自行车的稳定性这件事,并不像我们看上去那么容易

还记得我们小时候学自行车的时候吗?在无数次摔倒后,我们终于掌握了当时看来很厉害的技能,我们兴奋激动,并且经常迫不及待地想向我们的朋友展示我们自行车的掏骑技巧。骑自行车很容易,但是我们有没有想过自行车是怎样保持稳定的?
自行车的自我稳定简直就是一个物理学上的奇迹。一个两轮装置能够保持稳定,甚至可以调整稳定性,从而达到平衡,甚至在无人驾驶的情况下实现平衡,这种想法几乎就像一种魔法。杰出的作家和未来学家亚瑟·C·克拉克先生有句名言,先进的技术模糊了现实和魔法之间的界限。
任何足够先进的技术都无法与魔法区分开来。克拉克的三条定律。


图中的自行车虽然简单,但已经经历了很长的历程。19世纪60年代的无橡胶轮胎的老式自行车,由于车身和轮胎都是铁做的,所以当你骑这种车的自行车的时候,会有一种我无法描述的体验,反正我不建议男同学骑,至于为什么?我相信你会同意我的建议,随着时间的推移,制造自行车的技术现在已经足够先进了。
自行车能保持直立的原因有一些假设。其中之一就是陀螺效应。
陀螺仪是一个固定在轴上的金属轮子,轮子和轴的组合固定在一个金属框架上,轮子可以自由旋转。当轮子静止时,任何试图使陀螺仪直立的尝试都会失败。但如果你旋转轮子,就会发现一个现象,正如下图所示,它会自由地站立和旋转。

旋转陀螺仪
只要中间的轮子旋转,它就会继续直立旋转,甚至会抵抗任何方向上的改变。如果你用一根线把陀螺仪的一端提起来,另一端就会看起来像被一只看不见的手握住一样也能保持稳定。快速旋转的自行车轮子,或大多数绕轴旋转的轮子,表现得都像一个陀螺仪。
旋转的自行车车轮中存在角动量,角动量是自行车转速和质量分布的内在特征,包括车轮的质量。如果你看一下不同的自行车设计,你会发现轮毂周围有集中的质量分布。这种设计是为了在任何特定速度下增加角动量。

陀螺仪保持其位置稳定的的能力,使其成为飞机和太空探索飞行器中的导航工具。简单地说,自行车轮子上的这种陀螺仪效应确保了一个旋转的轮子保持旋转,并保持其旋转轴的位置。
认为是陀螺效应使自行车不会翻倒的学派漏掉了一个事实。陀螺仪效果可能对骑摩托车的人有用,因为他们的车轮又重又快,但老年人晚上骑自行车出去散步时,起的特慢,可能几乎没有什么陀螺仪效果,而且自行车车轮的重量也很轻,也提供不了轮轴的稳定性。
如果你也检查一下你在学习骑自行车时有多少瘀伤,你会意识到剩下的陀螺效应,你所需要的就是推着自行车跳起来,走上你快乐的路。
关于自行车能保持稳定的第二个原因的是脚轮效应。

