小談自行車的平衡問題

1、小談關(guān)于自行車等兩輪車的平衡問題小談關(guān)于自行車等兩輪車的平衡問題（本人只有半個高中文化程度，所以只能（本人只有半個高中文化程度，所以只能“小談”一下一下這個問題問題，謬誤謬誤之處請?zhí)幷埼鹨娦?。笑。）一、一、談及自行車的平衡問題，首先我們來明確幾個物理概念：談及自行車的平衡問題，首先我們來明確幾個物理概念：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重心，即物體各部分所受到的重力的合力的綜合作用點。其物理定義是：物體各

2、部分所受重力的合力的作用點。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關(guān)。所以，人與自行車都各自有一個重心，人騎自行車時兩者成為一體也有一個總重心。但在騎自行車的行進過程中，人的騎行姿態(tài)和自行車的車把轉(zhuǎn)向都會不斷發(fā)生變化，所以它們的總重心的位置也在相應地發(fā)生著變化。2、物體的物體的“慣性慣性”。我們把物體保持運動狀態(tài)不變的屬性叫做慣性。慣性代表了物體運動狀態(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、車的過程中，由于二者的質(zhì)量是沒有變化的，因此，二者的慣性大小不會發(fā)生變化，且始終在發(fā)揮著相同的作用：維持當時的運動狀態(tài)不變。3、物體的物體的“平衡平衡”。在力學系統(tǒng)里，平衡是指慣性參照系內(nèi)，物體受到幾個力的作用，仍保持靜止狀態(tài)，或勻速直線運動狀態(tài)，或繞軸勻速轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，叫做物體處于平衡狀態(tài)，簡稱物體的“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到原來位置但仍能繼續(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自動恢復到原來的位置并繼續(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，未超出則可以恢復。所以稱之為不穩(wěn)定平衡。如自行車、輪船等?？梢?，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、在凸面頂部時就會分別處于隨遇平衡、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是一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)，但當把其放置在一個斜面上或底朝上時就變成了不穩(wěn)定

6、平衡狀態(tài)。二、二、接下來咱們就參照下面圖示，來看看人騎自行車時的具體受力及平衡情接下來咱們就參照下面圖示，來看看人騎自行車時的具體受力及平衡情況。況。影為O’點（也就是人與車整體的重力作用線與地面的交點）。2、在水平地面上直線騎行過程中的自行車，與地面共有兩個接觸面，即自行車的前、后輪胎分別與地面的接觸面，如圖中兩個紅色色塊所示，分別是四邊形“ABCD”和“EFGH”。由這兩個四邊形ABCD和四邊形EFGH的外緣又圍繞成了一個四邊形AB

7、GH。我們姑且把這個四邊形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，人與自行車總重心在地面上的投影O’只要沒超出四邊形ABGH的范圍，自行車都應該能自主恢復直立狀態(tài)，能會是一種穩(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。此時的自行車會有兩個方向上平衡狀態(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，自行車受到外力作用前輪或后輪被升高時，其總重心就會升高，且多數(shù)情況下總重心都不會超出前后邊界AB和GH。所以，自行車在自行車在前后方向上會是一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)前后方向上會是一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)。但有些特殊情況也會破壞這種前后平衡狀態(tài)：下陡坡時總重心可能會超出前邊界AB而發(fā)生前翻，所以此時人應該盡可能坐直甚至略向后仰以使總重心后移；上陡坡時總重心則容易超出后邊界GH而發(fā)生后翻，所

9、以此時人應該盡可能向前俯，既可以加勁上坡又盡量使總重心向前移；而當自行車后座的載物較重較長時，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。（同時我認為，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，以使人與自行車的總重心盡可能地遠離前后輪，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”對于自行車在轉(zhuǎn)彎時有助于自動復位以維持平衡我持懷疑態(tài)度。畢

10、竟自己學識水平有限，不敢枉作論斷。）（2）我們再來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該是一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)。但實際情況是：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，其左右方向上的真實的作用點也同時會發(fā)生左右移動（在前后方向上也會有這種作用點移動現(xiàn)象，但由于AH或BG的數(shù)值相對較長，就可以忽略不計），因此，實際上的圖示中的AB和GH的邊長數(shù)值會非常小，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”而實質(zhì)上相當于是“點接觸”）。這樣一來，圖例中的