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世纪未解之谜自行车是怎么保持平衡的

放大字体  缩小字体 2019-08-16 03:39:58  阅读:4513 作者:责任编辑NO。谢兰花0258

假如要问,迄今为止人类有过哪些 “ 老练 ” 的创造。

差评君,第一个想到的便是 ——自行车

“ 你现已是辆老练的自行车了,当然能够自己骑自己了!”

只需速度够快,哪怕是在布满了石头凹凸不平的山间小路上,自行车也能够自若前行( 对,在无人的状况下 )。

自行车能够说是人类创造过的最高效、全能的人力驱动交通工具了,也是咱们日子中最常见的一种交通工具之一。

在荷兰,自行车的人均保有量曾一度飙到每 100 人就有 109 辆自行车的惊人数量。带菜篮子购物用的,野外抵挡山地用的,能够载孩子给妈妈专用的,一个人备上好几辆,妥妥的车比人多。

不过差友们或许想不到的是,“自行车到底是怎样坚持平衡的”这个问题至今仍然是个困扰科学界一个多世纪的“ 未解之谜 ”!

要知道, 自行车在 18 世纪末就现已被法国人创造出来了。

而这个能够称得上是国际上第一辆自行车的玩意儿,其实跟 “ 自行 ” 没有半毛钱联系。

它没有驱动设备,没有脚踏板,看上去便是个长了两个轮子的长条板凳,得靠脚在地上 “ 行走 ” 才干带动它跋涉,而想转向?好,人先给我下来,抱着车体再换方向吧。。。

这规划瞅着安全系数有点低

还好这个让整个屏幕都透露出原始气味的规划,没过几年就得到了改进。

在 1817 年,来自德国的森林管理员德莱斯创造出了能够控制车子方向的车把子。

尽管仍是得靠人脚蹬地来驱动,但好歹,不必转移转向了。

1817 年自行车的复刻版

至于它骑起来是什么姿态 ——

既然是靠全赖双脚蹬地驱动,人在上面动起来的姿态,应该差不多是这样的吧

接下来的几十年的时间里,自行车的规划经过了欧洲多个国家的人不断改进,代代演化,期间一度变成了十分反人类的造型,比方,下面这个版别的自行车,想坐上去,几乎比翻上马背还难。。。

自行车的驾御难度,曾一度和杂耍齐飞

总算在 1874 年的时分被一个英国人劳森改造出了人人都能够运用的正常容貌。

劳森创造了一种精细的机械结构,也便是咱们现在所说的铰链,使用铰链,前轮能够在后轮的传动下运动,比马背还高的座椅也总算有时机从直径超越一米的前轮上移向更低更靠后的方位。

看到这儿,估量差友们也多多少少领会到了,自行车,从一开端就不是依托细致的物理学、数学理论公式规划出来的。

它的诞生,彻底依托人类的日子经验!

不过存在即合理,自行车不只存在了快两个世纪,而且还不断 “进化”,到现在现已能够不借助人力自己坚持平衡了,如此奇特的现象,必定应该有个能用来解说它的科学依据吧?

于是乎,科学家们开端倒回去反推它的规划原理,成果发现,诶?这玩意儿玄学了,居然没法儿用现有的科学理论去解说!

从 19 世纪末开端,科学界就现已发布了各种论文来解说自行车的稳定性。其中最干流的一种观念以为,自行车的平衡原理是“ 陀螺效应 ”

差友们小时分应该都玩过陀螺吧?

