研究自行车论文

两轮车辆行驶稳定性原理分析摘要：两轮车辆，比如自行车，是我们十分熟悉的代步工具。因其结构简单，制造和使用成本相对其他车辆更低，而且使用方便，极大的改善了人们的出行方式。但看似简单的结构却包含极为复杂的原理，至今仍无人能清晰合理地解答“两轮车辆在行驶时，具有良好的稳定行驶能力”的根本原理。关键词：两轮车辆；行驶稳定性；力矩轴1 引言两轮车辆（如自行车）早在17世纪就有使用记载（见图1）。 图1但“两轮车辆（如自行车），为什么能稳定行驶而不倒呢”，这个问题可能在绝大多数人脑子里面出现过。下面我们以自行车为例，来分析研究一下。 2 自行车行驶时能稳定不倒的传统理论原理介绍 首先介绍一下最常见和引用较多的“陀螺效应”原理。所谓陀螺效应，就是旋转着的物体具有像旋转中的陀螺一样的效应。陀螺效应有两个特点：进动性和等轴性。当高速旋转的陀螺遇到外力时，它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的，而是轴围绕着一个定点进动。大家如果玩过陀螺就会知道，陀螺在地上旋转时轴会不断地扭动，这就是进动。简单来说，陀螺效应就是旋转的物体有保持其旋转方向和旋转轴线的惯性。这个效应的推崇者们认为，自行车行驶时，前后轮都会绕着各自的轴线旋转，具备“陀螺效应”，从而保证了自行车行驶时具有稳定性。其实不然，1970年，一位名叫大卫·琼斯（David . Jones）的英国科学家，通过制造一台消除陀螺效应的自行车，证明了“陀螺效应不是自行车行驶时能稳定不倒的根本原因”。本人用另外一个更加简洁的模型，来进一步验证“陀螺效应不是自行车行驶时能稳定不倒的根本原因”。在如图2所示的模型下，前后轮分别用两根轴支撑起来，但支撑轴与地面不固定，先用外力使前后轮具有较高的旋转速度，并用外部设备使得整个装置平衡，然后去掉外部稳定设备，即使前后轮高速旋转，具有很强的“陀螺效应”，自行车还是会很快倒下。另外，本人还用“履带”模型，简洁明了的证明“陀螺效应不是自行车行驶时能稳定不倒的根本原因”。 图琼斯推翻了“陀螺效应”原理后，提出了一个“前轮尾迹”的概念，他认为由于“前轮尾迹”的存在（见图3），一旦自行车发生倾斜，便会自动产生一个将自行车扶正的偏转角。 图3但是，2011年，《科学》杂志，发表了一篇有关自行车的研究论文，研究者们制作了一种既没有陀螺效应也没有前轮尾迹的自行车模型，试验结果表明，这样的“两无”自行车仍然能够稳定行驶（见图4）。 图4 上述2种最常见的解释“自行车行驶时能稳定不倒”原理，其实都未能从本质上解释说明清楚，但都有其积极意义，比如“前轮尾迹”让前轮具备了一个回正力矩,使得前轮回正性能更好,操纵性更好。 4 探索并构建新的理论模型从本质上分析，自行车能稳定行驶，必须具备两个必要的关键因素：驱动力及稳定的支撑点。驱动力很容易找到，是由人力最终转化为地面对轮胎的摩擦力，从而驱动自行车向前行驶。但稳定的支撑点有几个？在哪里呢？我们看看下图5。 图5很容易找到有A、B两个支撑点，但2个支撑点，无法支撑自行车平衡。所以，我们就看到自行车在静止状态下，必须要加一个支撑点才能稳定。然而，自行车在行驶过程中，没有看到第3个或者更多的支撑点，它仍然可以稳定的行驶，是否存在第3个或者更多无形的支撑点呢？答案是肯定的。客观世界的现象背后必然有其不可违背的规律，本人通过研究分析，提出“力矩矢量轴”，简称“力矩轴”的概念，不仅能解释“自行车行驶时能稳定不倒”，还能客观有效的解释很多其他现象。图6如上图6所示（简化版的自行车支撑示意图），直线行驶中的自行车，在原A、B两个支撑点的基础上，实际上又具备了一根“力矩轴”， “力矩轴”通过自行车质心Z，正是这根“力矩轴”，让行驶中的自行车，具备了良好的稳定性。“力矩轴”是怎么产生的呢？我们先以“自行车在水平路面直线行驶”时来进行分析（见图6，为了简便易懂），自行车两个轮胎的摩擦力f1、f2方向一致，并且与行驶方向一致，且到质心Z点的力臂均为H，自行车驱动力F=f1+f2。因此，F对质心Z点的力矩：M=F*H。力矩作用产生了“力矩轴”。“力矩轴”有其明显的特征，首先“力矩轴”是一个无形的矢量轴，此处用S表示，S值的大小与物体重量m及物体所受外力F成正比，与力臂H成反比，因此推导出经验公式如下：S=λ*m*F/H其中λ为力矩轴系数，与自行车所在地的引力场有关。