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不会倒的车辆

发布时间:2021-03-29 13:07:58

1、为什么人骑两个轮子的车子不会倒??有的人为什么会倒?

物件所以会倒是因为受力不均匀所致。从理论上来讲,竖起向下的柱子仅凭其自身重力也可以维持竖立姿态,但由于我们将其竖直放置的时候,无法在松手的一瞬间保证其除自身重力外不再受力,从而无法使其保持为一种姿态(真空中的物体除外)。自行车之类的二轮车之所以可以在骑行的过程中保持不倒向一方,主要原因在于其两轮轮胎与地面接触受力相对平衡,两轮车目前只能向一个方向骑行也是其中一个原因。

2、为什么在骑自行车的时候车不会倒

一、车轮的转动,对“自行车不容易倒” 的作用不能忽略。
讨论中有一种意见认为,自行车不倒,是因为骑车的人在车产生倾斜时,下意识地把车把向倾斜方向转动,使车向倾斜方向作曲线运动,从而产生一个作用在整车重心上的离心力,这个离心力相对于地面支点的力矩而使车不倒。这个解释对自行车的“平动”是合理的。但这种观点却忽略了车轮转动的作用。那么,车轮的转动对自行车的不易倾倒到底有没有作用呢?我们设想,把车轮制动,让熟练的车手骑在上面,并想法使车轮与地面减少摩擦,使之易于滑动,然后用外加设备拖动自行车前进,且不妨碍
车手对车的操纵(这是完全做得到的)。我们可以肯定,
不管车手多么熟练,自行车都会很快倒下。因为这时缺
少了车轮转动所起的稳定作用。
二、车轮转动为什么可以使自行车不容易倒?
行进中,自行车车轮的运动可以分解为绕轴的转动
和随整车前进的“平动”。这里只分析车轮绕轴转动对
自行车发生倾倒的影响。
如右图所示,车轮绕轴逆时针转动,当外界干扰力
矩使车轮向左发生一定的偏倒时,车轮到底怎样运动呢?
我们来考察车轮最上面一点的运动状态。车轮的偏转,使它产生了一个垂直于旋转平面的轴向速度;由于车轮的转动,它还具有位于旋转面内的圆周切向速度;该点的实际速度是这两个速度的矢量和。这个合速度显然缓解了车轮的倾倒。轮子的转速越大,其合速度越靠近旋转平面,车轮也就越稳定。一般情况下,圆周切线速度都比使车倾倒的轴向速度大得很多,因而车轮的高速转动能有效地抵御干扰力矩的作用。
需要说明的是,以上这种解释只能说是一种静态的、粗浅的理解,它没有完全说明旋转的车轮不容易倒的本质原因。要全面科学地理解其本质原因,还必须凭借“陀螺原理”。也就是,当受到外力干扰时,车轮转轴方向发生变化,在转轴方向变化的过程中,车轮将产生附加的旋转分量(进动、章动)。其中某部分旋转量具有抵抗外力干扰的作用。车轮原有惯性旋转速度越快,即相应质量的动量矩越大,反抗干扰的能力就越大,车轮就越稳定。因为涉及到矢量叠加、动量矩方向、动量矩转化和守恒等数学力学知识,推导也较繁复,不能在此展开。
三、骑车人在维持自行车不倒中的作用。
命题中“运动中的自行车”当然是包含了骑车人在内,所以段青老师是用系统的观点来论述这个问题的,即人和车组成了一个自组织系统。她提到了人的加入,给系统输入能量,让车动起来,并通过人的调节,使系统的重心落在车轮与地面接触的范围内。但因对此命题的力学本质未能充分揭示,故显得说服力不够。“GT”又是在忽略了车轮转动的情况下来阐述骑车人的作用的,也有不全面之嫌。综合上面两种看法,我认为骑车人的作用有如下一些:
1.让车轮转动,使之具备“陀螺效应”,从而给自行车奠定了不易倾倒的力学基础;
2.由于在某一转速下,车轮抗干扰的能力是有限的。骑车人的作用之一就是通过对自行车姿态的控制或骑车人本身姿态的调节,使干扰始终维持在临界值之内;
3.调节自行车姿态,使之具有更好的稳定性,如加大车轮转速,适当改变车的方向等;
4.调节整体姿态,以抵消干扰。如因地面或侧风使车始终向一边倾斜,而行车路线又不允许转弯时,则需调整姿态,抵消干扰,保持车的不倒状态。
四、“前叉后倾”的学问。
在讨论“运动中的自行车为什么不容易倒?”时,还必须充分注意到自行车结构中的自稳定因素,这就是“前叉后倾”的结构安排。
如右图所示,自行车前轮的转向是由“前叉”控制的。也就是说,前叉操纵前轮转弯时,前轮的转动是以前叉所在的直径为转轴的。(图中红色直径)
当干扰力矩使车向左倾斜,前轮也将随之向左转弯。这时,在前轮与地面的接触点A处必将产生一个向右的运动趋势,因而地面也就必将产生一个向左的摩擦力,这个摩擦力有两个作用。一是它对前后轮中心连线所形成的力矩,反抗车身向左的倾斜;二是它对前叉轴线形成的力矩迫使前轮恢复到原来的方向。
一些骑车高手之所以能“撒把”骑行,其功劳应 归于后倾的前叉。如果用绳将前叉固定,他就不可能如此潇洒了。
法国人西弗拉克最初发明的自行车,没有“龙头”,速度很低,经常摔倒,只有在自行车装上了后倾的龙头之后,骑车才变得更加安全。

