行進中的自行車為什麼不倒

時間 2021-09-11 22:29:10

1樓:科學普及交流

行進中的自行車不倒的原因:具有一定速度轉動的物體,都有一種能保持轉動軸方向不變的能力,使它們不向兩側倒。

分析:騎車時是在前進的方向上給自行車乙個力,使車輪轉動起來,車輪就能保持一定的平衡狀態,再利用車把調節一下平衡,自行車就可以往前走了。可是一停下來,車子就會因失去平衡倒下來。

2樓:戰神

一、車輪的轉動,對「自行車不容易倒」 的作用不能忽略。 討論中有一種意見認為,自行車不倒,是因為騎車的人在車產生傾斜時,下意識地把車把向傾斜方向轉動,使車向傾斜方向作曲線運動,從而產生乙個作用在整車重心上的離心力,這個離心力相對於地面支點的力矩而使車不倒。這個解釋對自行車的「平動」是合理的。

但這種觀點卻忽略了車輪轉動的作用。那麼,車輪的轉動對自行車的不易傾倒到底有沒有作用呢?我們設想,把車輪制動,讓熟練的車手騎在上面,並想法使車輪與地面減少摩擦,使之易於滑動,然後用外加裝置拖動自行車前進,且不妨礙 車手對車的操縱(這是完全做得到的)。

我們可以肯定, 不管車手多麼熟練,自行車都會很快倒下。因為這時缺 少了車輪轉動所起的穩定作用。 二、車輪轉動為什麼可以使自行車不容易倒?

行進中,自行車車輪的運動可以分解為繞軸的轉動 和隨整車前進的「平動」。這裡只分析車輪繞軸轉動對 自行車發生傾倒的影響。 如右圖所示,車輪繞軸逆時針轉動,當外界干擾力 矩使車輪向左發生一定的偏倒時,車輪到底怎樣運動呢?

我們來考察車輪最上面一點的運動狀態。車輪的偏轉,使它產生了乙個垂直於旋轉平面的軸向速度;由於車輪的轉動,它還具有位於旋轉麵內的圓周切向速度;該點的實際速度是這兩個速度的向量和。這個合速度顯然緩解了車輪的傾倒。

輪子的轉速越大,其合速度越靠近旋轉平面,車輪也就越穩定。一般情況下,圓周切線速度都比使車傾倒的軸向速度大得很多,因而車輪的高速轉動能有效地抵禦干擾力矩的作用。 需要說明的是,以上這種解釋只能說是一種靜態的、粗淺的理解,它沒有完全說明旋轉的車輪不容易倒的本質原因。

要全面科學地理解其本質原因,還必須憑藉「陀螺原理」。也就是,當受到外力干擾時,車輪轉軸方向發生變化,在轉軸方向變化的過程中,車輪將產生附加的旋轉分量(進動、章動)。其中某部分旋轉量具有抵抗外力干擾的作用。

車輪原有慣性旋轉速度越快,即相應質量的動量矩越大,反抗干擾的能力就越大,車輪就越穩定。因為涉及到向量疊加、動量矩方向、動量矩轉化和守恆等數學力學知識,推導也較繁複,不能在此。 三、騎車人在維持自行車不倒中的作用。

命題中「運動中的自行車」當然是包含了騎車人在內,所以段青老師是用系統的觀點來論述這個問題的,即人和車組成了乙個自組織系統。她提到了人的加入,給系統輸入能量,讓車動起來,並通過人的調節,使系統的重心落在車輪與地面接觸的範圍內。但因對此命題的力學本質未能充分揭示,故顯得說服力不夠。

「gt」又是在忽略了車輪轉動的情況下來闡述騎車人的作用的,也有不全面之嫌。綜合上面兩種看法,我認為騎車人的作用有如下一些: 1.

讓車輪轉動,使之具備「陀螺效應」,從而給自行車奠定了不易傾倒的力學基礎; 2.由於在某一轉速下,車輪抗干擾的能力是有限的。騎車人的作用之一就是通過對自行車姿態的控制或騎車人本身姿態的調節,使干擾始終維持在臨界值之內; 3.

調節自行車姿態,使之具有更好的穩定性,如加大車輪轉速,適當改變車的方向等; 4.調節整體姿態,以抵消干擾。如因地面或側風使車始終向一邊傾斜,而行車路線又不允許轉彎時,則需調整姿態,抵消干擾,保持車的不倒狀態。

四、「前叉後傾」的學問。 在討論「運動中的自行車為什麼不容易倒?」時,還必須充分注意到自行車結構中的自穩定因素,這就是「前叉後傾」的結構安排。

如右圖所示,自行車前輪的轉向是由「前叉」控制的。也就是說,前叉操縱前輪轉彎時,前輪的轉動是以前叉所在的直徑為轉軸的。(圖中紅色直徑) 當干擾力矩使車向左傾斜,前輪也將隨之向左轉彎。

這時,在前輪與地面的接觸點a處必將產生乙個向右的運動趨勢,因而地面也就必將產生乙個向左的摩擦力,這個摩擦力有兩個作用。一是它對前後輪中心連線所形成的力矩,反抗車身向左的傾斜;二是它對前叉軸線形成的力矩迫使前輪恢復到原來的方向。 一些騎車高手之所以能「撒把」騎行,其功勞應 歸於後傾的前叉。

如果用繩將前叉固定,他就不可能如此瀟灑了。 法國人西弗拉克最初發明的自行車,沒有「龍頭」,速度很低,經常摔倒,只有在自行車裝上了後傾的龍頭之後,騎車才變得更加安全

3樓:匿名使用者

這個問題存在爭議,並未有統一公認無爭議的說法。(僅供參考)

為什麼自行車在行駛中不倒停下來就倒了?

