自行车和人是一个整体 , 自行车运动时因惯性作用而向前作直线运动 。这个整体的重心是可以调节的(通过身体的倾斜、自行车头的摆动再加上自行车向前的运动);这个整体有两个支点,一个是后轮与地面的交点 , 一个是前轮与地面的交点;骑车时 , 人时刻在调节支点的位置,让重心始终保持在两支点的连线上;当重心在两支点连线上时,车就不会倒 。而自行车静止时,无法调节支点位置,所以自行车容易倒 。
【为什么静止的自行车不能站立,而运动的自行车却能自由站立?】
自行车只有2个轮子,却为什么可以保持平衡呢?甚至,高手在骑车的时候 , 可以双手离开车把,任由车子向前走而不担心摔倒(但要担心前面呼啸而来的汽车) 。物理学家拿出一个陀螺,放在地上转一下,并开始用鞭子使劲抽打它 , 随着陀螺越转越快,陀螺也像不倒翁一样,虽然只有一个尖着地,却左右摇摆而不肯倒下 。这就是陀螺效应:旋转的物体有保持其旋转方向(旋转轴的方向)的惯性 。陀螺只有一个旋转方向,已经很稳定了 。而自行车有2个轮子,显然自行车轮子在高速旋转的时候,会使自行车更稳定 。因此 , 骑车人撒开车把也不会倒下 。但遗憾的是,这并非一个合理的解释 。陀螺效应在保持自行车稳定中也许起到不可忽略的效果 , 但是,如果自行车单单凭借陀螺效应保持稳定 , 那么,初学者也应该在高速骑车时不会倒下 。但是,2个陀螺似乎并不足以支撑骑车人重达几十公斤的身体的倾斜 。刚学习骑车往往会摔得很惨 。从另一个方面看,骑独轮车的杂技演员由于车速很低 , 甚至车轮完全停止转动,则基本无法依靠陀螺效应保持平衡 。自行车的平衡首先来自于骑车人腰部的肌肉 。熟练的骑车人,其身体形成自动的条件反射,当自行车稍微倾斜倒下时,人的身体会感受到 , 腰部肌肉会自动动作,把身体拉向另一侧,形成的反向力矩促使车身抬起 。我们学习骑自行车,也就是训练身体的肌肉完成这种条件反射,而一旦学会 , 这个控制回路就保持在小脑中 , 随时可以启用,许多年也不会忘记 。但是高速骑车时,会感觉车子比刚刚起步的时候稳定,这又是为什么呢?自行车本身的平衡机制,来自于前叉后倾 。我们可以观察到,几乎每辆自行车的车把轴,都不是与地面完全垂直,而是后倾的 。由于前轮是固定在车把的前叉上,因此又叫前叉后倾 。前叉后倾,使车辆转弯时产生的离心力其所形成的力矩方向,与车轮偏转方向相反,迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上 。这样,车子就有了自动回正的稳定性 。车速越快,所造成的恢复力矩越大,骑车人就越感到稳定 。这就是高速骑车时,会感觉车子比刚刚起步的时候稳定的原因 。一般而言,车子前叉越后倾,车子越稳定,但转动车把越费劲;而后倾角度小,转把较容易,但车子的稳定性不够 。但如果自行车完全没有前叉后倾,那么 , 骑自行车会是一件很痛苦的事情 。自行车其实是相当复杂的力学体系,而汽车的前轮定位更加复杂 。有主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束,这保证开车的时候车子尽可能稳定,但又减少轮胎的磨损 。
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