“力矩轴”方向始终垂直于“受力点、质心Z及驱动力方向所组成的平面”，通过质心Z，并且符合“右手定则”。从图6也可以看出，此状态下“力矩轴”实际上平行于自行车行驶的水平面，相当于在无限远处，有2个支撑点C、D，始终平稳的支撑着质心Z，并且跟着质心Z随时移动，A、B、C、D四个支撑点，确保了行驶中的自行车，具备了良好的稳定性。下面我们再用“自行车在水平路面转弯”时来进行分析： 图7 如上图7所示，转弯时，前后轮所受的摩擦力方向不同。此时，前轮（转向轮）所受摩擦力f2，后轮所受摩擦力f1。支撑点A、质心Z以及摩擦力f1确定了“力矩轴”S1的大小和方向，“力矩轴”S1等同于在无限远处有C1和D1两个支撑点（如图7）；支撑点B、质心Z以及摩擦力f2确定了“力矩轴”S2的大小和方向，“力矩轴”S2等同于在无限远处有C2和D2两个支撑点（如图7）；综上分析，转弯时，自行车相当于有A、B、C1、C2、D1、D2六个支撑点，也是稳定的。但并不是“力矩轴”（或转化为效果等同的支撑点）越多，就越稳定，还跟“力矩轴”数量值大小有关，数值越大则越稳定，反之则越不稳定。同时，因为“力矩轴”S1、S2作为矢量，会最终合成为“力矩轴”S，最终也等同于是4个支撑点。当自行车行驶过程中，遇到外力等因素，比如突然遇到大坑或者碰到大石头，轮胎的摩擦力f1、f2瞬间就减少或者没有了，同时会受到坑或者石头较大的反作用力，原来维持自行车稳定行驶的“力矩轴”瞬间被削弱或者破坏，自行车行驶稳定性就会变差甚至直接倒地。分析到这里，可能有人会问，惯性是不是保持“自行车行驶时能稳定不倒”的原因呢？其实不然。物体（自行车）的惯性，会对自行车的行驶稳定性造成影响，有正面的影响和负面的影响两种。当自行车直线行驶且不需要改变状态时，惯性有保持自行车行驶稳定性的正面效果；但是，当自行车需要改变状态，如转弯时，惯性会破坏自行车的行驶稳定性。我们再来扩展分析一下陀螺旋转的时候，也具有稳定性的原因。图8如图8所示，当陀螺受初始外力矩驱动旋转，状态稳定后，绕着轴A-A'旋转时，其“力矩轴”S与A-A'轴重合, “力矩轴”S一端与地面有一个交点，另外一端等同于在无限远处与其他物体相交，两个交点作为支撑点保持陀螺稳定，因此“力矩轴”S是陀螺能够稳定旋转的根源所在。当再受到外力作用，原“力矩轴”S会发生弯曲变形（类似于普通实物轴变形），如果外力小，“力矩轴”弹性变形后会再次与A-A'轴重合；如果外力大，“力矩轴”会像实物轴一样，塑性变形甚至断裂。 5 新平衡模型及理论应用 为了提高两轮车辆行驶稳定性，我们根据公式：S=λ*m*F/H，可以通过适当加大车辆的重量m；或者是通过适当增加轮胎宽度，改变轮胎花纹，从而增加轮胎与地面的摩擦力F；也可以通过改进车辆结构，降低车辆质心Z的位置，从而缩短力臂。这三种方式可以根据实际情况，任选其一或者随意搭配选择使用，都可以提高两轮车辆行驶稳定性。 “力矩轴”是一根无形的能量轴，同时具有方向性。因为无形的“力矩轴”可提供稳定的支撑作用，并且可以瞬时改变大小和方向，使得两轮车辆在通过性方面，跟其他车辆相比，具有无可比拟的优势。现在大城市，私家轿车拥有量大增，交通拥堵严重。两轮车辆通过改进设计，加装车顶及封闭式前挡玻璃，使其具备遮风挡雨功能，其普及性将会大大提高，从而缓解城市拥堵问题。 鉴于前面的分析，陀螺稳定旋转也遵循“力矩轴”原理，通过扩展分析，我们发现“力矩轴”原理可以在先进的飞行器开发研究上推广使用，可以开发出更具特色的，更加安全和便捷的飞行器。 6 结束语人们对各类现象背后客观规律孜孜不倦的探索，发现和总结成了无数规律，为我们的生产和生活带来了极大的便利。本人通过对“为什么自行车行驶时能稳定不倒”这个历史悠久的课题进行再次研究分析，总结提炼出一个全新的“力矩轴”概念，能有效的解释两轮车辆行驶稳定性的问题，并能推广应用，解释很多其他问题，希望可以给大家的工作提供相关便利。 参考文献：[1]陈治. 大学物理[M].清华大学出版社.2007[2]范钦珊.理论力学[M]. 清华大学出版社. 2014[3]某研究团队.科学[J].科学杂志出版社.2011[4]T·C·马丁.尼古拉·特斯拉的发明、研究及著作[M].欧姆尼出版社.1977