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这个问题困惑科学家两百年了:自行车骑行为何不倒

来源:http://www.ylptc.com编辑:普通网-关注IT业界资讯 人气: 发布时间:2019-07-06
摘要:现在,大街小巷随处可见的生怕要数种种颜色的共享单车了,这些由简朴支架、两个轮子和两个脚踏组成的最简朴的交通工具,为人们的出行带来了极大便利。迈腿、上车、蹬起、走你——随着车轮飞转,骑车人或轻轻调整车把,或身体左右轻晃,把个小小的自行车骑得行
现在,大街小巷随处可见的生怕要数种种颜色的共享单车了,这些由简朴支架、两个轮子和两个脚踏组成的最简朴的交通工具,为人们的出行带来了极大便利。迈腿、上车、蹬起、走你——随着车轮飞转,骑车人或轻轻调整车把,或身体左右轻晃,把个小小的自行车骑得行云流水一样平常。
(原题目:“骑不倒”的自行车 疑心科学家两百年了)
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本报记者 陆成宽
自行车骑得虽爽,可是研究自行车的科学家们却有些“不爽”。由于这么一个结构简朴的交通工具,时至今日却仍弄不明确它的稳固性问题,即为什么它在骑行历程中不会倒?不仅云云,当人们在平地上把一辆自行车推行到一定速率后撒手,自行车也会无控制地稳固前行一段,纵然中途扰动一下,它也能够恢复稳固。
为解开这个谜团法国科学院甚至在1897年还专门设立了一个奖项。200年来,许多物理学家、数学家孜孜不倦地研究着自行车不倒的问题,以期追求一个合理的诠释,他们揭晓了近百篇文献,提出了种种可能。
可能性之一:陀螺效应
自行车前轮转动时,它的离心力会资助保持自身平衡,就像抽动旋转的陀螺时,陀螺会围绕着它的轴保持旋转偏向的惯性一样。
在对自行车稳固性的诠释中影响比力大的一种说法是自行车前轮的陀螺效应,以至于在许多通俗读物中都以这种看法来诠释自行车的稳固性。
1911年,德国数学家克莱因和物理学家索莫菲尔德在陀螺力学着作中用陀螺效应诠释自行车的稳固性。陀螺效应就是旋转着的物体具有和陀螺一样的性子。“通俗地讲就是转动物体具备维持原有转动状态的惯性,就如牛顿第一定律(惯性定律)形貌直线运动的惯性一样。”8月2日,中国科学院大学工程科学学院余永亮教授告诉科技日报记者。
物体转动时,它的离心力会资助保持自身平衡,就像抽动旋转的陀螺时,陀螺会围绕着它的轴保持旋转偏向的惯性一样。
北京大学力学系教授武际可在其博客《自行车的学问》一文中写道:“对于陀螺效应自行车稳固性的诠释,我们简要地来做说明。你拿一枚硬币,让它在平面上转动,若是起始时刻让它略微倾斜,例如说倾向左侧,你就会发现,它会向倾斜的这方拐弯,当倾斜角变得愈大时,拐弯的曲率也愈大,最后到倾倒为止。”同样可以类比在行进的自行车,“假设自行车欲向左侧倾倒,即前轮向左倾斜,这时骑车人利用车把使前轮向左转,这相当于给前轮一个向左旋转的力矩,在这个力矩作用下,前轮会由倾斜向直立偏向运动。同样若是自行车欲向右倾倒,即前轮向右倾斜,这时骑车人通过把手使前轮向右转,这相当于给前轮一个向右旋转的力矩,在这个力矩作用下,前轮会由倾斜向直立偏向运动。由此,自行车自然会稳固地向前行驶。”
可能性之二:离心力效应
当自行车往一侧倾斜时,骑车人就会将前轮转向统一侧,由于前轮转了一个角度,自行车就会沿着倾斜侧的圆周行进,这时离心力向圆周外,就会将自行车扶正。
1948年,美国力学家铁木辛科和杨在他们所着的《高等动力学》一书中,对自行车稳固性问题作出了离心力效应的诠释。他们以为,当自行车往一侧倾斜时,骑车人就会将前轮转向统一侧,由于前轮转了一个角度,自行车就会沿着倾斜侧的圆周行进,这时离心力向圆周外,就会将自行车扶正。