3、两轮车在行驶中为何不倒?

两轮车辆行驶稳定性原理分析

摘要:两轮车辆,比如自行车,是我们十分熟悉的代步工具。因其结构简单,制造和使用成本相对其他车辆更低,而且使用方便,极大的改善了人们的出行方式。但看似简单的结构却包含极为复杂的原理,至今仍无人能清晰合理地解答“两轮车辆在行驶时,具有良好的稳定行驶能力”的根本原理。
关键词:两轮车辆;行驶稳定性;力矩轴
1 引言
两轮车辆(如自行车)早在17世纪就有使用记载(见图1)。

图1
但“两轮车辆(如自行车),为什么能稳定行驶而不倒呢”,这个问题可能在绝大多数人脑子里面出现过。下面我们以自行车为例,来分析研究一下。

2 自行车行驶时能稳定不倒的传统理论原理介绍
2.1 首先介绍一下最常见和引用较多的“陀螺效应”原理。
所谓陀螺效应,就是旋转着的物体具有像旋转中的陀螺一样的效应。陀螺效应有两个特点:进动性和等轴性。当高速旋转的陀螺遇到外力时,它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的,而是轴围绕着一个定点进动。大家如果玩过陀螺就会知道,陀螺在地上旋转时轴会不断地扭动,这就是进动。简单来说,陀螺效应就是旋转的物体有保持其旋转方向和旋转轴线的惯性。
这个效应的推崇者们认为,自行车行驶时,前后轮都会绕着各自的轴线旋转,具备“陀螺效应”,从而保证了自行车行驶时具有稳定性。
其实不然,1970年,一位名叫大卫·琼斯(David E.H. Jones)的英国科学家,通过制造一台消除陀螺效应的自行车,证明了“陀螺效应不是自行车行驶时能稳定不倒的根本原因”。
本人用另外一个更加简洁的模型,来进一步验证“陀螺效应不是自行车行驶时能稳定不倒的根本原因”。在如图2所示的模型下,前后轮分别用两根轴支撑起来,但支撑轴与地面不固定,先用外力使前后轮具有较高的旋转速度,并用外部设备使得整个装置平衡,然后去掉外部稳定设备,即使前后轮高速旋转,具有很强的“陀螺效应”,自行车还是会很快倒下。
另外,本人还用“履带”模型,简洁明了的证明“陀螺效应不是自行车行驶时能稳定不倒的根本原因”。

图2

2.2琼斯推翻了“陀螺效应”原理后,提出了一个“前轮尾迹”的概念,他认为由于“前轮尾迹”的存在(见图3),一旦自行车发生倾斜,便会自动产生一个将自行车扶正的偏转角。

图3
但是,2011年,《科学》杂志,发表了一篇有关自行车的研究论文,研究者们制作了一种既没有陀螺效应也没有前轮尾迹的自行车模型,试验结果表明,这样的“两无”自行车仍然能够稳定行驶(见图4)。