如果自行车的前部在图像的左侧,则这是正后倾角。
角度θ表示后倾角。它以度数表示,并显示车轮垂直轴(用灰色垂直线表示)与转向轴(用红色虚线表示)之间存在的角位移。如果转向轴(红色虚线)从自行车(机器)后部向前倾斜,则后倾角θ为正值;如果转向轴从自行车或机器前部向后倾斜,则后倾角θ为负值。
脚轮效应有助于在我们在超市中拖动购物车时自动对齐或重新定位方向。注意轮子是如何通过重新定向到新的运动来跟随方向的变化的。这个现象下次我们去超市推下购物车就能观察到,两个轮子总是试图保持在同一条直线上。在自行车上,即使方向发生变化,车轮也能始终在骑手的下方对齐。
但是,荷兰代尔夫特理工大学的自行车动力学专家阿伦德施瓦布(ArendL.Schwab)已经指出,这两种现象并不是自行车自我稳定所必须的。研究人员在2011年发表了一篇科学论文,题为“自行车可以在没有陀螺或脚轮效应的情况下自我稳定”。这篇论文证明了这两种效应对自行车的稳定性是不必要的,因为他们设计了一款无人驾驶的自行车,它既缺乏自我控制的特性,甚至在运动时还会自动修正自己。
在他们的研究中,他们发现其他各种设计参数,如质量分布、转向倾斜轴,都以复杂的方式影响稳定性。到目前未知这仍然是一项正在研究的工作。
大家都在看
-
为何天上有颗“深圳星”?深圳科技馆馆长跟你聊宇宙探索、讲科学故事 开栏语星河浩瀚,藏着无尽奥秘。今起,本报推出“馆长唠科”专栏,由深圳科学技术馆馆长郑永春先生执笔,以天地为视野,聊宇宙探索,讲科学故事。首期,我们一同走近“深圳星”,看看这颗镌刻着鹏城名字的星星藏着哪 ... 宇宙探索03-24
-
从量子科技到元宇宙的崭新探索:中国科技为何引起全球瞩目? 合肥的实验室中,当光量子芯片在-271℃的超低温环境下闪烁着神秘的幽蓝光芒,显示着我国在前沿科技领域的前沿探索;在深圳,柔性屏幕薄如蝉翼,如同丝绸般可卷曲,展现了我国在新材料领域的创新实力;而在上海的生物 ... 宇宙探索03-23
-
显微镜下的奇妙世界:探索微观宇宙的无限奥秘 在我们的日常生活中,眼睛所能看到的世界仅仅是浩瀚宇宙的冰山一角。无数精妙的细节与宏大的结构,往往隐藏在肉眼无法触及的微观尺度之下,静默地运转着。而显微镜的发明,宛如一把神奇的钥匙,为我们打开了一扇通往 ... 宇宙探索03-23
-
《宇宙探索编辑部》追了半生宇宙,才懂平凡人间,才是终极答案 作为看遍各类科幻与现实题材的影评人,很少有一部电影能像《宇宙探索编辑部》这样,没有炫酷特效,没有惊天反转,却用最笨拙、最赤诚的理想主义,戳中无数人心里最软的地方。我们都曾像主角唐志军一样,抱着一份不被 ... 宇宙探索03-22
-
一个国家插入另一个国家? 一个国家插入另一个国家腹地会有什么影响?就像位于西非的冈比亚和塞内加尔。冈比亚占据冈比亚河下游两岸的狭长地带,犹如一把匕首插入塞内加尔中。冈比亚河是西非唯一通航海船的河流,由于冈比亚控制了主航道,内陆 ... 宇宙探索03-22
-
探索微观宇宙,见证科技奇迹!🔍🔬✨ 在这个由精密齿轮构成的微观宇宙里,每个细节都决定着系统的命运。一个微小的错位就能让整个系统陷入停滞,这就是系统的脆弱性,对细节的敏感度超乎想象。而点滴的校准是引导能量流向的关键。当细节被精准把控,能量 ... 宇宙探索03-22
-
第十九章:万灵共振,探索宇宙的奥秘,见证生命的奇迹!🚀✨ 唤醒生机之种的过程成了全银河生灵的共同使命。联盟向所有星球发出号召,用最纯粹的希望与勇气向枯寂星传递意念这两种情感。在法则层面恰是光的存续与暗的革新最鲜活的体现。·一、时间新银河的每一颗星球上,无论是 ... 宇宙探索03-21
