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1、自行车中的物理第1页，共14页，编辑于2022年，星期二自行车为什么不倒？v当自行车静止的时候，角动量为零，这时一旦受到外力矩，就直接倒下了，其运动方程由重力矩和绕车轮底部定点的转动惯量决定。第2页，共14页，编辑于2022年，星期二自行车为什么不会倒？v当自行车运动起来之后就可以保持平衡v这又是为什么呢？第3页，共14页，编辑于2022年，星期二自行车为什么不会倒？v原因一：陀螺原理v 高手在骑车的时候，可以双手离开车把，任由车子向前走而不担心摔倒（但要担心前面呼啸而来的汽车）。v 物理学家拿出一个陀螺，放在地上转一下，并开始用鞭子使劲抽打它，随着陀螺越转越快，陀螺也像不倒翁一样，虽然只有一
2、个尖着地，却左右摇摆而不肯倒下。这就是陀螺效应：旋转的物体有保持其旋转方向（旋转轴的方向）的惯性。v 陀螺只有一个旋转方向，已经很稳定了。而自行车有2个轮子，显然自行车轮子在高速旋转的时候，会使自行车更稳定。因此，骑车人撒开车把也不会倒下。第4页，共14页，编辑于2022年，星期二自行车为什么不会倒？v 陀螺效应在保持自行车稳定中也许起到不可忽略的效果，但是，如果自行车单单凭借陀螺效应保持稳定，那么，初学者也应该在高速骑车时不会倒下。但是，2个陀螺似乎并不足以支撑骑车人重达几十公斤的身体的倾斜。刚学习骑车往往会摔得很惨。从另一个方面看，骑独轮车的杂技演员由于车速很低，甚至车轮完全停止转动，则基
3、本无法依靠陀螺效应保持平衡。所以，自行车不到与人自身建立的条件反射也有很大关系。第5页，共14页，编辑于2022年，星期二自行车为什么不会倒？v高速骑车时，会感觉车子比刚刚起步的时候稳定，这又是为什么呢？第6页，共14页，编辑于2022年，星期二自行车为什么不会倒？v 自行车本身的平衡机制，来自于前叉后倾。我们可以观察到，几乎每辆自行车的车把轴，都不是与地面完全垂直，而是后倾的。v 第7页，共14页，编辑于2022年，星期二自行车为什么不会倒？v 由于前轮是固定在车把的前叉上，因此又叫前叉后倾。前叉后倾，使车辆转弯时产生的离心力其所形成的力矩方向，与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原
4、来的中间位置上。这样，车子就有了自动回正的稳定性。车速越快，所造成的恢复力矩越大，骑车人就越感到稳定。这就是高速骑车时，会感觉车子比刚刚起步的时候稳定的原因。第8页，共14页，编辑于2022年，星期二自行车为什么不会倒？v原因二：重心 人和自行车的重心在一条直线上,自行车不管往哪个方向歪,只要人和自行车重心保持一致,自行车就不会歪倒。运动中如果有一些小震动，人可以通过调整姿势来实现新的平衡。在高速转弯的时候，人和车都是倾斜。第9页，共14页，编辑于2022年，星期二自行车为什么不会倒？v既然两个轮子的自行车需要练习才能保持平衡，那为什么不骑三轮车呢？v三轮车不是更容易平衡吗？第10页，共14页
5、，编辑于2022年，星期二自行车为什么不会倒？v在进行转弯时，可以藉由人与车体的倾斜产生反方向的力矩来减小有摩擦力所产生向外翻到的力矩，自然比较稳定。第11页，共14页，编辑于2022年，星期二自行车为什么不会倒？v或是从轮子的接触点来看，当身体与车体倾斜的方向正好在摩擦力与正向力合力的同一方向时，则没有力矩v但是三轮车无法如此偏转，高速时反而不稳定第12页，共14页，编辑于2022年，星期二自行车为什么不会倒?v如小孩子的三轮车般，最早的自行车脚踏板是在前轮上的，所以为了使脚踏的速度小于车轮的速度前轮必须很大：19世纪的产物（虽然平地上方便但上坡时就蹬不动了）第13页，共14页，编辑于2022年，星期二第14页，共14页，编辑于2022年，星期二