图4

上述2种最常见的解释“自行车行驶时能稳定不倒”原理,其实都未能从本质上解释说明清楚,但都有其积极意义,比如“前轮尾迹”让前轮具备了一个回正力矩,使得前轮回正性能更好,操纵性更好。

4 探索并构建新的理论模型
从本质上分析,自行车能稳定行驶,必须具备两个必要的关键因素:驱动力及稳定的支撑点。
驱动力很容易找到,是由人力最终转化为地面对轮胎的摩擦力,从而驱动自行车向前行驶。
但稳定的支撑点有几个?在哪里呢?我们看看下图5。

图5
很容易找到有A、B两个支撑点,但2个支撑点,无法支撑自行车平衡。所以,我们就看到自行车在静止状态下,必须要加一个支撑点才能稳定。然而,自行车在行驶过程中,没有看到第3个或者更多的支撑点,它仍然可以稳定的行驶,是否存在第3个或者更多无形的支撑点呢?答案是肯定的。客观世界的现象背后必然有其不可违背的规律,本人通过研究分析,提出“力矩矢量轴”,简称“力矩轴”的概念,不仅能解释“自行车行驶时能稳定不倒”,还能客观有效的解释很多其他现象。

图6
如上图6所示(简化版的自行车支撑示意图),直线行驶中的自行车,在原A、B两个支撑点的基础上,实际上又具备了一根“力矩轴”, “力矩轴”通过自行车质心Z,正是这根“力矩轴”,让行驶中的自行车,具备了良好的稳定性。
“力矩轴”是怎么产生的呢?我们先以“自行车在水平路面直线行驶”时来进行分析(见图6,为了简便易懂),自行车两个轮胎的摩擦力f1、f2方向一致,并且与行驶方向一致,且到质心Z点的力臂均为H,自行车驱动力F=f1+f2。
因此,F对质心Z点的力矩:M=F*H。
力矩作用产生了“力矩轴”。“力矩轴”有其明显的特征,首先“力矩轴”是一个无形的矢量轴,此处用S表示,S值的大小与物体重量m及物体所受外力F成正比,与力臂H成反比,因此推导出经验公式如下:
S=λ*m*F/H
其中λ为力矩轴系数,与自行车所在地的引力场有关。
“力矩轴”方向始终垂直于“受力点、质心Z及驱动力方向所组成的平面”,通过质心Z,并且符合“右手定则”。
从图6也可以看出,此状态下“力矩轴”实际上平行于自行车行驶的水平面,相当于在无限远处,有2个支撑点C、D,始终平稳的支撑着质心Z,并且跟着质心Z随时移动,A、B、C、D四个支撑点,确保了行驶中的自行车,具备了良好的稳定性。
下面我们再用“自行车在水平路面转弯”时来进行分析:

图7

如上图7所示,转弯时,前后轮所受的摩擦力方向不同。此时,前轮(转向轮)所受摩擦力f2,后轮所受摩擦力f1。
支撑点A、质心Z以及摩擦力f1确定了“力矩轴”S1的大小和方向,“力矩轴”S1等同于在无限远处有C1和D1两个支撑点(如图7);
支撑点B、质心Z以及摩擦力f2确定了“力矩轴”S2的大小和方向,“力矩轴”S2等同于在无限远处有C2和D2两个支撑点(如图7);
综上分析,转弯时,自行车相当于有A、B、C1、C2、D1、D2六个支撑点,也是稳定的。
但并不是“力矩轴”(或转化为效果等同的支撑点)越多,就越稳定,还跟“力矩轴”数量值大小有关,数值越大则越稳定,反之则越不稳定。
同时,因为“力矩轴”S1、S2作为矢量,会最终合成为“力矩轴”S,最终也等同于是4个支撑点。
当自行车行驶过程中,遇到外力等因素,比如突然遇到大坑或者碰到大石头,轮胎的摩擦力f1、f2瞬间就减少或者没有了,同时会受到坑或者石头较大的反作用力,原来维持自行车稳定行驶的“力矩轴”瞬间被削弱或者破坏,自行车行驶稳定性就会变差甚至直接倒地。
分析到这里,可能有人会问,惯性是不是保持“自行车行驶时能稳定不倒”的原因呢?其实不然。物体(自行车)的惯性,会对自行车的行驶稳定性造成影响,有正面的影响和负面的影响两种。当自行车直线行驶且不需要改变状态时,惯性有保持自行车行驶稳定性的正面效果;但是,当自行车需要改变状态,如转弯时,惯性会破坏自行车的行驶稳定性。
我们再来扩展分析一下陀螺旋转的时候,也具有稳定性的原因。

