小談自行車的平衡問(wèn)題

1、小談關(guān)于自行車等兩輪車的平衡問(wèn)題小談關(guān)于自行車等兩輪車的平衡問(wèn)題（本人只有半個(gè)高中文化程度，所以只能（本人只有半個(gè)高中文化程度，所以只能“小談”一下一下這個(gè)問(wèn)題問(wèn)題，謬誤謬誤之處請(qǐng)?zhí)幷?qǐng)勿見(jiàn)笑。笑。）一、一、談及自行車的平衡問(wèn)題，首先我們來(lái)明確幾個(gè)物理概念：談及自行車的平衡問(wèn)題，首先我們來(lái)明確幾個(gè)物理概念：1、物體的物體的“重心重心”。任何受到地球重力作用的物體都有一個(gè)重心，即物體各部分所受到的重力的合力的綜合作用點(diǎn)。其物理定義是：物體各

2、部分所受重力的合力的作用點(diǎn)。在不改變物體形狀的情況下，物體的重心與其所在位置和如何放置無(wú)關(guān)。所以，人與自行車都各自有一個(gè)重心，人騎自行車時(shí)兩者成為一體也有一個(gè)總重心。但在騎自行車的行進(jìn)過(guò)程中，人的騎行姿態(tài)和自行車的車把轉(zhuǎn)向都會(huì)不斷發(fā)生變化，所以它們的總重心的位置也在相應(yīng)地發(fā)生著變化。2、物體的物體的“慣性慣性”。我們把物體保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的屬性叫做慣性。慣性代表了物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度。慣性的大小只與物體的質(zhì)量有關(guān)。所以，人在騎自行

3、車的過(guò)程中，由于二者的質(zhì)量是沒(méi)有變化的，因此，二者的慣性大小不會(huì)發(fā)生變化，且始終在發(fā)揮著相同的作用：維持當(dāng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。3、物體的物體的“平衡平衡”。在力學(xué)系統(tǒng)里，平衡是指慣性參照系內(nèi)，物體受到幾個(gè)力的作用，仍保持靜止?fàn)顟B(tài)，或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或繞軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，叫做物體處于平衡狀態(tài)，簡(jiǎn)稱物體的“平衡”。因穩(wěn)度的不同，物體的平衡分為：穩(wěn)定平衡、隨遇平衡、不穩(wěn)定平衡三種情況。A、隨遇平衡隨遇平衡，即外力使之產(chǎn)生位移但物體重心的高度并

4、不會(huì)發(fā)生改變的平衡，這種平衡在外力撤消后雖不一定能恢復(fù)到原來(lái)位置但仍能繼續(xù)保持平衡狀態(tài)。如：放在水平面上的圓球。B、穩(wěn)定平衡定平衡，即外力使之產(chǎn)生位移后物體重心升高的平衡，這種平衡在外力撤消后會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的位置并繼續(xù)保持原有的平衡狀態(tài)。如：不倒翁、鐘擺等。C、不穩(wěn)定平衡定平衡，即外力使之產(chǎn)生位移后物體重心降低的平衡，這種平衡在外力撤消后能不能恢復(fù)原位并繼續(xù)保持原有的平衡狀態(tài)，是需要條件的，即，被位移后的物體的重心不能超出其“重力作用

5、范圍重力作用范圍”，超出則不能恢復(fù)，未超出則可以恢復(fù)。所以稱之為不穩(wěn)定平衡。如自行車、輪船等。可見(jiàn)，所謂“平衡”只是物體的一種存在狀態(tài)，而且這種平衡狀態(tài)不是一成不變的，同一個(gè)物體因其放置狀況的不同就可能處于不同的“平衡”狀態(tài)。如上所述的圓球分別放置在水平面上、在凹槽底部、在凸面頂部時(shí)就會(huì)分別處于隨遇平衡、穩(wěn)定平衡、不穩(wěn)定平衡三種狀態(tài)。再如：不倒翁在底朝下放置在水平面上時(shí)是一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)，但當(dāng)把其放置在一個(gè)斜面上或底朝上時(shí)就變成了不穩(wěn)定

