自行車是人類最杰出的發(fā)明之一

自行車

自行車在全世界得到廣泛應(yīng)用已有近200年的歷史，它比全世界的汽車加在一起還要多一倍，騎自行車比步行要省力的多，去相同的一個(gè)地方，步行比騎自行車要多費(fèi)3倍的體力，速度比自行車也慢了N倍。而且自行車還能載重100公斤左右的貨物。

自行車作為主力交通工具陪伴著中國(guó)發(fā)展前行已有幾十年的時(shí)間，但隨著時(shí)代的發(fā)展，交通主力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠嚍橹鳎F(xiàn)如今的自行車已經(jīng)淪為鍛煉身體的一種體育器械了。

在100多年前，法國(guó)科學(xué)院曾經(jīng)懸賞征求對(duì)“行進(jìn)中的自行車為什么不會(huì)倒下”的最佳解答，但當(dāng)時(shí)的所有解答都未被眾人所公認(rèn)，至今在各國(guó)的學(xué)術(shù)刊物上還不時(shí)出現(xiàn)相關(guān)的新論文，但都沒有一個(gè)既簡(jiǎn)明又易懂的科學(xué)解答。

1970年美國(guó)有一位研究光譜學(xué)的化學(xué)家瓊斯發(fā)表在《今日物理》上的一篇論文早已指出，自行車的前輪可以利用離心力來帶動(dòng)車輛自駕的功能，但是他的解答用到的微積分方程式和自行車前部的位能理論過于高深，且晦澀難懂，所以并未引起人們的重視。

行進(jìn)中的自行車不會(huì)倒這個(gè)問題就如同哥德巴赫猜想一樣，引無數(shù)人為之著迷，至今得到了很多不同的解答，但都不能一語中的。

錯(cuò)誤說法1，車輪的陀螺定軸效應(yīng)使得行進(jìn)中的自行車不倒

陀螺是依靠在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的定軸力而不會(huì)倒下，因此有人說自行車的車輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生了定軸力所以不會(huì)倒下，雖然聽著是有些道理，但是陀螺是由于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的定軸力大到足夠維持它不會(huì)倒下，而自行車的車輪既輕便又轉(zhuǎn)的慢（低速時(shí)每秒2轉(zhuǎn)，時(shí)速16公里），產(chǎn)生的定軸力一定不夠維持行進(jìn)中自行車不會(huì)倒下。但實(shí)際情況是自行車在低速時(shí)還是不會(huì)倒下，所以這個(gè)解答不符合。

在1970年和2007年，國(guó)外出現(xiàn)過兩篇論文，他們?cè)谝惠v實(shí)驗(yàn)用的自行車上裝了一套能抵消車輪陀螺效應(yīng)的特殊裝置，結(jié)果表明，那輛自行車不依靠陀螺定軸效應(yīng)也不會(huì)倒。

遺憾的是國(guó)內(nèi)外的科普書上仍把行進(jìn)中的自行車不會(huì)倒的原因說成是自行車有陀螺效應(yīng)。

錯(cuò)誤說法2，騎車人擺動(dòng)上身能使行進(jìn)中的自行車不倒

擺動(dòng)上身的騎行者

騎過自行車的人知道，在騎行中并不需要一直大幅擺動(dòng)上身去平衡車輛，自行車依靠慣性可以滑行很遠(yuǎn)的距離，這時(shí)我們只需要控制車把方向就可以前行。

只有在車速極慢時(shí)，騎車人通過大幅擺動(dòng)身體才會(huì)對(duì)自行車起到平衡的作用，但在大多數(shù)的情況下自行車并不是靠人擺動(dòng)身體才保持平衡不倒的。

例如把車把固定住不讓它轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)讓人騎行自行車，不論怎么擺動(dòng)身體也不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持自行車平衡不倒的。所以這個(gè)解答也不對(duì)。

錯(cuò)誤說法3，自行車輪胎和地面的接觸面寬度能防止自行車有傾倒的趨勢(shì)

自行車輪胎和地面的接觸面在車輛傾倒角度很小時(shí)，能起到明顯的穩(wěn)定作用，但是在車輛傾倒角度較大時(shí)就不能起到平衡自行車的作用。

寬胎自行車

2011年在《科學(xué)》期刊上的一篇關(guān)于自行車為什么不倒的論文中提到，他們自制的小輪（直徑20厘米）自行車，不需要陀螺效應(yīng)，在前輪轉(zhuǎn)向軸傾斜時(shí)自行車也不會(huì)倒下。

這是因?yàn)樗麄兊男≤囕喿龅暮軐?，車上沒有負(fù)荷，且重心很低，即使這輛自行車停住也并不會(huì)倒下。所以這種解答也是不對(duì)的。

錯(cuò)誤說法4，自行車的前輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)能防止傾倒

這個(gè)說法就和說法2有些類似，就是自行車并不是靠外力連續(xù)的反向作用而保持平衡不倒的。

自行車在轉(zhuǎn)動(dòng)車把后，車輪的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)隨之改變，這時(shí)車輪靠轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力會(huì)起到一些穩(wěn)定作用，但擺動(dòng)前輪并不是讓自行車不倒的主要原因。

正確說法：自行車的慣性（離心力）是行進(jìn)中的自行車不倒的原因

這里要引入牛頓力學(xué)第一定律：一切物體在沒有受到外力影響時(shí)，總能保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

自行車轉(zhuǎn)向時(shí)的離心力

上圖中自行車向左轉(zhuǎn)動(dòng)前輪，從而使自行車開始作一個(gè)圓弧運(yùn)動(dòng)。凡是作圓弧運(yùn)動(dòng)的物體，必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)離心力，這個(gè)離心力的大小可以用公式來計(jì)算。

T=mv2/r

T為離心力，m為物體的質(zhì)量，v為速度，r為圓弧的曲率半徑，

這個(gè)公式表面了，離心力T的大小與質(zhì)量和速度v的平方成正比，和圓弧的曲率半徑r成反比。

通過定量計(jì)算我們就可知：把自行車行進(jìn)時(shí)的中速和低俗的定量帶入公式后，得出了行進(jìn)中的自行車總能產(chǎn)生足以糾正傾倒的離心力。所以這個(gè)解答就是行進(jìn)中的自行車為什么不倒的簡(jiǎn)明的力學(xué)計(jì)算公式。

參考資料：胡寧生《趣味力學(xué)現(xiàn)象》