小谈自行车平衡问题

1、小谈关于自行车等两轮车的平衡问题（本人只有半个高中文化程度，所以只能“小谈”一下这个问题，谬误之处请勿见笑。）一、 谈及自行车的平衡问题，首先我们来明确几个物理概念：1、 物体的“重心”。任何受到地球重力作用的物体都有一个重心，即物体各部分所受到的重力的合力的综合作用点。其物理定义是：物体各部分所受重力的合力的作用点。在不改变物体形状的情况下，物体的重心与其所在位置和如何放置无关。所以，人与自行车都各自有一个重心，人骑自行车时两者成为一体也有一个总重心。但在骑自行车的行进过程中，人的骑行姿态和自行车的车把转向都会不断发生变化，所以它们的总重心的位置也在相应地发生着变化。2、 物体的“惯性”。我

2、们把物体保持运动状态不变的属性叫做惯性。惯性代表了物体运动状态改变的难易程度。惯性的大小只与物体的质量有关。所以，人在骑自行车的过程中，由于二者的质量是没有变化的，因此，二者的惯性大小不会发生变化，且始终在发挥着相同的作用：维持当时的运动状态不变。3、 物体的“平衡”。在力学系统里，平衡是指惯性参照系内，物体受到几个力的作用，仍保持静止状态，或匀速直线运动状态，或绕轴匀速转动的状态，叫做物体处于平衡状态，简称物体的“平衡”。因稳度的不同，物体的平衡分为：稳定平衡、随遇平衡、不稳定平衡三种情况。A、随遇平衡，即外力使之产生位移但物体重心的高度并不会发生改变的平衡，这种平衡在外力撤消后虽不一定能恢

3、复到原来位置但仍能继续保持平衡状态。如：放在水平面上的圆球。B、稳定平衡，即外力使之产生位移后物体重心升高的平衡，这种平衡在外力撤消后会自动恢复到原来的位置并继续保持原有的平衡状态。如：不倒翁、钟摆等。C、不稳定平衡，即外力使之产生位移后物体重心降低的平衡，这种平衡在外力撤消后能不能恢复原位并继续保持原有的平衡状态，是需要条件的，即，被位移后的物体的重心不能超出其“重力作用范围”，超出则不能恢复，未超出则可以恢复。所以称之为不稳定平衡。如自行车、轮船等。可见，所谓“平衡”只是物体的一种存在状态，而且这种平衡状态不是一成不变的，同一个物体因其放置状况的不同就可能处于不同的“平衡”状态。如上所述的

4、圆球分别放置在水平面上、在凹槽底部、在凸面顶部时就会分别处于随遇平衡、稳定平衡、不稳定平衡三种状态。再如：不倒翁在底朝下放置在水平面上时是一种稳定平衡状态，但当把其放置在一个斜面上或底朝上时就变成了不稳定平衡状态。二、 接下来咱们就参照下面图示，来看看人骑自行车时的具体受力及平衡情况。F右F左F上F下=GF前F后总重心OAEBDCHGFO 1、自行车在被人骑行的过程中，会受到多种力的作用，但综合起来共有六个方向上的力：地球所施加的向下的重力（G=F下）、地面给予的向上的支撑力（F上）、人体等所施加的向前的动力（F前）、空气地面等所施加的向后的阻力（F后）、人或风力等所施加的向左的倾斜力（F左）

5、、人或风力等所施加的向右的倾斜力（F右）。并且，整体而言，这六个方向上的力的综合作用点都是人与自行车的总重心O上。并且，这个总重心O在地面上的投影为O点（也就是人与车整体的重力作用线与地面的交点）。2、在水平地面上直线骑行过程中的自行车，与地面共有两个接触面，即自行车的前、后轮胎分别与地面的接触面，如图中两个红色色块所示，分别是四边形“ABCD”和“EFGH”。由这两个四边形ABCD和四边形EFGH的外缘又围绕成了一个四边形ABGH。我们姑且把这个四边形ABGH叫做自行车在地面上的“重力作用范围”吧。从直观理论上看，自行车受外力作用发生倾斜时，人与自行车总重心在地面上的投影O只要没超出四边形A

6、BGH的范围，自行车都应该能自主恢复直立状态，能会是一种稳定平衡状态； 3、我们知道，人与自行车的“总重心”是高于地面的。此时的自行车会有两个方向上平衡状态，即前后方向上的平衡状态和左右方向上的平衡状态。（1）首先我们来看自行车在前后方向上的平衡状态：由图示可知，自行车在水平面上的重力作用范围ABGH的边AH（或BG）较长，自行车受到外力作用前轮或后轮被升高时，其总重心就会升高，且多数情况下总重心都不会超出前后边界AB和GH。所以，自行车在前后方向上会是一种稳定平衡状态。但有些特殊情况也会破坏这种前后平衡状态：下陡坡时总重心可能会超出前边界AB而发生前翻，所以此时人应该尽可能坐直甚至略向后仰以

7、使总重心后移；上陡坡时总重心则容易超出后边界GH而发生后翻，所以此时人应该尽可能向前俯，既可以加劲上坡又尽量使总重心向前移；而当自行车后座的载物较重较长时，即使在水平地面上也容易使总重心超出后边界发生后翻。（同时我认为，自行车既有“前叉后倾”，又有“后叉前倾”，其主要作用都是为了增加两轮在前后方向上的距离，即增加图中AH（或BG）的边长，以使人与自行车的总重心尽可能地远离前后轮，也就尽可能地使其在前后方向上维持稳定平衡状态。至于“前叉后倾”对于自行车在转弯时有助于自动复位以维持平衡我持怀疑态度。毕竟自己学识水平有限，不敢枉作论断。）AMN（2）我们再来看自行车在左右方向上的平衡状态：在图例中，