6、平衡狀態(tài)。二、二、接下來(lái)咱們就參照下面圖示，來(lái)看看人騎自行車時(shí)的具體受力及平衡情接下來(lái)咱們就參照下面圖示，來(lái)看看人騎自行車時(shí)的具體受力及平衡情況。況。影為O’點(diǎn)（也就是人與車整體的重力作用線與地面的交點(diǎn)）。2、在水平地面上直線騎行過(guò)程中的自行車，與地面共有兩個(gè)接觸面，即自行車的前、后輪胎分別與地面的接觸面，如圖中兩個(gè)紅色色塊所示，分別是四邊形“ABCD”和“EFGH”。由這兩個(gè)四邊形ABCD和四邊形EFGH的外緣又圍繞成了一個(gè)四邊形AB

7、GH。我們姑且把這個(gè)四邊形ABGH叫做自行車在地面上的“重力作用范圍重力作用范圍”吧。從直觀理論上看，自行車受外力作用發(fā)生傾斜時(shí)，人與自行車總重心在地面上的投影O’只要沒(méi)超出四邊形ABGH的范圍，自行車都應(yīng)該能自主恢復(fù)直立狀態(tài)，能會(huì)是一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)；3、我們知道，人與自行車的“總重心”是高于地面的。此時(shí)的自行車會(huì)有兩個(gè)方向上平衡狀態(tài)，即前后方向上的平衡狀態(tài)和左右方向上的平衡狀態(tài)。（1）首先我們來(lái)看自行車在前后方向上的平衡狀態(tài)：由圖示可

8、知，自行車在水平面上的重力作用范圍ABGH的邊AH（或BG）較長(zhǎng)，自行車受到外力作用前輪或后輪被升高時(shí)，其總重心就會(huì)升高，且多數(shù)情況下總重心都不會(huì)超出前后邊界AB和GH。所以，自行車在自行車在前后方向上會(huì)是一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)前后方向上會(huì)是一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)。但有些特殊情況也會(huì)破壞這種前后平衡狀態(tài)：下陡坡時(shí)總重心可能會(huì)超出前邊界AB而發(fā)生前翻，所以此時(shí)人應(yīng)該盡可能坐直甚至略向后仰以使總重心后移；上陡坡時(shí)總重心則容易超出后邊界GH而發(fā)生后翻，所

9、以此時(shí)人應(yīng)該盡可能向前俯，既可以加勁上坡又盡量使總重心向前移；而當(dāng)自行車后座的載物較重較長(zhǎng)時(shí)，即使在水平地面上也容易使總重心超出后邊界發(fā)生后翻。（同時(shí)我認(rèn)為，自行車既有“前叉后傾”，又有“后叉前傾”，其主要作用都是為了增加兩輪在前后方向上的距離，即增加圖中AH（或BG）的邊長(zhǎng)，以使人與自行車的總重心盡可能地遠(yuǎn)離前后輪，也就盡可能地使其在前后方向上維持穩(wěn)定平衡狀態(tài)。至于“前叉后傾”對(duì)于自行車在轉(zhuǎn)彎時(shí)有助于自動(dòng)復(fù)位以維持平衡我持懷疑態(tài)度。畢

10、竟自己學(xué)識(shí)水平有限，不敢枉作論斷。）（2）我們?cè)賮?lái)看自行車在左右方向上的平衡狀態(tài)：在圖例中，自行車在水平面上的重力作用范圍ABGH的邊AB（或GH）雖然很短，但如前（1）所述，人車的總重心只有不超出左右邊界AH和BG，自行車在左右方向上也應(yīng)該是一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)。但實(shí)際情況是：自行車的輪胎都是充氣的可以變形的，且輪胎面呈弧形。這樣做可以使輪胎與地面的接觸面維持在一個(gè)較小的合理范圍內(nèi)又可以起到減震作用，輪胎上的花紋又增加了輪胎的“抓地力”，

11、因而使得人在騎行時(shí)比較舒適省力又不至于打滑。但正是由于輪胎的弧形面和充氣可變形的特性，以至于在自行車在地面不平整或略微發(fā)生左右傾斜時(shí)，其左右方向上的真實(shí)的作用點(diǎn)也同時(shí)會(huì)發(fā)生左右移動(dòng)（在前后方向上也會(huì)有這種作用點(diǎn)移動(dòng)現(xiàn)象，但由于AH或BG的數(shù)值相對(duì)較長(zhǎng)，就可以忽略不計(jì)），因此，實(shí)際上的圖示中的AB和GH的邊長(zhǎng)數(shù)值會(huì)非常小，基本上可視為零。即，在左右方向上，輪胎與地面之間從表面上看是“面接觸”而實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于是“點(diǎn)接觸”）。這樣一來(lái)，圖例中的