图8
如图8所示,当陀螺受初始外力矩驱动旋转,状态稳定后,绕着轴A-A'旋转时,其“力矩轴”S与A-A'轴重合, “力矩轴”S一端与地面有一个交点,另外一端等同于在无限远处与其他物体相交,两个交点作为支撑点保持陀螺稳定,因此“力矩轴”S是陀螺能够稳定旋转的根源所在。当再受到外力作用,原“力矩轴”S会发生弯曲变形(类似于普通实物轴变形),如果外力小,“力矩轴”弹性变形后会再次与A-A'轴重合;如果外力大,“力矩轴”会像实物轴一样,塑性变形甚至断裂。

5 新平衡模型及理论应用
5.1 为了提高两轮车辆行驶稳定性,我们根据公式:S=λ*m*F/H,可以通过适当加大车辆的重量m;或者是通过适当增加轮胎宽度,改变轮胎花纹,从而增加轮胎与地面的摩擦力F;也可以通过改进车辆结构,降低车辆质心Z的位置,从而缩短力臂。这三种方式可以根据实际情况,任选其一或者随意搭配选择使用,都可以提高两轮车辆行驶稳定性。
5.2 “力矩轴”是一根无形的能量轴,同时具有方向性。因为无形的“力矩轴”可提供稳定的支撑作用,并且可以瞬时改变大小和方向,使得两轮车辆在通过性方面,跟其他车辆相比,具有无可比拟的优势。现在大城市,私家轿车拥有量大增,交通拥堵严重。两轮车辆通过改进设计,加装车顶及封闭式前挡玻璃,使其具备遮风挡雨功能,其普及性将会大大提高,从而缓解城市拥堵问题。
5.3 鉴于前面的分析,陀螺稳定旋转也遵循“力矩轴”原理,通过扩展分析,我们发现“力矩轴”原理可以在先进的飞行器开发研究上推广使用,可以开发出更具特色的,更加安全和便捷的飞行器。

6 结束语
人们对各类现象背后客观规律孜孜不倦的探索,发现和总结成了无数规律,为我们的生产和生活带来了极大的便利。本人通过对“为什么自行车行驶时能稳定不倒”这个历史悠久的课题进行再次研究分析,总结提炼出一个全新的“力矩轴”概念,能有效的解释两轮车辆行驶稳定性的问题,并能推广应用,解释很多其他问题,希望可以给大家的工作提供相关便利。

参考文献:
[1]陈治. 大学物理[M].清华大学出版社.2007
[2]范钦珊.理论力学[M]. 清华大学出版社. 2014
[3]某研究团队.科学[J].科学杂志出版社.2011
[4]T·C·马丁.尼古拉·特斯拉的发明、研究及著作[M].欧姆尼出版社.1977

4、两轮车在行使中为什么不会倒?

运动中的“人-车”系统具有一定的速度,“摔倒”在物理上是“人-车”系统的运动速度改变方向,而速度方向的改变必须有一个系统外的加速度,由于在骑车的过程我们找不到这样的一个加速度,所以系统的速度方向不会变化。所以不会摔倒。至于微小的震动在下文分析。

接着下来的问题是,这个“人-车”系统的平衡是如何实现的?

其实,人扶着自行车的时候,这个系统已经是平衡的了(假设匀速行走)——人车的重力、支持力、摩擦力、空气阻力的合力为零。车由扶着推着变成行走,对于整个人车系统来说只是由速度较小的匀速运动连续过度到速度较大的匀速运动而已(期间的变力的加速度由人的姿势和不断变化的阻力和摩擦力所抵消而实现保持平衡)。至于上车前后的摇摆,只是人通过调整姿势来调整整个系统的质量分布来实现新的平衡,也就是消除支撑点变化所带来的不稳定。

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。在高速转弯的时候,人和车都是倾斜。

另外,自行车与地面是两个小面接触,不是点接触。

另外,车静止,没有人扶的时候跟人车系统运动时相比,质量较小、速度为零,接触面较小。所以一个小小的干扰都会使重心投影偏离支撑面——而自行车又不会像人那样调整姿势。而人车系统速度大了,质量大了,支撑面也大了一点点。

外扰的加速度在人车速度方向上的投影——加速度分量——对较大的人车速度的改变是极小的。也就是说,系统的速度大了,相对地,它的抗干扰能力就强了。

5、有种车子两个轮子并列,人站在上面不会倒,那是什么车?

