运动中的自行车为什么不容易倒？

这是“技术与设计2”的“结构稳定性”中提到的一个问题。我们的网站上也有一些讨论。应该说，问题基本上是清楚的。然而，由于这个问题是一个复杂的多因素问题，至今仍有教师对这个问题有不同的看法。这些不同的观点从不同的角度使问题变得更清楚了。受老师的启发，我想再谈一次这个问题。

首先，车轮的转动不可忽视，因为“自行车不容易摔倒”。

在讨论中有一种观点认为，自行车不会摔倒，因为当自行车倾斜时，骑车人下意识地在倾斜方向上转动车把，导致自行车在倾斜方向上作弯曲运动，从而产生作用在整个自行车重心上的离心力，该离心力相对于地面支点的力矩使自行车不会摔倒。这个解释对于自行车的“翻译”是合理的。然而，这种观点忽略了车轮旋转的作用。那么，车轮的转动对自行车翻倒的难度有影响吗？我们想象制动车轮，让熟练的司机骑在上面，并试图减少车轮和地面之间的摩擦，使其易于滑动，然后用额外的设备向前拖动自行车，而不干扰司机对汽车的控制(这是完全可能的)。我们可以肯定，不管司机有多熟练，自行车都会很快掉下来。因为车轮转动没有稳定作用。

第二，为什么*的转动会使自行车不容易摔倒？

在行驶过程中，自行车车轮的运动可分为绕轴旋转和随整车“平移”。这里，只分析车轮转动对自行车倾覆的影响。

如右图所示，车轮围绕轮轴逆时针旋转。当外部干扰扭矩导致车轮向左倾斜时，车轮如何移动？

让我们检查一下*顶点的运动。车轮的偏转使其产生垂直于旋转平面的轴向速度；由于*的旋转，它还具有位于旋转表面的圆周切向速度；这个点的实际速度是这两个速度的矢量和。这种关闭速度显然减轻了车轮的倾倒。车轮的转速越高，其闭合速度越接近旋转平面，车轮就越稳定。在正常情况下，圆周的切向速度远远高于汽车倾覆时的轴向速度，因此车轮的高速旋转可以有效地抵抗干扰力矩的影响。

应该注意的是，上述解释只能说是一种静态的肤浅的理解，并不能完全解释转轮不容易掉落的根本原因。要全面、科学地理解其本质原因，还必须依靠“陀螺原理”。也就是说，当受到外力干扰时，车轮旋转轴的方向会改变。在旋转轴方向改变的过程中，车轮会产生额外的旋转分量(进动、章动)。旋转的一部分具有抵抗外部干扰的功能。车轮的原始惯性转速越快，即相应质量的动量矩越大，抵抗干扰的能力越强，车轮就越稳定。因为它涉及到数学和力学知识，如矢量叠加、动量方向、动量变换和动量守恒，所以推导很复杂，不能在这里进行。

第三，自行车手在维护自行车中的作用。

“运动中的自行车”这一命题当然包括骑自行车的人，所以段青老师从系统的角度讨论了这个问题，即人和自行车群体形成一个自组织系统。她提到了增加人类来给系统输入能量以使汽车移动，并且通过人类的调整，系统的重心将落在车轮和地面之间的接触范围内。然而，这个命题的机械性还没有被完全揭示，所以它还不够令人信服。“GT”是解释骑车人的角色，而忽略车轮的旋转，这也是不完整的。基于以上两种观点，我认为自行车运动员的作用如下:

1.转动车轮，使其具有“陀螺效应”，从而为不易倾倒的自行车奠定机械基础。

2.在一定的速度下，车轮的抗干扰能力是有限的。自行车的功能之一是通过控制自行车的姿态或自行调节自行车的姿态来将干扰保持在临界值内。

3.调整自行车的姿态，使其具有更好的稳定性，如提高车轮的转速和适当改变自行车的方向。

4.调整整体姿态以抵消干扰。如果由于地面或侧风，车辆总是向一侧倾斜，并且行驶路线不允许转弯，则车辆必须调整其姿态以抵消干扰，并保持车辆处于非下降状态。

四、“前叉向后”的知识。

在讨论中，“为什么自行车在运动中不容易摔倒？”这样做时，还必须充分注意自行车结构中的自稳定因素，即“前叉后倾”的结构布置。

如右图所示，自行车前轮的转向由“前叉”控制。换句话说，当前叉使前轮转向时，前轮以前叉的直径为旋转轴旋转。(图中红色直径)

当扰动扭矩导致汽车向左倾斜时，前轮将向左转动。此时，在前轮与地面的接触点A处，会有向右运动的趋势，因此地面也会产生向左的摩擦力，这有两种作用。首先，它抵抗由于连接前轮和后轮中心形成的力矩而导致的车身向左倾斜。第二，它施加在前叉轴上的力矩迫使前轮返回到原来的方向。

一些优秀的自行车手之所以能“分散车把”，是因为前叉向后。如果前叉是用绳子固定的，他不可能这么聪明。

最初由法国西弗莱克发明的自行车没有“水龙头”，它的速度很低，而且经常摔倒。只有在自行车安装了向后倾斜的水龙头后，骑起来才更安全。