-
探索宇宙的奥秘,揭开宇宙的神秘面纱!🔍🔬 宇宙究竟是平坦的还是弯曲的?这个问题让无数科学家和天文迷争论不休,真相究竟是什么?宇宙是否平坦一直是天文学界的一个热门话题。根据广义相对论,如果宇宙是平坦的,那么光线在宇宙中就能直线传播,不会发生弯曲 ... 宇宙探索03-19
-
太空探索:人类如何一步步走出地球,开启宇宙之旅 说起太空探索,很多人脑海里浮现的可能是宇航员穿着厚厚的宇航服,驾驶飞船飞向月球或者火星的画面。但其实,太空探索的故事远比这些画面更精彩、更复杂,也更充满了人类的智慧和勇气。今天咱们就来聊聊,这场人类走 ... 宇宙探索03-18
-
探索宇宙的奥秘,从大爆炸到黑洞,带你走进神秘的星空世界! 先说大爆炸吧。想象一下,138亿年前,整个宇宙其实是一个极其炽热、密度超高的“火球”,比太阳还要热千万倍,空间几乎没有。突然,这个“火球”开始疯狂膨胀,速度快得难以想象,这就是大爆炸。别误会,这不是普通 ... 宇宙探索03-18
相关文章
- 探索宇宙的奥秘,从大爆炸到黑洞,带你走进神秘的星空世界!
- 探索宇宙奥秘:地球的起源与生成之旅🌍✨
- 探索未知宇宙苍穹
- 北京天文馆“宇宙探索营”开启\中国人民抗日战争纪念馆卢沟桥抗战半景画全新升级……本周最新博物馆资讯点击——
- 从《宇宙探索编辑部》到《坠落的审判》,他用60余张海报设计解码光影背后的“无序公式”
- 科学家追踪引力波,结果发现更离谱的宇宙事件
- 以光速的20%飞行:科学家展示“实用”光帆探索宇宙
- 看不见的宇宙:暗物质与暗能量的证据、理论与探索
- 美国太空部队:要有攻击中国卫星能力,探索部署攻击性轨道航天器
- “大航天时代”会加速人类探索宇宙的进程吗
- 三种“超光速”现象,告诉你宇宙远比想象疯狂
- 微积分:探索宇宙无限奥秘的钥匙
- 探索月相奥秘,揭示宇宙的奇妙!🌙✨
- 宇宙或许不是无限的,它的总质量已经被推算出来
- 探索宇宙的奇迹,太空站俯瞰地球!🌍✨
- 宇宙探索:人类的火星梦想与深空探测
- 从水火土到夸克 2500年物质探索 重塑宇宙认知
- 暗物质捕手+天文AI,中国科学家把宇宙探索“卷”出新高度
- 航天科技究竟是什么?它为什么能让我们仰望星空,探索宇宙奥秘?
- 未来宇宙探索:与外星文明首次接触,是友是敌?
热门阅读
-
预言2030年太阳将休眠,恐怖的千年极寒将来临 07-11
-
中国十大元帅之死,多高寿而善终(林彪叛逃而死) 07-11
-
因果报应真实事例,做尽坏事必遭天谴 07-11
-
这6个神奇天体有很酷的名字 06-01
-
全球人口减少可能带来的六大教训和好处 07-18
-
离太阳最近的十大恒星排名,宇宙最大十大星球 04-12
精选文章
- 创生之柱是什么?(创生之柱给予了许多恒星生命)
- 中国51区秘密基地,窃密必被抓(抓住就杀头)
- 中国“天宫”空间站将在2022年前后建成 呈T字型有三个舱段最多可驻留6人 ...
- 新冠病患康复后,可能“精子减少或无精”
- 中国古代四大凶兽,四大神兽vs四大凶兽谁更强
- 2025年宇宙探索大爆发!月全食、火星冲日等,这些天文奇观别错过
- 黑龙江50万年死火山苏醒, 内含15%电量的巨大岩浆囊
- 误会一辈子!破伤风其实是一种细菌跟生锈铁完全没关系
- 美国同步空间态势感知项目(GSSAP)军事间谍卫星多次秘密靠近俄罗斯和中国的航天器 ...
- 中国长征五号B遥一运载火箭全貌曝光 本月底在海南文昌航天发射场进行首次发射 ...
