为什么当人离开自行车后自行车仍能保持一段时间的平衡?

人离开自行车后,自行车在一定速度下仍然可以保持平衡,影响自行车子稳定的因素非常多,如陀螺效应、质量分布、正向轨迹、自行车的几何结构等,在它们的共同作用下使得自行车可以自我平衡。

如果仔细的观察自行车此时的行为,车子在扭动,车身如果向左倾斜,自行车前轮向左旋转,如果向右倾斜,前轮则向右旋转,使得倾斜的车子前进方向发生了变化,原本将要倾斜倒下的车子又竖立了起来,例如给脱手的运动中自行车侧面敲击一下,自行车有了倾斜倒下的趋势,而前轮向倾倒方向转动,自行车的前进方向发生了改变,但车身依旧竖直平衡(这里都是按照自行车在有一定速度的情况下说明)。骑行自行车在进行转弯时,比如左转弯,我们会先向右转一小下,让车子向左倾斜一点,让地面给自行车力的水平分量指向左边,然后向左转动前轮,就可以顺利左转了,如果直接进行左转,是不稳定的容易摔倒。保持平衡的关键是自行车的前轮,而锁定了前轮的自行车的难以保持平衡的。在这里发挥作用的是陀螺效应,帮助前轮转向倾斜的方向;陀螺效应也可以在前轮反向转动的过程中产生侧倾力矩。如上图所示,在围绕绿色的倾斜轴施加扭矩时(倾斜),会产生围绕蓝色的转向轴的反作用扭矩(转向)。

陀螺效应虽然在保持自行车稳定上起了很大的作用,但并不是不可缺少,巧妙的设计自行车的质量分布和几何结构,同样可以使自行车保持自我稳定,其他因素也很重要。普通自行车的质量分布,使得转向结构的质心在转向轴的前面,在重力的作用下同样也会导致前轮转向倾斜的方向。正向前进的自行车更加稳定,普通自行车在倒行时会变得极其不稳定,这与自行车的设计有关,改变设计,也是可以实现倒行稳定的自行车。

Author: yabo888

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