过了几个世纪,科学家依旧无法解释自行车是如何保持平衡的?神奇的自行车...

日期: 2024-04-06 01:11:04|浏览: 173|编号: 42905

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过了几个世纪,科学家依旧无法解释自行车是如何保持平衡的?神奇的自行车...

国外有位小哥尝试从科学角度探究“ 自行车是怎么保持平衡的?”的问题!我们也一起来看一下吧~

从 19 世纪末开始,科学界就已经发布了各种论文来解释自行车的稳定性。其中最主流的一种观点认为,自行车的平衡原理是 “ 陀螺效应 ” 。

陀螺效应 :是因为物体在快速旋转状态下,会产生一种叫做 “ 角动量 ”的物理概念。再次拿陀螺来举例子。当陀螺不转动时,它会因为重力倒下,但一旦它开始高速旋转,就会产生一个方向唯一的角动量。在下面这张图中,红色箭头所指的方向就是旋转中陀螺角动量的方向。

(用右手定则判定角动量方向)

角动量方向一旦形成,就非常难以改变,也就是说如果它的方向是向上的,那就很难把它改变成朝向右上,或者左上。

角动量不是一种力,但它可以表达物体旋转时的状态。而角动量的这一作用有多强大呢?请看下面这张 GIF 。

上图左下角的陀螺仪没有旋转时,一松手就掉了/而当它高速旋转时,产生的角动量甚至能让它战胜重力的影响,继续挂在绳子上旋转。哪怕是质量更大的轮胎,也一样!

此时,如果对这个高速旋转的物体施加外力,只有两种情况:

一,物体会为了保持角动量的方向而产生平移。

二,物体会被迫终止正在进行的运动,直接 “ 飞 ” 出去。

生活中有很多现象都遵循 “ 陀螺效应 ”比如打水漂,石头的旋转速度形成让它保持方向的角动量。

比如玩儿飞盘:飞盘从被扔出去到落回到你的手里,过程中一直遵循角动量方向不变的规律。

那自行车???是不是只要轮胎的旋转速度足够高,不管车上是否有人操控,它们都会保持一个几乎恒定的方向平移前进。

这套理论好像挺完整的。但自行车的平衡原理是不是就是因为 “ 陀螺效应 ” 呢?这套理论主导了自行车研究界好长一段时间,在 1970 年,突然有个叫琼斯的人突然跳出来说: 根本不是因为 “ 陀螺效应 ”!还拿出自己设计的一款不带陀螺效应的自行车,做了实验发布在了一本叫 《 今日物理 》 杂志上!

这辆特制自行车特别之处在于它有一大一小两个前轮!大前轮在小前轮的传动下,会以不同的旋转方向转动,也就是说这两个轮子的角动量是完全相反的,并且相互抵消,所以这辆车成功地在理论上消除了 “ 陀螺效应 ”!

可是神奇的是,这辆车也能成功保持平衡。如果不是因为 “ 陀螺效应 ”,那自行车又是因为什么才能保持平衡的呢?琼斯提出了一个新理论 —— “ 前轮尾迹 ”理论。

听上去倒是挺高级的,简单来说就是因为车轮轴心比车的方向把更靠前, 当车倾倒时,车头也会朝同一个方向歪掉。

这就意味着在自行车行进的时候,倾倒的自行车靠着歪掉的车头,把重心改回到了自行车重心的下方,得以保持平衡。

仔细想想,骑车的时候,如果车就要朝着左边倒了,好像是本能地会把车头把向左边,来维持平衡?

可在 2011 年,又有人跳出来,做出了一个挑战极限的终极版自行车 —— 它不仅挑战了 “ 陀螺效应 ”,同时也推翻了 “ 前轮尾迹 ” 理论。这辆自行车的特别之处有两点:它有四个轮子;同时前轮的轴心比车把靠后!

由于前轮、后轮分别由两个轮子组成,而这两个轮子的旋转方向是相反的。也就是说,前后轮的角动量都被抵消了。

红色箭头表示角动量的方向

而且车把比前轮靠后,意味着靠 “ 前轮尾迹 ” 改变车体重心,保持自行车平衡的理论也站不住脚跟了。

问题来了,这辆车真的还可以不靠人体掌控,自己保持平衡吗? 答案是:当然可以。

据说,看了的科学家都哭了。在此之后,直到今天,依然没有人找出能完美解释自行车保持平衡的原理。

小耐觉得自行车平衡的原理,就悄悄藏在骑友的日常中,或许在骑友们闲聊时就被大概的解释了呢?

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