对此,武际可指出:“由这个诠释,可以得出结论,自行车的速率越快,所发生的离心力便越大。以是自行车行进的速率越快自行车便越容易控制。”
余永亮也表现,通俗自行车具有自稳固的特征,通常讲,稳固性与速率快慢是有关系的。通常速率越大,惯性也越大,稳固性也越好,以是在速率较高的时间,骑车熟练的人可以不用双手控制车把。
可能性之三:脚轮效应
脚轮效应能使前轮的支承力发生对前叉转轴的力矩,推动前叉朝倾斜偏向转动,使离心力效应的稳固作用自动实现。
1970年4月,英国化学家、科普作家大卫·琼斯在《今日物理》上发文质疑陀螺效应,他给自行车增添了一个与前轮并列反向旋转的副车轮,以消除陀螺力矩。实验效果证实,改装车的行驶稳固性与一样平常自行车无异,从而否认了陀螺效应看法。
上海交通大学刘延柱教授揭晓在《力学与实践》上的《自稳固的无人自行车》一文中写道:“琼斯的实验还证实,前叉转轴与地面的交点位于前轮触所在的前方,是影响自行车稳固性的主要因素,称为‘脚轮效应’。脚轮效应能使前轮的支承力发生对前叉转轴的力矩,推动前叉朝倾斜偏向转动,使离心力效应的稳固作用自动实现。”
琼斯盘算了前叉点与自行车的倾斜角和前轮偏转角的关系,他称之为“驾驶几何”。武际可指出:“当行驶的自行车有一个倾斜角时,自行车的前轮由于有‘前轮尾迹’的缘故,会自动向倾斜的一侧发生一个偏转角,由于有这个偏转角,自行车靠转弯的离心力便会扶正。因此纵然没有人驾驶,在一定的速率之下,直行的自行车,运动也是稳固的。”
可能性之四:多重效应综互助用
陀螺效应、脚轮效应和自行车前部重心位置这3点,虽然不会各自对平衡力起决议性作用,但可能三者有一股玄妙的交互关联,影响自行车的平衡力。
2011年,《科学》杂志刊登了一篇名为《一辆自行车可以不借助陀螺或脚轮效应而保持平衡》的论文,文中荷兰达尔福特大学的研究者们否认了维持自行车稳固的陀螺效应和脚轮效应。
他们设计了一辆没有陀螺或脚轮效应的自行车。这辆车包罗了车身、前叉和前后轮等自行车必备的元素,但其结构极其简朴。车身和前叉简化成各自带有集中质量的直杆,前叉转轴靠近垂直,前后车轮很小,且使用反向旋转的副车轮彻底消除了陀螺效应,同时,前轮的触所在比驾驶轴略微提前了一点,使得轮脚作用险些为负。
在荷兰达尔福特大学的停车场和篮球馆,研究者们以每小时8千米的速率把这辆小车向外推了出去,它自己行驶了相当长的距离,犹如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历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。到场研究者瑞纳说:“没人知道这是为什么。”该大学的另一名科学家阿诺德·舒瓦特说:“这辆自行车证实,自我平衡还无法用任何简朴的词来诠释。”
除了否认陀螺和脚轮效应的要害性之外,他们的实验还显示,自行车重量漫衍可能对平衡起到很大的作用,特殊是自行车前部重量中央的位置,可能极大影响了自行车稳固性。
虽然科学家依然没有得出自行车稳固性简直切诠释,可是至少他们获得了一些启发——陀螺效应、脚轮效应和自行车前部重心位置这3点,虽然不会各自对平衡力起决议性作用,但可能三者有一股玄妙的交互关联,影响自行车的平衡力。
那么,两个轮子一个架子,结构这么简朴的自行车为什么弄清其稳固性的问题这么难呢?一些研究职员以为,要想明白自行车为什么不倒,不只是要思量力学问题,也许还要思量脑科学。人类能用很庞大但却很直观的方式使得自行车保持稳固,例如在很是低的速率下,我们很容易就意识到,扭转车把没多大用处,相反我们会通过膝盖运动来操控自行车。可是人们为什么会这么做,没人知道。也许自行车的谜团将会继续困扰我们。
标签:自行车(4)

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