自行车运动时车轮在转动正确吗,自行车的运动是平移还是旋转

只有两个轮子的自行车，静止时必须依靠脚撑才能停稳，为什么骑起来反而不会倒呢？看似简单的生活常识，你思考过原因吗？在我们揭晓答案之前，我们先来看看现在网上流行的几种错误的观点，其实所谓“骑行不倒”的原理，不过就是高中物理知识就能解释，说是困扰科学家几百年之久的“世界难题”实在是无稽之谈。

第一种流行的说法，“自行车骑行不倒”是因为所谓的“陀螺效应”，你应该见过旋转的陀螺，头重脚轻的陀螺一旦旋转起来，就能长时间保持旋转，好像重力不存在似的，哪怕是你轻轻碰它一下，也不容易被撞倒，从陀螺的特性我们可看出，物体一旦旋转起来，惯性会让旋转的物体保持稳定的运动状态，这就是陀螺效应。

按照这个理论，旋转起来的自行车轮，也就像一个陀螺，可以保持车轮稳定旋转，除非是遇上较大的外力干扰，比如撞上大石头或者路面大坑之类，而在路面光滑的情况下，可以骑行很远。

这种说法听起来似乎很有道理，但通过实验很容易就能推翻，研究者设计了一种没有陀螺效应的自行车，照样可以骑行不倒！来看下面这张图。

车的前后轮都换成了上下双层的小轮子，小轮子直径仅有5厘米左右，两个小轮子就像相互咬合的两个齿轮一样，当下层小轮子在地面上转动前进的时候，会带动上面的小轮子一起转动，这样，上下两个小轮子转动的方向就会相反（一个顺时针，一个逆时针），那么上下两个小轮子转动所产生的陀螺效应就会相互抵消，可奇怪的是，没有“陀螺效应”的自行车照样可以“骑行不倒”，甚至比以前更稳定。

第二个说法，跟车把手的倾斜角度有关，一般自行车的后轮处，都安装有车架、车链、脚蹬、车座等部件，这样一来，就会导致后轮处的重心比前轮低，因此，自行车的前轮更容易受到重力影响而具有倾倒的倾向，但这种倾向通过车把传给后轮时，由于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，自行车的车把转向轴与前轮的重力线一般都有一个夹角，这可以削弱自行车倾倒的倾向。

“陀螺效应”加上“车把转向轴倾斜角”，多年来一直被很多人认为是自行车“骑行不倒”的主要原因，推翻这个理论，还是要看刚才那张新型自行车的设计图，不知你发现了没有，这种新型自行车甚至连车把转向轴都没有！更没有车把！前后轮胎之间仅有一根金属杆相连。

新自行车设计上最重要的一点是，后轮处坠了一块很重的铁块，铁块固定在后轮处上下两个小轮子之间的位置上，比较贴近地面，这重重的铁块大大降低了自行车整体的重心，也使整体的重心位于后轮处。

就是这种没有陀螺，没有车把转向轴的自行车，竟然照样可以稳稳地行驶，这说明，”陀螺效应”以及车把转向装置，这些并非自行车“骑行不倒”的关键原因。

我们来仔细分析一下自行车骑行过程的物理学模型，骑自行车在水平弯道转弯时，车身 需向弯道内侧倾斜，倾斜的角度、车速及转弯半径三者需满足一定的关系。

认定人车总质量为m，系统重心到车轮与地面接触点的距离为L，车身相对垂直方向，向内侧倾斜角度为θ，车速为v,行驶时的转弯半径为r，如下图所示：

当车辆做圆周运动的时候，如果以骑车人为参照系，此参照系为非惯性系，应用牛顿运动定律时需要虚拟一个惯性力，这个惯性力等效于作用在系统重心上，方向与参照系加速度相反，从力矩平衡的角度分析，以轮胎和地面接触点的连线为转动轴，系统受到重力力矩和惯性力矩。

由力矩平衡可得 mg L sinθ= F惯L cosθ

系统所受惯性力为 F惯= v²/r

联立两式为 tanθ = v²/gr

也就是说，只要v、r、θ 满足关系式，系统合力矩为0，即重力和惯性力的合力恰好通过转轴，虽然车身相对垂直方向倾斜了角度θ，但骑车人感觉确实平衡的，一般也不会翻到。

当我们在平直路面骑行时，并没有转弯，为什么能保持平衡呢？实际上在直播骑行时，自行车的骑行轨迹并不是绝对的直线，车身总要向左或是向右倾斜，骑行过程就是不断地改变车把手方向，使得行车轨迹半径r不断适应v和θ的过程，通过动态调整，就可以做到骑车不倒了。

如果我们将车把手固定，我们将无法调整行车轨迹半径r，车辆会很快因为失去平衡而倒下。

生活中需要人的主观能动性实现动态反馈保持平衡的实例也很多，比如民间绝活“踩高跷”，站在高跷上的人，由于重心的不断移动，需要不断调整支撑杆的支点，使重心始终在两支撑点连线两侧附近摆动，从而实现动态平衡。