是什么使自行车在行驶时保持直立？

是什么使自行车在运动中保持直立？速度和稳定性之间是什么关系？是线性关系吗？

我可以在物理站点上问这个问题，但是我希望得到一个相对简单的答案。我在大学里上了物理入门课，因此基本物理学受到赞赏，但太过分了。

我认为，保持自行车直立的不是车轮的旋转质量。我最近读了一份研究报告，指出如果您在自行车旁边向后旋转具有相同质量的车轮，则自行车不会失去稳定性。（我不确定在哪里阅读研究报告）。

为什么自行车在滚轴上保持直立？

这个问题最近成为《新科学家》杂志上一篇长篇文章的主题。总结一下：

“为什么这辆自行车在适当的时间转向适当的量以确保自稳定？” 本文问。“我们没有找到简单的物理解释。”

http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html

本文还引用了一项研究，即陀螺力，长期以来一直被认为是自行车稳定性的全部和最终结果，这项研究已经被科学证明不是人们普遍想象的结果。

至于直立在滚子上，这不在本文的讨论范围之内，但是，它确实讨论了当您在没有人骑在街上的情况下将一辆自行车下街时会发生什么—似乎骑手进行的重量和转向调整无济于事用它做。

我认为，《新科学家》文章不是该主题的硬道理。但是，它是最近的（已有几周的历史了），是对这个谜的很好的介绍。请享用！

自行车的几何形状提供了一定程度的自我稳定性。前叉的角度和前角会导致前轮胎趋于变稀的情况，因此纠正掉落到一侧的趋势。

车轮本身的陀螺效应可能不会那么强，但是转向操纵的陀螺效应与前叉的角度/前角共同作用，使轮胎朝着“坠落”方向转动，并提供了更大的自稳定性。

从理论上讲，滚筒与街道没有什么不同-前轮胎会朝着倾斜的方向转向，直到滚筒的边缘产生碰撞或自行车稳定为止。

自行车由于其几何形状而固有地稳定。几何形状使自行车始终转向其开始倾斜的方向，从而使自行车保持直立。原因可以通过称为反转向的概念得到最好的说明。

反向转向是所有两轮车辆的转向方式。当您想向左转动时，您可以将车把向右稍微转动一点。车轮的摩擦力将自行车的底部向右拉，向左倾斜。然后，把手开始向左摆动，以跟踪转弯。

是时候停止转弯了，您将车把向左旋转一点。这将自行车的底部进一步向左拉，这使自行车的底部直接位于重心下方，因此停止了转弯。

在许多自行车上，低速行驶时，许多骑手可能不会注意到反向转向的效果。但是，在高速行驶或重载车辆（例如摩托车）时，这一点更为重要。

那么，在没有骑手的情况下，该如何工作？这是由于前叉和导轨中的耙子引起的。如果您通过叉形轴线到地面画一条假想线，它将在车轮接触地面之前撞到地面。

由于车轮在转向轴后方与地面接触，因此车轮始终会感觉到来自道路的力，试图使其居中，并指向前方。当自行车倾斜到一侧时，力开始将车轮推向自行车倾斜的一侧。

因此，所有这些力量加起来。前叉中的耙子使自行车想直行。当感觉到一个方向或另一个方向的颠簸时，反向转向将趋向于将自行车带到另一个方向。然后，前叉耙将开始将前轮推向更远的位置，然后由于反向转向，这将使自行车伸直。

就像平衡扫帚一样，您控制着车轮在自己下方的移动。自行车制造商通过设计转向几何形状来提供帮助，以使自行车在不打扰的情况下也能保持直立。

陀螺力有帮助但不是必需的。

最近对此进行了一些研究：http : //www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bicycle_stay-78139

