作者:Andy Ruina 来源:《科学》 发布时间:2011-6-19 9:55:25
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为什么自行车自己会“掌舵”
自行车重量分布特别是前部重量中心位置,可能极大影响了其稳定性

概念车:全天候自行车,拥有透明车篷,可以防雨。
 
传统的自行车最终会被重新设计,但我们现在就想要这样的车子。所以,我们才说,要给自行车里放进点科学。
——研究自行车的荷兰达尔福特大学科学家阿诺德·舒瓦特
 
第一次以这么科学的方式重新设计自行车。首先进行的改革便是自行车坐垫和带车手的头管之间的角度。此外,也会对两轮之间距离,以及前叉的几何结构进行革新。
——与“自行车科学家”展开合作的荷兰自行车厂商巴特维斯公司负责人罗伯·里根莫特
 
关于自行车,你以为能自己修理,就算在行了?尝试回答这几个问题:如果骑车时不扶把手,可以一直坚持下去吗?自行车为何不能自己竖着不倒?看似简单的自行车中存在哪些数学和物理原理?完美自行车应该什么样?就是这些问题,让15世纪的达·芬奇伤了脑筋,而今天的自行车厂家同样回答不了。经过150年的演化,自行车绝对不只是代步工具了,它甚至发展出美学意义,成为一种文化符号,但是令人诧异的是,人们竟然不知道自行车的全部工作原理。
 
最近,一向庄重的《科学》杂志收录了一篇名为“一辆自行车可以不带陀螺或轮脚作用而自我平衡”的论文。这题目够让人忍俊不禁了,自行车居然跟基因、脑神经科学、粒子物理等前沿科学挤在一起,寒碜得要命。但是有一点要牢记,《科学》杂志不是在搞“科技扶贫”,自行车也不像人们想象得那么简单。自行车从150年前发展到今天,已经成为最普通的交通工具,但如何设计一辆完美自行车,依然是谜团。在《科学》上刊登论文的几个自行车科学家认为,要找到自行车的物理本质,首先要从平衡性出发。
 
自我平衡性 困惑很多人
 
自行车为什么能平衡地前进呢?这看似无比简单。
 
车头是大部分人调整自行车的工具。骑自行车时,人们会随时调整车头,一旦车子看着要往某边倾斜,我们便会调整车头让其重新回到轨道上来。
 
但也有人可以潇洒地不扶车把骑车,他们利用身体的倾斜度调整来控制自行车的平衡。
 
不过,哪怕没有人骑,自行车自己也可以调整平衡:把一辆自行车推一下,它会自动向前行驶一段路,直到倒下,这个过程被称为“自我平衡”或“自我稳固”。这个特征,曾经在过去的一百多年中困惑了很多人。
 
“为什么自行车会在需要的时刻自己掌舵,我们目前还没有简单的物理学解释。”研究论文中写道。
 
不过,这群把物理天赋用在自行车而不是宇宙大爆炸上的物理学家们,还是找到了一些研究线索。虽然我们还是不知道自行车到底怎么保持自我平衡,但至少他们把原因缩小到几个方面。
 

利用仿生学的自行车,可根据人体高度自行调节。
 
不是购物车 也不是陀螺
 
对于自行车的自我平衡能力,目前有不同的解释。
 
在获过诺贝尔奖提名的物理学家阿诺德·索菲尔德参加的一篇研究论文中提到,自行车能够自我平衡是类似“陀螺”的一种表现。陀螺会产生自旋,随着能量消减而停下来,自行车也有同样的作用。陀螺仪作用在导航定位系统中起了很大的作用,而阿诺德等人也认为,在自行车的平衡力上,陀螺也发挥了关键作用。
 
此外,一些科学家认为,自行车主要是由于“轮脚作用”而能够保持一定程度上的平衡。所谓“轮脚”作用,即自行车的前轮可以像超市购物车的前轮一样起到方向控制作用。
 
不过,在这次新的研究中,这群自行车科学家们则提出,自行车可以既不像陀螺,又不像超市购物车前轮那样实现自我平衡。此前的理论并不一定适用,很多依此增加了车轮陀螺作用或主动驾驶能力的自行车,稳定性并没有增加多少,而且一旦速度提高,就失去了陀螺效应,反而平衡能力减少。
 

可折叠轻便自行车,可折叠到车轮大小。
 
自行车平衡 原因太复杂
 
为了证明这点,这群科学家们从反常规入手,设计了一辆排除了陀螺或轮脚作用的自行车。
 
这辆自行车只带两个小轮,最大限度地减少了车轮的自旋转动量。为了进一步减少陀螺效应,他们还给自行车前轮增加了反自旋轮,用相反方向的旋转消减车轮的自旋。而两个轮胎的设计类似冰鞋,前轮的触地点比驾驶轴略微提前了一点,使得轮脚作用几乎为负。
 
“虽然我们的实验车看上去像是辆折叠踏板车,但它依然是一辆自行车,带两轮,两个车轮架,三个轴。”研究者写道。
 
在荷兰达尔福特大学的停车场和篮球馆,这群科学家以每小时8千米的速度把这辆小车向外推了出去,它自己行驶了相当长的距离,如同任何一辆传统自行车一样,它能够平衡自己。研究者甚至还在自行车自我行驶过程中略微推了它一下,很快,这辆小车又自己调整到直线轨道。“没人知道这是为什么。”参与研究者瑞纳说。
 
“这辆自行车证明,自我平衡还无法用任何简单的词来解释。”另一名达尔福特大学的科学家阿诺德·舒瓦特在展示视频中说道。
 

科学家用作试验的排除陀螺或轮脚作用的自行车,样子像个折叠踏板车。
 
为造自行车 来学数学
 
除了否定陀螺和轮脚作用的关键性之外,他们的实验还显示,自行车重量分布可能对平衡起到很大的作用,特别是自行车前部重量中心的位置,可能极大影响了自行车稳定性。
 
虽然科学家依然没有得出自行车的完美数学公式,但是,至少他们得到了一些启发——陀螺、轮脚作用和自行车前部重心位置这三点,虽然不会各自对平衡力起决定性作用,但可能三者有一股微妙的交互关联,影响自行车的平衡力。研究论文中提到,他们发现当对这三点调整失误后,反而会令自行车更为不稳定。
 
研究者还提到,决定一辆自行车的稳定性还有其他很多因素,比如驾驶轴的几何原理,两轮之间的距离或更重要的车体重量分布。
 
“自行车演化到今天,都是现行常规的设计,但在设计空间上,还有很多地方有着开发潜能。”论文中写道。这群科学家,希望自己的理论研究,能让人们打开思路。
 
虽然在一个多世纪中,人们尝试着给自行车写出一道完美的力学公式却没能如愿,但是,或许只有懂点数学,才能造出更好的自行车。(来源:新京报 金煜)
 
 
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