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公共汽车的未解之谜(公交车诡异未解之谜)

放大字体  缩小字体 来源:答案在这儿 2022-08-07 03:01  浏览次数:7063

自全球变暖态势愈加严重之后,我国开始倡导“节能减排,绿色出行”,呼吁民众多乘坐公共交通,减少开车出行。此外中国在互联网和手机的高速发展的共同作用之下,人们进入了使用手机就能走遍天下的时代,共享经济由此诞生。

现代年轻人除了公共交通之外最常使用的交通工具就是共享单车了,骑单车出行,不仅环保而且健康。可是你知道吗?这小小的单车背后其实藏着许多谜题。

自行车在每一个人心中都留下了深刻的印象,不论是小时候坐在家人自行车后座上昏昏欲睡中被送去上学,还是步入青年时与同学在校门口的大路上相互“飙车”,自行车仿佛在我们人生的每一个阶段都会出现。但是不少人常常会感到困惑,自行车为什么不会倒呢?

自行车历史

自行车发明至今,已经有200多年的历史了,它是一种由多个简单机械组成的复杂人力机械,被誉为人类最成功的发明之一。最早的自行车发明者是一个法国人,名叫西夫拉克,他于1970年时行走在街道上被路过的马车溅了一身泥,由此产生了建造“小型马车”的想法,这种小型马车就是将四轮马车从中间劈开,变成前后都只有一个轮子的小车。这个古早自行车没有转向和驱动装置,连我们认为必备的脚踏板都没有,骑行时只能依靠自己蹬地前行

这之后又有不少人对自行车有了改良的想法,比如英国的铁匠麦克米伦,他为自行车装上了脚蹬,并且将后轮轴的曲柄和脚蹬连接了起来,但是由于没有刹车,这类自行车安全性很低。

经过了不少人的改良,类似于现代自行车的雏形终于在1974年诞生,一位英国人给它装上了链条和齿轮,不过同前文的老式自行车一样,都有着前轮大后轮小的缺点。1888年,第一辆现代自行车出现,它的安全性相较之前提升了很多,可以通过前叉来把握骑行方向。

自行车在100多年的时间内快速发展,其质量越来越好,并且针对不同的人群和骑行环境,设计出了多种类型,供人挑选。比如有公路单车、健身单车、场地单车、山地单车、速降单车等等。值得一提的是,随着单车类型的越来越多,骑单车旅行的群体也越来越多,他们成为了公路上靓丽的风景线,尤其是骑车去西藏,是不少人的梦想。

不过还是要提醒大家,长途骑行前要做好充足准备再上路,冲动行事可不行,尤其是骑行前往高海拔地区前,要考虑自己的身体是否能承受

陀螺效应

美国科普杂志《Discover Magazine》上评选2011全球顶尖的科学故事中,就将“自行车的物理故事”收录了进去,并且排在第26名的位置。法国的科学院甚至将自行车为何不倒立为了基础研究课题并且设立了奖项,在物理学家看来自行车不倒一直都是一个未解之谜,为此他们经过长时间的研究,给出了多种原因的猜想,其中最受认可的就是陀螺效应

陀螺效应指的是重力对高速旋转中的陀螺产生的对支撑点的力矩不会使其发生倾倒,而发生小角度的进动。

大家小时候应该都玩过陀螺,它的外形一般是上宽下窄,在这样头重脚轻的设计之下竟然能一直保持旋转,即使碰到了地面上小的障碍也不会歪倒,确实非常神奇。这是由于物体的惯性会使得旋转的物体处于稳定运动的状态看到陀螺动力不足时,使用鞭子抽打再次使它旋转,这种就叫做陀螺效应。

不过仅仅看陀螺我们可以理解,可是自行车怎么是在旋转呢?当然不是自行车整体在旋转,而是自行车的车轮,当前后轮开始旋转之后,就会产生陀螺效应,速度越快陀螺效应越稳定,当我们遇见红灯明显减速或者完全停车的时候,自行车就会向旁边倾倒。

可见陀螺效应对于自行车保持平衡不倒起着巨大的作用,北大的一位物理学教授专门在文章《自行车的学问》中对这一问题进行了详细的论述,他拿硬币滚动类比自行车,指出自行车在出现倾斜时,假如是向着左侧,人们将前轮左转,在这之中其实是给前轮了一个向左旋转的力矩,这与前文中陀螺效应定义当中的力矩一样,在这种作用之下前轮会从倾斜变成直立。

离心力效应

另一种原因是离心力效应,这一概念其实和陀螺效应有些类似,指正在做圆周运动的物体,因为会有惯性因素的存在,物体会逐渐远离中心。离心力在本质上是一种虚拟的力,或者可以叫惯性力,是与向心力相对的。滚筒洗衣机正是利用了这一原理,来将衣服内的水甩干。