先前认为，自行车的旋转轮通过陀螺效应提供稳定性。而“尾迹”（前轮的接触点在转向轴后面的距离）起着重要的作用。

然而：

代尔夫特大学3mE系的研究人员Arend Schwab博士说，《科学》杂志上的一项新研究声称已经解决了这个问题-陀螺效应和跟踪帮助，但是在一定速度以上并不必要。在2007年《皇家学会议事录》（doi：10.1098 / rspa.2007.1857）中，当时开发了具有约25个物理参数的数学模型，该模型似乎可以预测自行车的特定设计是否以何种速度运行，以及以何种速度运行。稳定。

作者设计并制造了两轮溜冰自行车，它的车轮较小且反向旋转，这意味着没有陀螺效应，并且负向轨迹较小（换句话说，前轮的接触点为在转向轴的前面）。然而，自行车在行驶时仍保持稳定。

这个7分钟的视频介绍了自行车的稳定性，并讨论了陀螺仪，脚轮和转向效果。特别地，它显示了即使取消了一个或多个稳定源也可以保持平衡的（无骑行）自行车的示例。因此，包括骑手在内，有几种设计特性可以提高稳定性。

当前，认为影响自行车稳定性的主要因素有三个：

1. 的量前轮轨迹（即，脚轮设计）
2. 前轮转向轴前方的质量分布
3. 陀螺仪进动

在现代自行车中，这三个部分共同作用，使自行车自动转向跌倒状态，从而表现出自我稳定的行为。这种自动转向行为将使自行车能够稳定在滚轴上或在地面上行驶。

因为稳定性是通过多个因素的平衡来实现的，所以任何一个因素过多都会使设计不稳定（例如，通过过度校正）。此外，并非所有因素都具有相同的影响。在没有其他因素的情况下，孤立的某些因素可能足以使自行车自行稳定（例如，转向轴前方的质量分布）。

多种因素的存在还意味着不同的稳定设计可以使用不同数量的每种因素。例如，在1940年代，randonneur自行车使用的步道少得多，但在转向轴前增加了质量（即，前袋装有齿轮），从而形成了稳定的自行车。

MinutePhysics上有一段精彩的短片，介绍了这些影响的影响。我相信，在最稳定的设计中，陀螺仪行进（3）的效果最弱。

如上所述，借助自我稳定的特性，自行车在骑行时保持直立的基本原因是，通过将自行车的接触点保持在质心下方，您可以积极地保持平衡。在骑行过程中，您将进行细微的转弯动作以将自行车保持在您的下方-当自行车向左下落时，您将向左转，这将移动前轮并将自行车放回您的下方。在压路机上，当自行车在压路机上来回运动时，您会看到它-当它无法做到时，您会摔倒。

在学习骑行之后，您能够无意识地做到这一点，以至于转向后转向骑自行车是一个很大的挑战。

基本的答案是角动量。基本上，一个旋转的物体（您的车轮）在尝试“倾斜”时会朝相反的方向施加力。要在家中尝试，请卸下前轮。双手抓住车轴并旋转车轮。现在尝试倾斜车轮。注意轮子如何向后拉。在车轮不旋转的情况下尝试相同的操作，请注意它不会向后拉。车轮旋转得越快，向后拉的力就越大。我不确定这种关系是否线性。看一下这里，可以更基本地了解角动量。它显示了使用自行车轮胎进行演示的视频。

它应该像这样简单：

• 行动=反应。如果自行车是直立的，除非有侧向力，否则它将保持直立。即使自行车不动也是如此。
• 如果有某种力量破坏平衡，则需要有相等数量的抵消力量来维持平衡。
• 当自行车运动时，转向会将向前的动量转化为侧向力，因此可以使用转向来平衡自行车。
• 在滚轮上，自行车可以侧向移动以保持平衡。
• 移动骑车人的体重不应产生侧向力，因为要移到一侧，骑车人需要以相同的力沿另一方向推动自行车。这样做的任何成功都可以归因于系统效率低下。

然后是轮子的陀螺效应，可以改变作用在系统上的力的大小和方向。