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本帖最后由 laodongbeiren 于 2011-6-20 11:06 編輯 4 N$ E( Q; L& g( w
7 w( {8 k V; `# V1 m7 l自行車為什么能平衡地前進呢？這看似無比簡單。 M9 }4 S# {1 Z/ R
車頭是大部分人調(diào)整自行車的工具。騎自行車時，人們會隨時調(diào)整車頭，一旦車子看著要往某邊傾斜，我們便會調(diào)整車頭讓其重新回到軌道上來。; V7 g) p) _" q& B" F" Z' l. P
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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。1 ~3 g* g4 G4 V V
3 ?, p8 {) [: l1 i X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，它會自動向前行駛一段路，直到倒下，這個過程被稱為“自我平衡”或“自我穩(wěn)固”。這個特征，曾經(jīng)在過去的一百多年中困惑了很多人。
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“為什么自行車會在需要的時刻自己掌舵，我們目前還沒有簡單的物理學(xué)解釋。”研究論文中寫道。
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( ~. c9 e" p% w. A2 a0 S' v3 ]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方面。
r$ U, x- n5 L利用仿生學(xué)的自行車，可根據(jù)人體高度自行調(diào)節(jié)。) h5 w; k$ v8 R" e9 s3 A
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對于自行車的自我平衡能力，目前有不同的解釋。
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在獲過諾貝爾獎提名的物理學(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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此外，一些科學(xué)家認為，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。0 {' n2 E/ A& [0 H Y( `# m/ A
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。( P1 d1 U8 A7 m8 W' J; u& }
% ?& M1 Q# x% p( P* k1 K+ W- X; N& `可折疊輕便自行車，可折疊到車輪大小。6 S9 c( P) d' y7 f
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為了證明這點，這群科學(xué)家們從反常規(guī)入手，設(shè)計了一輛排除了陀螺或輪腳作用的自行車。
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這輛自行車只帶兩個小輪，最大限度地減少了車輪的自旋轉(zhuǎn)動量。為了進一步減少陀螺效應(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。而兩個輪胎的設(shè)計類似冰鞋，前輪的觸地點比駕駛軸略微提前了一點，使得輪腳作用幾乎為負。
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: w, }8 m3 J) L# U0 q' U“雖然我們的實驗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，兩個車輪架，三個軸。”研究者寫道。" j# y5 c* D% v2 E
在荷蘭達爾福特大學(xué)的停車場和籃球館，這群科學(xué)家以每小時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。
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“這輛自行車證明，自我平衡還無法用任何簡單的詞來解釋。”另一名達爾福特大學(xué)的科學(xué)家阿諾德·舒瓦特在展示視頻中說道。7 l3 h# }7 ` W, ?
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科學(xué)家用作試驗的排除陀螺或輪腳作用的自行車，樣子像個折疊踏板車。, F( ^. C* d1 } D* ]1 b
B/ F( b- p) ]4 b6 a! f除了否定陀螺和輪腳作用的關(guān)鍵性之外，他們的實驗還顯示，自行車重量分布可能對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，雖然不會各自對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)對這三點調(diào)整失誤后，反而會令自行車更為不穩(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。) Y$ [4 d5 C( O& D
“自行車演化到今天，都是現(xiàn)行常規(guī)的設(shè)計，但在設(shè)計空間上，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。4 Z- J; L, g& F- t. m
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雖然在一個多世紀中，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，或許只有懂點數(shù)學(xué)，才能造出更好的自行車9 j3 n/ P2 z: j( M# G6 g3 O; h
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發(fā)表于 2011-6-20 09:50:50
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