自行車為什麼可以平衡不倒,答案出乎意料

2020-12-06 EZ愛科學

今天苦惱了半天,不知道今天該寫什麼,一直想把相對論總結出幾篇科普文章出來,但是感覺自己才疏學淺不敢動筆。下午和媳婦在小區溜達,突然聽到了「啪啪啪」的聲音(不要想歪了!),我倆循聲而去,發現有一個老大爺在小區裡面抽陀螺(老家方言叫de(二聲)螺兒)。突然刨根問底攔不住的勁兒就來了,便和媳婦就討論起來。

「你知道為什麼陀螺不會倒麼?」

「不就是那個什麼陀螺原理麼,繞軸運動有個力矩什麼的……」

「算你說對了吧,那你知道自行車為什麼不倒麼?」

「應該就是受力造成的吧」

「你丫不廢話麼,受什麼力啊」

「摩擦力咯」

「自行車往前走,為什麼受橫向的摩擦力啊?」

「好好好,那你說是為什麼」

「額……其實我也說不清楚。好吧,那我去研究一下!」

抽陀螺應該是每個人小時候都玩過的遊戲,陀螺原理正是陀螺平衡不倒的奧秘。

陀螺在旋轉的時候,不但圍繞本身的軸線轉動,而且還圍繞一個垂直軸作錐形運動。也就是說,陀螺一面圍繞本身的軸線作「自轉」,一面圍繞垂直軸作「公轉」。陀螺圍繞自身軸線作「自轉」運動速度的快慢,決定著陀螺擺動角的大小。轉得越慢,擺動角越大,穩定性越差;轉得越快,擺動角越小,因而穩定性也就越好。陀螺高速自轉時,在重力偶作用下,不沿力偶方向翻倒,而繞著支點的垂直軸作圓錐運動的現象,就是陀螺原理。

回憶殺

自行車在18世紀初就有了,甚至更早,但是自行車保持平衡的原因已經困擾人類一個多世紀了。有很多數學家和物理學家前赴後繼的去研究這個問題,並且提出了很多自認為正確的見解,在了解這些見解之前我們需要明確一個問題:如何確定某個原理就是我們要找的決定自行車平衡性的原理呢?很簡單,如果在自行車上去掉這個原理自行車就不能保持平衡了,那麼這個原理就是自行車平衡性的終極奧秘了,反之,如果沒有這個原理,自行車仍然能保持平衡,則認為該原理無效。

陀螺原理,這是流傳最廣泛且最容易為人所接受的原理。我們上面已經介紹了陀螺原理,自行車的兩個輪子就相當於是橫著的陀螺,輪子的中間有一個很短的軸,輪子旋轉時由於陀螺原理可以讓輪子的中軸不偏離,從而保持了自行車的穩定。曳距,即車把到前輪中心的距離。當行駛的自行車有一個傾斜角時,自行車的前輪由於有『前輪尾跡』的緣故,會自動向傾斜的一側產生一個偏轉角,由於有這個偏轉角,自行車靠轉彎的離心力便會扶正。因此即使沒有人駕駛,在一定的速度之下,直行的自行車,運動也是穩定的。

奇怪的自行車

研究人員為了證明上面兩個原理而設計了一個「奇怪的」自行車(見上圖),這個自行車的輪子上有一個反向的輪子,兩個輪子是一模一樣的,只是轉速不同,這樣致使自行車整體的角動量為0,從而排除陀螺原理。同時該自行車的曳距為負值,完全不符合曳距理論的設定值。如果上面兩個理論是正確的話,這個自行車將寸步難行。然而讓人意外的是,這個奇怪的自行車可以非常平穩的向前運動。所以,事實證明以上的兩個假設,不!成!立!

在探究的過程中,研究人員發現如果將自行車的龍頭固定住,那麼自行車將很難保持平穩前進,但這是為什麼目前還沒有人給出一個確切的答案。

我們尚未知道那些年我們所騎的自行車的平衡之謎!

(作者水平有限,錯誤之處望批評指正。圖片來自網絡,侵刪。

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