自行車只要騎起來,就不會倒下,這是什麼原理?

2020-12-23 奇點使者

近些年來,隨著氣候變暖效應越來越嚴重、城市空氣汙染越來越明顯,世界上許多國家都開始大力發展新能源產業,例如興建新能源發電站、推廣新能源汽車。與此同時,許多環保主義者也在用行動響應號召,例如最近幾年重新活躍起來的「單車熱潮」。在上個世紀八十年代,中國被稱為單車大國,因為那時候大街上隨處可見的都是單車。

騎單車具有多種益處,對於騎車者來說,他既能達到移動的目的,又能鍛鍊身體。對於自然環境來說,人類減少了碳排放的機會。那麼世界上第一輛自行車是怎麼誕生的呢?根據歷史記載,人類歷史上第一輛單車出現在18世紀90年代的法國,當時一位名叫希夫拉克的法國人走在巴黎的一條大道上,結果被迎面駛來的馬車濺了一身泥水。

這如果是一般人的話,一定會上前攔住馬車進行一番理論,或者破口大罵後無奈地走開,但是希夫拉克是一個喜歡思考的人,他被泥水濺到後並沒有罵罵咧咧,也沒有攔住馬車,而是停下來思考了一番,然後說:「既然道路比較擁擠,路上行人又那麼多,為什麼沒有一種工具像馬車那樣讓一個人坐上去後速度更快呢?

於是他回到家後開始動手設計,指導思想是將馬車的四個輪子變為兩個輪子,於是第一代單車就出現了。如下圖所示,那時候的單車十分簡陋,就是前後兩個輪子加中間一條杆作為連接,而座位還是安放在連接杆上的。同時我們可以發現,這輛單車並沒有鏈條傳動前輪,因此希夫拉克在對他的發明進行試驗的時候,發現需要很費力用腳蹬地面才會向前。

在希夫拉克之後有人對單車進行了改造,將鏈條應用到單車上,這才讓單車有了省力的特點。但是騎單車這件事還有一個謎題至今未有準確的結論,那就是為什麼騎上單車後不會輕易地往一邊倒。一般人會認為這和騎行者對單車的掌控有關,越熟練的人騎單車越不容易左搖右擺。但究其根本,是各種力的平衡在發揮作用。

對此曾有科學家對自行車的騎行不偏倚進行研究,提出了離心力效應的說法。該說法指出,單車在無人操作、不打腳架的情況下一定會向一邊倒,而在騎行的過程中騎行者會發力讓單車往自然偏倒的另一半倒,直到這兩股方向相反的力達成平衡為止。這個過程就如同各大行星圍繞太陽做公轉運動,但又不會甩出太陽系的原理是類似的。

還有說法認為,單車的平衡涉及到的不僅僅是騎行者的操控力和單車的重力偏向,還涉及了摩擦力、腳蹬力等多種不同方向和大小的力。當這些力的合力抵消時,單車才能保持不偏不倚的狀態。沒想到平日裡最常見的騎單車竟然蘊藏著如此多的物理原理,這可謂活到老,學到老。

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