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本帖最后由 laodongbeiren 于 2011-6-20 11:06 編輯 ( h% G5 |; \1 O# t8 y% I' R: r8 ]$ \ J
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自行車為什么能平衡地前進(jìn)呢？這看似無比簡(jiǎn)單。
% b$ H: m- \0 F0 P3 ~7 S, R車頭是大部分人調(diào)整自行車的工具。騎自行車時(shí)，人們會(huì)隨時(shí)調(diào)整車頭，一旦車子看著要往某邊傾斜，我們便會(huì)調(diào)整車頭讓其重新回到軌道上來。8 u* e8 V5 ^# r% _: a; a0 r6 {
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但也有人可以瀟灑地不扶車把騎車，他們利用身體的傾斜度調(diào)整來控制自行車的平衡。/ R. i, X( l) m- g- K6 h8 M" J8 |
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不過，哪怕沒有人騎，自行車自己也可以調(diào)整平衡：把一輛自行車推一下，它會(huì)自動(dòng)向前行駛一段路，直到倒下，這個(gè)過程被稱為“自我平衡”或“自我穩(wěn)固”。這個(gè)特征，曾經(jīng)在過去的一百多年中困惑了很多人。6 z; l) m& H3 O l, ?/ n! v
' f1 a6 W1 l4 a, C& x“為什么自行車會(huì)在需要的時(shí)刻自己掌舵，我們目前還沒有簡(jiǎn)單的物理學(xué)解釋。”研究論文中寫道。! t! _) X9 r9 H2 E7 f0 x- w8 P
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不過，這群把物理天賦用在自行車而不是宇宙大爆炸上的物理學(xué)家們，還是找到了一些研究線索。雖然我們還是不知道自行車到底怎么保持自我平衡，但至少他們把原因縮小到幾個(gè)方面。
3 j% A9 l. A" f# N/ M0 r- W- U% k" c! L+ u利用仿生學(xué)的自行車，可根據(jù)人體高度自行調(diào)節(jié)。
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' o! C/ {! X( L) F9 o8 W對(duì)于自行車的自我平衡能力，目前有不同的解釋。! R- m" K9 v! X6 z
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在獲過諾貝爾獎(jiǎng)提名的物理學(xué)家阿諾德·索菲爾德參加的一篇研究論文中提到，自行車能夠自我平衡是類似“陀螺”的一種表現(xiàn)。陀螺會(huì)產(chǎn)生自旋，隨著能量消減而停下來，自行車也有同樣的作用。陀螺儀作用在導(dǎo)航定位系統(tǒng)中起了很大的作用，而阿諾德等人也認(rèn)為，在自行車的平衡力上，陀螺也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
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0 l1 [2 N: Q5 n2 P此外，一些科學(xué)家認(rèn)為，自行車主要是由于“輪腳作用”而能夠保持一定程度上的平衡。所謂“輪腳”作用，即自行車的前輪可以像超市購物車的前輪一樣起到方向控制作用。
3 E+ t N* b; W8 V不過，在這次新的研究中，這群自行車科學(xué)家們則提出，自行車可以既不像陀螺，又不像超市購物車前輪那樣實(shí)現(xiàn)自我平衡。此前的理論并不一定適用，很多依此增加了車輪陀螺作用或主動(dòng)駕駛能力的自行車，穩(wěn)定性并沒有增加多少，而且一旦速度提高，就失去了陀螺效應(yīng)，反而平衡能力減少。* [; v4 {% Y0 ]
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可折疊輕便自行車，可折疊到車輪大小。
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2 Y9 d' _8 u, ]* R4 X. \3 X為了證明這點(diǎn)，這群科學(xué)家們從反常規(guī)入手，設(shè)計(jì)了一輛排除了陀螺或輪腳作用的自行車。8 W( |$ i* I7 O6 H6 b# @
! o7 s3 O2 [- E% t. y: t; f( O這輛自行車只帶兩個(gè)小輪，最大限度地減少了車輪的自旋轉(zhuǎn)動(dòng)量。為了進(jìn)一步減少陀螺效應(yīng)，他們還給自行車前輪增加了反自旋輪，用相反方向的旋轉(zhuǎn)消減車輪的自旋。而兩個(gè)輪胎的設(shè)計(jì)類似冰鞋，前輪的觸地點(diǎn)比駕駛軸略微提前了一點(diǎn)，使得輪腳作用幾乎為負(fù)。
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“雖然我們的實(shí)驗(yàn)車看上去像是輛折疊踏板車，但它依然是一輛自行車，帶兩輪，兩個(gè)車輪架，三個(gè)軸。”研究者寫道。( K3 X" |# }' a8 v% b ^9 ]
在荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)的停車場(chǎng)和籃球館，這群科學(xué)家以每小時(shí)8千米的速度把這輛小車向外推了出去，它自己行駛了相當(dāng)長(zhǎng)的距離，如同任何一輛傳統(tǒng)自行車一樣，它能夠平衡自己。研究者甚至還在自行車自我行駛過程中略微推了它一下，很快，這輛小車又自己調(diào)整到直線軌道。“沒人知道這是為什么。”參與研究者瑞納說。( e# ~+ ]5 O: d8 H( {
$ ?; m9 q# ~! n$ m# `; Z“這輛自行車證明，自我平衡還無法用任何簡(jiǎn)單的詞來解釋。”另一名達(dá)爾福特大學(xué)的科學(xué)家阿諾德·舒瓦特在展示視頻中說道。/ b" u) P1 n; Y C
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科學(xué)家用作試驗(yàn)的排除陀螺或輪腳作用的自行車，樣子像個(gè)折疊踏板車。3 ^$ ^9 r+ d3 a# f
7 A& K C) I5 V* e2 g除了否定陀螺和輪腳作用的關(guān)鍵性之外，他們的實(shí)驗(yàn)還顯示，自行車重量分布可能對(duì)平衡起到很大的作用，特別是自行車前部重量中心的位置，可能極大影響了自行車穩(wěn)定性。
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雖然科學(xué)家依然沒有得出自行車的完美數(shù)學(xué)公式，但是，至少他們得到了一些啟發(fā)——陀螺、輪腳作用和自行車前部重心位置這三點(diǎn)，雖然不會(huì)各自對(duì)平衡力起決定性作用，但可能三者有一股微妙的交互關(guān)聯(lián)，影響自行車的平衡力。研究論文中提到，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)這三點(diǎn)調(diào)整失誤后，反而會(huì)令自行車更為不穩(wěn)定。
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研究者還提到，決定一輛自行車的穩(wěn)定性還有其他很多因素，比如駕駛軸的幾何原理，兩輪之間的距離或更重要的車體重量分布。4 x- ]- A1 s# I' Z) [, M
“自行車演化到今天，都是現(xiàn)行常規(guī)的設(shè)計(jì)，但在設(shè)計(jì)空間上，還有很多地方有著開發(fā)潛能。”論文中寫道。這群科學(xué)家，希望自己的理論研究，能讓人們打開思路。8 e; D4 Y- y+ [
( u8 Z5 l6 P% r& b4 U, d5 h) i8 u$ M* a' d雖然在一個(gè)多世紀(jì)中，人們嘗試著給自行車寫出一道完美的力學(xué)公式卻沒能如愿，但是，或許只有懂點(diǎn)數(shù)學(xué)，才能造出更好的自行車
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發(fā)表于 2011-6-20 09:50:50
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