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