自行车车轮开始旋转以后,它的每一个点都受到了离心力的牵制,类似于有无数条绷紧的绳子向外拽着车轮,当自行车快倒下的时候,向外的离心力会将它拽回正轨。而当我们车速减慢时,趋近于停车,离心力就不会这么明显了。简单点说就是向外倾倒的力和离心力达到了守恒,相互拉扯之下使得自行车处于一个趋于稳定的状态。

和陀螺效应一样,离心力的大小也跟轮轴转动的速度有关,转速越快离心力越大

在离心力的作用之下,不少双手脱把的“勇士”就出现了,这也从侧面体现了自行车不倒。并不完全依赖与车把的控制,因为在双手脱把的状态下,它照样可以平稳前行。

在宇宙天体的运动中,离心力也十分常见,比如地球的天然卫星月球在引力的作用下一直围绕着地球做惯性运动,这当中就有离心力效应。武器杂耍当中经常使用的流星锤,拽住一端上来抡几圈,锤体就会处在匀速圆周运动的状态之下。生活当中的离心力效应还是十分常见的,只是大家没有注意到。

其他原因

因为自行车为何不倒的问题一直处于无准确定论的情况,大家都可以提出不同的观点,所以除了以上两个比较主流的观点之外,还有不少有依据,等待证明的观点,在这里列为其他原因,向大家展示。

首先是“夹角作用”,有人指出自行车的车把手和前车轮当中的垂直线之间是有夹角的,这一夹角削弱了倾倒的倾向。当然这也是基于自行车前后的重心不同,他们认为在自行车后轮的多个装置产生的重量会使得后轮的重心变低。前轮一旦有倾倒的情况,就能够将其传递给后轮

车把转向轴与重力作用线有一个夹角,根据三角关系计算,这个夹角越大,传给转向轴的作用力越小。

因此这一观点指出这种夹角在自行车平衡当中起到了重要作用。

其次人的主观动态调整作用,这一观点主要是从车把是调整倾倒方向的主要原因出发的。因为行进时我们握着车把可以随时调整车把方向察觉要倾倒时,使行车曲率的半径变为r=v2/gtanθ,就可以避免倾倒

人的主观能动性表现在对v、r、θ及时准确的反馈和调节上,使人处于动态平衡之中。

最后一种观点算是杂糅了上方的所有猜测,这一派认为自行车不倒这种现象其实是多重效应的综合体现。如上文所述的陀螺效应和离心力效应,在这当中其实都有着角动量守恒这一定律,并且起着主要的作用。而车把的夹角和人的主观能动性控制当然也必不可少,针对不同条件下各种效应的占比有所不同,比如说脱把骑车中车把夹角和人本身对于车把的控制就不是很重要了,应该是陀螺效应或者离心力更加明显。

新型自行车

不少研究者基于以上原理,设计出了新型的自行车,这种自行车可以没有车把,也不用产生陀螺效应,在这种条件之下稳定前行。虽然这个车没有陀螺效应和车把,但是它也没有车座,显然只是物理学家为了证明理论设计的模型车,但是他们相信基于这个一新型自行车的理论进行研究,日后能设计出类似的傻瓜式自行车。

美国费城的公司研制出了一类不需要外力辅助就能保持平衡的自行车,为了加大陀螺效应的影响,他们直接在前轮处安装了陀螺仪,可以通过车把的控制这个陀螺仪,当系统检测到快要倾倒时就会自动转动车把。他们表示设计的初衷是为了帮助小孩掌握骑车技巧,这种智能配备可以避免孩子在学车时摔倒。

不过,如果孩子习惯了这种智能帮助的情况,之后在卸下陀螺仪后肯定不适应,岂不是还要从头学起?因此这个新款自行车现在尚未投入大规模生产,该公司表示还是需要继续改进和考察市场需求。

结语

科学家经过苦苦研究认为,自行车能够在行驶过程中不倾倒,就是因为以上这些原因,当然至于具体原因到底是什么,目前都未能得出定论,可以说这一问题现在在物理学界当中还是一个未解之谜

这可能就是科学家和常人最大的区别吧,这一寻常的事情在他们看来是难以解释清楚的物理难题,作为普通人的我们虽然曾经也对此产生过好奇,但是并未深入研究,最后也就不了了之了。

大概想要探究科学,就需要时刻保持好奇心和探索的欲望,哪怕目前这一问题的答案对世界并没有什么作用,如此看来科学原是为未来而生的学科吧。

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