探究自行车的平衡原理(终极版)

论自行车平衡原理1论自行车的平衡原理经济类N124学号：201245669440姓名：郑子龙摘要自行车，在人们日常生活中论文就此问题利用各种资料对自行车不倒的现象进行深入的研究和详细的分析。关键词：自行车平衡陀螺效应平衡机制陀螺效应：旋转的物体有保持其旋转方向（旋转轴的方向）的惯性。例:一个转动的物体，当在某一点施力，施力的效果会出现在沿转动方向90度的地方出现，而且转动的物体会有保持原来状态，抗拒外来力量的倾向，也就是转动中物体的轴心会极力保持在原来所指的方向。像枪管中的膛线使子弹高速旋转以保持直进性就是运用陀螺效应，直升机高速旋转的主旋翼同样的也会有陀螺效应产生，控制方式也必须考虑这种力效应延后90度出现的陀螺效应。实验验证在陀螺效应（高速运动）时自行车的稳定性。方法就是把车轮拆出来，用手指抬着车轴一端，让车轮在高速转动。我们发现神奇之处：车轮在手指上转动并不翻倒。据此情况我们并不能准确确定其与速度有关，于是我们继续实验，争求多种实验的通性。接下来我们用绳子绑着一个纸杯，在纸杯里放重物，手拿绳子另一端转动，慢速时重物掉下，快速时重物不掉落。之后我们观察了陀螺转动的整个过程，又有了意外的收获。陀螺转动过程：一开始由于手拉动而使陀螺倾斜，陀螺就兜着圈起来，然后陀螺会自动摆正至在地上某一点稳定转动，转了一段时间后，陀螺速度慢下来，倾斜地转着，最后停了，倾斜倒在地上。分析：陀螺稳定到一点，说明有力令它保持在原来所指的方向上，由于陀螺转动是一个不断减速的过程，速度低了，自然就倾斜了，直至倒在地上。由以上3个陀螺效应现象，我们可以准确确定陀螺转动的稳定性是与速度有关的，而且是成正相关的，也就是说自行车的两轮子充当了两个陀螺，为自行车的平衡提供了一臂之力。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。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论自行车平衡原理2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。人一车系统的平衡，是骑车的时候，人车系统也是一种加速度很小的“微变速运动”，严格说来，人车系统不是处在平衡状态，而是加速度很小且不断变化的大致上的“平衡”状态。所以人—车控制系统和车的波幅和波频都有关。我们在骑自行车时，人与车的重心并不可能一直保持在同一个方位，所以重心是在不断变化的，那就要靠人对车的控制来固定重心的位置，即人让车平衡。仔细观察后，我们得出，人—车平衡系统与自行车的平衡十分有关，人主要是通过对车头的控制，腰部对座椅的控制等一系列控制来使自行车保持加速度很小且不断变化的大致上的“平衡”状态。人车系统随着时间发展，人—车系统的控制越灵活。我们提出了猜想，如果有个真空的空间，地面是绝对光滑的，自行车的重心垂直于支撑点的话，根据牛顿第一定律，那么自行车应该会匀速运动下去。因为不受其它力的影响，自行车也不会倒下。但是，我们现在根本做不到这种条件，况且只要一条头发的重量就能把在这种条件下的自行车撞倒，世界上也没有这种条件空间，面对实际的情况，只有有了一个像人一样控制系统，才能维持自行车的不倒。总结到这里，我们好像把自行车的能保持平衡的原因而解开了，我们发现了自行车的平衡与速度，人车系统的关系。就是消除支撑点变化所带来的不稳定，所以开始骑车时没有中途般稳定。严格来说，人的走路是一个重心不断变化的近似匀速的变速运动—我们在此定义为“微变速运动”。人推车时也是一个“微变速运动”。骑车的时候，人车系统也是一种加速度很小的“微变速运动”，严格说来，人车系统不是处在平衡状态，而是加速度很小且不断变化的大致上的“平衡”状态。在上车前后，人车系统的加速度相对比较大（其实也不大），人和车各自的质量分布在较“剧烈”地变动，但整个人车系统是保持“微变速”平衡的。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。在高速转弯论自行车平衡原理3的时候，人和车都是倾斜。从资料中得出维持躯体平衡的主要是身体中的小脑和内耳，其中小脑作用最大，小脑对于躯体平衡的调节，是由绒球小结叶，即古小脑进行的。躯体的平衡调节是一个反射性过程，绒球小结叶是这一反射活动的中枢装置。躯体平衡变化的信息由前庭器官所感知，经前庭神经和前庭核传入小脑的绒球小结叶，小脑据此发出对躯体平衡的调节冲动，经前庭脊髓束到达脊髓前角运动神经元，再经脊神经到达肌肉，协调了有关颉颃肌群的运动和张力，从而使躯体保持平衡。理论成果：自行车的平衡的主要原因有两个：一：速度（包括“陀螺效应”和“自行车的平衡机制”）、人-车平衡系统（包括“加速度很小的‘微变速运动’”和“重心”）。我们可以得出自行车之所以能够不倒下，主要是有两个原因，分别是速度（陀螺效应）与人-车系统。陀螺效应实验验证车轮在高速旋转时确实有保持一方向不变的力，它使自行车能够立起起着重要作用，它也是我们在高速骑车时比低速的要稳定的原因之一。至于别的原因，就是自行车的平衡机制，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。”对于速度那个原因，可以分为两个分原因，分别是陀螺效应（在陀螺效应下就会保持原来运动方向不易倒下）和自行车的平衡机制（转弯的所需向心力迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上）。这都说明了自行车行驶的稳定性随着速度增大而更加稳定。对于“人-车”平衡系统，经定车实验得知，有人一车系统在，即使速度很慢，也可定住不倒下。在定车视频中看到，车手是在不断地摆动车头使自行车立起来的，摆车是在对车子的“宏观调控”，当身子向右倾时，我们车头便立刻摆向右一保持平衡，使重心又保持垂直。还有那个加速度，我们骑车时，几乎每时每刻都有微加速变化，而是加速度很小且不断变化的大致上的“平衡”状态。论自行车平衡原理4本论文是在老师廖绍凯的悉心指导下完成的。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。在此，谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感谢—廖绍凯老师的指导和帮助；感谢资料室相关老师的指导和帮助。在学习期间，得到公选课同学的关心和帮助，在此表示深深的感谢。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的选修论文的，同窗之间的友谊永远长存。2013年5月16日