高速旋转状况下的陀螺,不论遇到怎样的外力干与,它的平衡都很难被破坏掉。

这是由于物体在快速旋转状况下,会发生一种叫做 “ 角动量 ”的物理概念。

仍是拿陀螺来举比方。当陀螺不滚动时,它会由于重力倒下,但一旦它开端高速旋转,就会发生一个方向仅有的角动量。

在下面这张图中,赤色箭头所指的方向便是旋转中陀螺角动量的方向。

用右手定则断定角动量方向

角动量方向一旦构成,就十分难以改动,也便是说假如它的方向是向上的,那就很难把它改动成朝向右上,或许左上。

角动量不是一种力,但它能够表达物体旋转时的状况。

而角动量的这一效果有多强大,看下面这张 GIF 你就知道了。。。

上图左下角的陀螺仪没有旋转时,一松手就掉了;而当它高速旋转时,发生的角动量乃至能让它打败重力的影响,持续挂在绳子上旋转。

哪怕是质量更大的轮胎也相同。

而此刻,假如对这个高速旋转的物体施加外力,只需两种状况,一,物领会为了坚持角动量的方向而发生平移;二,物领会被逼停止正在进行的运动,直接 “ 飞 ” 出去。。。

差友们了解到这儿其实就差不多了。

日子中有许多现象都遵从 “ 陀螺效应 ”,比方打水漂,许多人打水漂失利的原因,八成是由于石头的旋转速度还不足以构成让它坚持方向的角动量。

以及玩儿飞盘,飞盘从被扔出去到落回到你的手里,过程中一向遵从角动量方向不变的规则。

自行车当然也相同了,只需轮胎的旋转速度满足高,不论车上是否有人控制,它们都会坚持一个几乎稳定的方向平移跋涉,( 这也是为什么,速度越快的自行车忽然转向,越简略翻车 )

这套理论是不是满足完好,足以压服你 —— 自行车的平衡原理便是由于 “ 陀螺效应 ” 了呢?

实不相瞒,差评君也差不多彻底被压服了,这套理论也主导了自行车研讨界好长一段时间,但在 1970 年,忽然有个叫琼斯的人忽然跳出来说:底子不是由于 “ 陀螺效应 ”!

琼斯不只说了,还规划出了一个不带陀螺效应的自行车,做了试验发布在了一本叫 《 今日物理 》 杂志上!

这辆特制自行车特别之处在于它有一大一小两个前轮!大前轮在小前轮的传动下,会以不同的旋转方向滚动,也便是说这两个轮子的角动量是彻底相反的,而且彼此抵消,所以这辆车成功在理论上消除了 “ 陀螺效应 ”!

可奇特的是,这辆车也能成功坚持平衡。。。差评君感觉三观受到了冲击。。。

假如不是由于 “ 陀螺效应 ”,那自行车又是由于什么才干坚持平衡的呢?

琼斯提出了一个新理论 ——“ 前轮尾迹 ”理论

听上去却是挺高档的,简略来说便是由于车轮轴心车的方向把更靠前, 当车倾倒时,车头也会朝同一个方向歪掉。

这就意味着在自行车跋涉的时分,倾倒的自行车靠着歪掉的车头,把重心改回到了自行车重心的下方,得以坚持平衡。

差友们细心回想一下,骑车的时分,假如车就要朝着左面倒了,是不是天性地会把车头把向左面,来坚持平衡?

这套理论看上去也很有道理,看得差评君又几乎信了。

可在 2011 年,又有人跳出来,做出了一个应战极限的终极版自行车 ——它不只应战了 “ 陀螺效应 ”,一起也推翻了 “ 前轮尾迹 ” 理论。

这辆自行车的特别之处有两点:它有四个轮子一起前轮的轴心比车把靠后

前轮、后轮分别由两个轮子组成,而这两个轮子的旋转方向是相反的,也便是说前后轮的角动量都被抵消了。

赤色箭头表明角动量的方向

而车把比前轮靠后,意味着靠 “ 前轮尾迹 ” 改动车体重心,坚持自行车平衡的理论也站不住脚跟了。

问题来了,这辆车真的还能够不靠人体掌控,自己坚持平衡吗?

答案是:当然能够。

听说,看了的科学家都哭了。。。而在此之后,直到今日,仍然没有人找出能完美解说自行车坚持平衡的原理。

或许看到这儿,差友们想问了,科学家为啥非得和自行车过不去呢?

由于这正是他们一生尽力的含义地点啊:探究这个国际的本相,找到这个国际工作的本相。

在这一点上,几百年来咱们都做得很成功,从世界运转到微观粒子,科学家都能找到合理的解说。

但低下头,盯着自己从家里骑到试验室通勤用的自行车,发现自己居然连这么个简略玩意儿都没弄懂,这对他们来说几乎就像强迫症在一张平坦的白纸上发现了一条抹不平的折痕相同,难过啊。。。

而也正是由于科学家们这样锱铢必较、上下求索的精力,咱们的科技才得以不断被打破,常议常新,不是吗?

或许自行车坚持平衡的真实原因,就藏在竞技精力里吧!

材料来历:

YouTube 视频:【Fun科學】腳踏車為什麼不會倒?,@佑來了

YouTube 视频:Gyroscopic Precession,@Veritasium

“ 自行车其实是外星人丢到地球的废物 ”

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