代步平衡车摩托车,貌似刚刚研究出来,还没上市吧。

6、两轮不会倒的汽车哪里有得买

两轮不会倒的汽车 目前只有样车,在实验阶段,没有量产销售,也没有相应的国家两轮车标准。所以要销售还要等待一段时间。

7、两个轮子的车,骑的时候为什么不会倒?

赛格威(Segway)自动平衡电动滑板车 双手轻扶着赛格威的把手,两只脚分别踏上去,瞬间就能自动平衡,站定后,身体稍稍往前倾,灵敏的赛格威会立即平滑、顺畅地向前方移动,就像踩在地上一样踏实,只是双脚被两个轮子代替了,随着身体重心的前倾,赛格威慢慢加快了速度,您可以体验到腾云驾雾般自由、舒畅的快感,即使骑速至20公里,您依然可自如地前进、后退、拐弯、刹车,一切均由您的身体控制;站在赛格威上,高人一等的感觉特别爽,远处的事物一览无余,开阔的视线令您的心情也变得开朗,不必再窝在车厢里封闭自己,可以直接与路人沟通,遇上认识的人,还可随时停下聊聊,轻松拓展人际关系…… 每辆赛格威都配有独一无二的无线电子钥匙,将骑乘资讯和防盗设备合二为一,几秒钟就能完成开或关的操作,让您使用起来更无忧无虑;每辆赛格威在研制过程中,都历经百万次的金属疲劳测试,以确保其高品质和高耐力;赛格威拥有独特的传动系统,无刷马达装置不衍生后续保养费用,也无需更换离合器机油,维修及使用成本低,零污染,更环保。 2001年美国发明人怪杰卡曼推出了他的"最伟大的发明"----"Segway人类运输机"自动平衡电动滑板车"。它可能改变未来城市设计的新发明环保交通工具。 那么, 赛格威(Segway)到底是什么东西呢? Segway是一个自动平衡迅速运送行人的交通工具,由电池提供动力,每小时可达20公里。它没有制动装置、引擎、传动装置和方向盘,利用斜坡感应器和五个陀螺仪来进行控制。它可承载一人(最高体重118公斤)。 双轮的Segway仅靠陀螺仪以每秒钟100次的监察重心来维持竖立! 这种两轮交通工具借助驾驶者身体的前后倾斜来前进或后退,配备有陀螺仪和倾斜感应器,而且由于Segway装配了使它始终保持垂直状态的回旋装置,所以稳定性极高,人不容易从上面摔落。 赛格威的外形看上去更像一个割草机! 与普通代步工具本质不同的是,控制"赛格威行驶速度的不是别的,恰恰是你的大脑。站在赛格威上,你只需要握住手柄控制方向,当你"想"往前时就可以前进,"想"往后时就可以倒退,而且可以用你的大脑直接控制车速。 这其中的奥秘在于赛格威的传感器每秒中能上百次地直接采集发自你大脑的信号,指示"它"作出相应反应。每台赛格威上头装有十个微处理器,作业量堪比三部个人电脑。还用到一堆航空等级的陀螺仪、加速计、感测仪器、两个蓄电池,另外机器软件之复杂足以令微软公司汗颜。 工程师菲尔德说,"它"就像魔术一样,好像是将轮子粘在自己的脚上,你的脑子好像插电一般,天生下来不用学习就会使用它了,它就像你身体的一部分。 时速:20公里/小时 拐弯半径: 0 轮胎直径:48cm 载重:118公斤 踏板:48cmx64cm 重量:38公斤 产地:美国

8、三轮车为什么不会倒

三角形稳定性体现在三角形在其所在平面上不易变形
三角形稳定度较高。
但是三轮车拐弯着急的话。也是会倒的

9、汽车倒不了车?

先调整一下换挡拉索,如果不行,就要检查相关控制电路,变速箱本身的原因了。


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