4樓:匿名使用者

因為在「啟動」自行車時,人要使它前進,就要給它乙個衝量,使自行車有乙個向前的速度,在人騎上自行車以後,又不斷的給它施加乙個向前的力,自行車在各種力的作用下保持平衡,在慣性的作用下保持不倒。當給自行車加速時,只有向前的力加大,並不影響其他方向的力,所以自行車會加速,並不會因為力的改變而倒

當它停下時,受到的力有自身重力和地面對它的支援力,還有地面對它的向後的摩擦力,在這三中力的作用下,使它產生了乙個向後的加速度,之前行駛中力的平衡被打破,無法保持前進的慣性,所以就倒了

5樓:

運動中的「人-車」系統具有一定的速度,「摔倒」在物理上是「人-車」系統的運動速度改變方向,而速度方向的改變必須有乙個系統外的加速度,由於在騎車的過程我們找不到這樣的乙個加速度,所以系統的速度方向不會變化。所以不會摔倒。至於微小的震動在下文分析。

接著下來的問題是,這個「人-車」系統的平衡是如何實現的?

其實,人扶著自行車的時候,這個系統已經是平衡的了(假設勻速行走)——人車的重力、支援力、摩擦力、空氣阻力的合力為零。車由扶著推著變成行走,對於整個人車系統來說只是由速度較小的勻速運動連續過度到速度較大的勻速運動而已(期間的變力的加速度由人的姿勢和不斷變化的阻力和摩擦力所抵消而實現保持平衡)。至於上車前後的搖擺,只是人通過調整姿勢來調整整個系統的質量分布來實現新的平衡,也就是消除支撐點變化所帶來的不穩定。

嚴格來說,人的走路是乙個重心不斷變化的近似勻速的變速運動——我在此定義為「微變速運動」。

人推車時也是乙個「微變速運動」。

騎車的時候,人車系統也是一種加速度很小的「微變速運動」,嚴格說來,人車系統不是處在平衡狀態,而是加速度很小且不斷變化的大致上的「平衡」狀態。

在上車前後,人車系統的加速度相對比較大(其實也不大),人和車各自的質量分布在較「劇烈」地變動,但整個人車系統是保持「微變速」平衡的。

運動中如果有一些小震動,人可以通過調整姿勢來實現新的平衡。在高速轉彎的時候,人和車都是傾斜。

另外,自行車與地面是兩個小麵接觸,不是點接觸。

另外,車靜止,沒有人扶的時候跟人車系統運動時相比,質量較小、速度為零,接觸面較小。所以乙個小小的干擾都會使重心投影偏離支撐面——而自行車又不會像人那樣調整姿勢。而人車系統速度大了,質量大了,支撐面也大了一點點。

外擾的加速度在人車速度方向上的投影——加速度分量——對較大的人車速度的改變是極小的。也就是說,系統的速度大了,相對地,它的抗干擾能力就強了。這不是慣性的問題。

一樓的錯誤在於:把力作為維持平穩的因素。

二樓指出了一樓的錯誤,但沒有具體解釋陀螺儀具有高度的保持動態平衡能力的原理:第一,它的形狀具有大的轉動慣量,第二,速度越高「抗干擾能力」越強。

請問四樓,第三個點是從天上掉下來的麼?

五樓的問題在於:

1、那個所謂向後的摩擦力加速度是不會打破車子的平衡的。

2、「保持慣性」的說法不科學、錯誤。慣性只跟質量有關,什麼時候都有的,不用誰去保持它,你想消滅它也不可能。

3、「無法保持前進的慣性」跟車倒沒有任何的因果關係。

6樓:

因為自行車是在行駛中靠向前的力來克服由於重心不穩而造成的無法平衡!和陀螺靠旋轉才能維持重心穩定是乙個道理!

7樓:

自行車基本只有兩個支點,靜止時難以維持平衡。樓上說的基本正確,但重點是旋轉,而不是前進力。陀螺之類旋轉的物體具有維持自己轉軸方向的能力,飛機上就用陀螺儀定向。

8樓:

自行車在行使過程中,免不了要左右晃動,取乙個很短的時間來考慮,可以認為有三個點在支撐自行車,這就形成了一種暫時平衡.一旦停下只有兩個支撐點是不能維持平衡的.

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