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自行车是人类最杰出的发明之一
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自行车
自行车在全世界得到广泛应用已有近200年的历史，它比全世界的汽车加在一起还要多一倍，骑自行车比步行要省力的多，去相同的一个地方，步行比骑自行车要多费3倍的体力，速度比自行车也慢了N倍。而且自行车还能载重100公斤左右的货物。
自行车作为主力交通工具陪伴着中国发展前行已有几十年的时间，但随着时代的发展，交通主力逐渐转变为汽车为主，现如今的自行车已经沦为锻炼身体的一种体育器械了。
在100多年前，法国科学院曾经悬赏征求对“行进中的自行车为什么不会倒下”的最佳解答，但当时的所有解答都未被众人所公认，至今在各国的学术刊物上还不时出现相关的新论文，但都没有一个既简明又易懂的科学解答。
1970年美国有一位研究光谱学的化学家琼斯发表在《今日物理》上的一篇论文早已指出，自行车的前轮可以利用离心力来带动车辆自驾的功能，但是他的解答用到的微积分方程式和自行车前部的位能理论过于高深，且晦涩难懂，所以并未引起人们的重视。
行进中的自行车不会倒这个问题就如同哥德巴赫猜想一样，引无数人为之着迷，至今得到了很多不同的解答，但都不能一语中的。
错误说法1，车轮的陀螺定轴效应使得行进中的自行车不倒陀螺是依靠在高速旋转时产生的定轴力而不会倒下，因此有人说自行车的车轮在旋转时产生了定轴力所以不会倒下，虽然听着是有些道理，但是陀螺是由于高速旋转时产生的定轴力大到足够维持它不会倒下，而自行车的车轮既轻便又转的慢（低速时每秒2转，时速16公里），产生的定轴力一定不够维持行进中自行车不会倒下。但实际情况是自行车在低速时还是不会倒下，所以这个解答不符合。
在1970年和2007年，国外出现过两篇论文，他们在一辆实验用的自行车上装了一套能抵消车轮陀螺效应的特殊装置，结果表明，那辆自行车不依靠陀螺定轴效应也不会倒。
遗憾的是国内外的科普书上仍把行进中的自行车不会倒的原因说成是自行车有陀螺效应。
错误说法2，骑车人摆动上身能使行进中的自行车不倒
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摆动上身的骑行者
骑过自行车的人知道，在骑行中并不需要一直大幅摆动上身去平衡车辆，自行车依靠惯性可以滑行很远的距离，这时我们只需要控制车把方向就可以前行。
只有在车速极慢时，骑车人通过大幅摆动身体才会对自行车起到平衡的作用，但在大多数的情况下自行车并不是靠人摆动身体才保持平衡不倒的。
例如把车把固定住不让它转动，这时让人骑行自行车，不论怎么摆动身体也不会长时间保持自行车平衡不倒的。所以这个解答也不对。
错误说法3，自行车轮胎和地面的接触面宽度能防止自行车有倾倒的趋势自行车轮胎和地面的接触面在车辆倾倒角度很小时，能起到明显的稳定作用，但是在车辆倾倒角度较大时就不能起到平衡自行车的作用。
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宽胎自行车
2011年在《科学》期刊上的一篇关于自行车为什么不倒的论文中提到，他们自制的小轮（直径20厘米）自行车，不需要陀螺效应，在前轮转向轴倾斜时自行车也不会倒下。
这是因为他们的小车轮做的很宽，车上没有负荷，且重心很低，即使这辆自行车停住也并不会倒下。所以这种解答也是不对的。
错误说法4，自行车的前轮左右转动能防止倾倒这个说法就和说法2有些类似，就是自行车并不是靠外力连续的反向作用而保持平衡不倒的。
自行车在转动车把后，车轮的运动方向会随之改变，这时车轮靠转速产生的离心力会起到一些稳定作用，但摆动前轮并不是让自行车不倒的主要原因。
正确说法：自行车的惯性（离心力）是行进中的自行车不倒的原因这里要引入牛顿力学第一定律：一切物体在没有受到外力影响时，总能保持静止状态或匀速直线运动状态。
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自行车转向时的离心力
上图中自行车向左转动前轮，从而使自行车开始作一个圆弧运动。凡是作圆弧运动的物体，必然会产生一个离心力，这个离心力的大小可以用公式来计算。
T=mv2/r
T为离心力，m为物体的质量，v为速度，r为圆弧的曲率半径，
这个公式表面了，离心力T的大小与质量和速度v的平方成正比，和圆弧的曲率半径r成反比。
通过定量计算我们就可知：把自行车行进时的中速和低俗的定量带入公式后，得出了行进中的自行车总能产生足以纠正倾倒的离心力。所以这个解答就是行进中的自行车为什么不倒的简明的力学计算公式。
参考资料：胡宁生《趣味力学现象》
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发表于 2020-3-16 14:06:44
