的几何原理，两轮之间的距离或更重要的车体重量分布。
“自行车演化到今天，都是现行常规的设计，但在设计空间上，还有很多地方有着开发潜能。”论文中写道。这群科学家，希望自己的理论研究，能让人们打开思路。

虽然在一个多世纪中，人们尝试着给自行车写出一道完美的力学公式却没能如愿，但是，或许只有懂点数学，才能造出更好的自行车

狼822 · 发表于 2011-6-20 10:47:17

这个……有点意思

laodongbeiren · 发表于 2011-6-20 11:05:28

以每小时8千米的速度把这辆小车向外推了出去，它自己行驶了相当长的距离，如同任何一辆传统自行车一样，它能够平衡自己。研究者甚至还在自行车自我行驶过程中略微推了它一下，很快，这辆小车又自己调整到直线轨道

我以为-------------前叉的倾角使的自行车具有自稳定性（类似碗里的球体一样），汽车的前轮也有类似的倾角，作用也相仿：能自动扶正方向盘（回轮）。怎么用数学来表达？请楼下来做吧

inspira · 发表于 2011-6-20 12:05:35

自行车的平衡是由其力矩组成的一个平衡，很多学者对这方面做过分析，下次给大家传几个典型的自行车力矩分析看看

linda112 · 发表于 2011-6-21 21:27:57

启发很大的文章。

wangfugen85 · 发表于 2011-7-2 22:54:56

哈哈。没有什么准确的定义

老屈 · 发表于 2011-7-8 16:13:14

自行车本身的平衡不具备持久性，因为速度在降低。只有维持一定的速度才会进行下去。
我理解的平衡一个静止一个是匀速。

ciker · 发表于 2012-2-20 16:05:35

这么简单的问题还用得到科学家？骑手保持平衡主要靠两个原理：
1，离心力原理，不用解释吧；
2，重心主动调整，两个轮子跟地面的两个切点与重心在地面的投影形成一个三角形，调整龙头就是调整重心位于两个切点连线的左侧还是右侧。
陀螺效应以及头管倾角和漂移量都只是辅助作用。

wangnanxiang · 发表于 2012-2-22 20:10:30

很深奥，

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