8、自行车在水平面上的重力作用范围ABGH的边AB（或GH）虽然很短，但如前（1）所述，人车的总重心只有不超出左右边界AH和BG，自行车在左右方向上也应该是一种稳定平衡状态。但实际情况是：自行车的轮胎都是充气的可以变形的，且轮胎面呈弧形。这样做可以使轮胎与地面的接触面维持在一个较小的合理范围内又可以起到减震作用，轮胎上的花纹又增加了轮胎的“抓地力”，因而使得人在骑行时比较舒适省力又不至于打滑。但正是由于轮胎的弧形面和充气可变形的特性，以至于在自行车在地面不平整或略微发生左右倾斜时，其左右方向上的真实的作用点也同时会发生左右移动（在前后方向上也会有这种作用点移动现象，但由于AH或BG的数值相对较长，

9、就可以忽略不计），因此，实际上的图示中的AB和GH的边长数值会非常小，基本上可视为零。即，在左右方向上，轮胎与地面之间从表面上看是“面接触”而实质上相当于是“点接触”）。这样一来，图例中的四边形ABGH实际上只是一条线AH（或BG）。那么，在一般情况下，自行车在左右方向只要发生倾斜，其重心的高度都会是下降。因此，自行车在左右方向上基本上是一种不稳定平衡状态。由此，在实际生活中，为了能放稳静止中的自行车，会在自行车后面装一个脚撑。一种是单侧脚撑，借此在左右方向上增加了一个作用点N，从而形成了一个直角三角形状（AHN）的重力作用范围；若是那种“大脚撑”（如右上图所示），则会增加两个作用点MN，则形

10、成了一个等腰三角形状（AMN）的重力作用范围。这样就使得放置自行车时很容易地就使其重心处于这个重力作用范围之内，自行车在左右方向上也就变成了稳定平衡状态，就不容易发生侧翻了。4、由上所述，直线行进的自行车在前后方向上一般都是“稳定平衡”状态，而在左右方向上基本上都处于“不稳定平衡”状态，所以，无论是静止状态还是行进状态，无论是否有人在骑行，自行车在左右方向上都是不可能自主保持平衡的，也就不会“慢时不稳快是稳”。一般的两轮车，如电动自行车、摩托车也是同理。5、为了进一步加深对自行车前后方向为稳定平衡、左右方向为不稳定平衡的认识。我们以压路机来举例。有一种压路机，其前后都是单轮，也可以看作是一个“

11、两轮车”，但它的前后单轮都是钢制的，不是充气轮胎更不会变形，而且它的面很宽，由此就形成了一个在左右方向上也很宽的四边形的重力作用范围，能够确保压路机的重心在重力作用范围内，所以压路机通常情况下都不会像同样是两轮的自行车那样容易侧翻。三、 促使直行的自行车保持平衡状态的因素。由前述分析，我们已经得知自行车在左右方向上始终处于一种不稳定平衡状态。那么是什么原因使得骑行中的自行车不容易倒呢，而且感觉越快越稳呢？1、 是由于“惯性”作用吗？不是！我们已经知，惯性是物体保持运动状态不变的一种属性。惯性的大小只与物体的质量有关。惯性代表了物体运动状态改变的难易程度。那么，无论是静或运动中的人和自行车，其惯

12、性都是固定不变的，惯性只是用来维持其静止或匀速直线运动状态。在不受任何力或所受作用力均衡为零的情况下，惯性依然能保证物体处于原有的运动状态。惯性在自行车上的体现只是：在其静止时，你需要加力才能使之运动起来，需要给它更大的加速度的力才能使之在相同时间内达到更大的速度；而在其运动时，你同样需给它反向的阻力（或说负加速度）才能使它逐渐地慢下来甚至停下来。自行车左右方向上是一种不稳定平衡，当自行车受到向左的外力而失衡时，其实也就是自行车本身在左方向上已经处于运动状态，惯性会让自行车继续保持向左侧翻，而不会自动产生一个向右的拉力来使之恢复左右平衡。2、 那么，是谁给了向左倾斜的自行车一个向右的拉力来使之

13、恢复平衡的呢？答案是：人！当人感到自行车向左侧倾斜时，就会通过自己与自行车本身的三个接触部位前车把、车座、左右脚蹬，给自行车施加一个向右的拉力或通过自主改变人与自行车的总重心位置来使之复衡。其实，在运动中的自行车，无论其快或慢，在左右方向上始终处于不稳定的平衡状态，人体始终在给自行车施加着来维持其平衡的外力（通过左右脚蹬或手刹），人体同时又始终都在通过自身的平衡机制（听说是一种处于人体两耳中的叫“迷路“的平衡系统）来判断自行车是否平衡和向哪个方向失衡，从而又促使人体做出相应的调整。也就是说自行车始终在复衡与失衡之间不断地变化调整着，始终是不稳的。3、 但是，为什么人会感到慢时不稳而快时稳呢？这

14、是因为：在自行车较慢时，人体所施加给自行车的外力变化幅度比较大，人体在调整时相应地就困难些，调整的尺度、准确性、及时性很难掌握好，因而感到慢时很不稳。而在自行车较快时，人体施加给自行车的外力比较均衡，变化幅度也很小，因而相应地做出的调整就很小，也就感觉稳得多。例如：下坡时或平路上不再用脚蹬时，此时就会觉得非常稳。再如：上坡时，人体要前倾用大力去蹬，此时自行车的左右摆幅度很大，但由于人体一左一右施加的力比较均衡，所以仍旧不会倒，也不会感觉太不稳。又如：有的人可以放开车前把仍可轻松快速骑行，但我们同时又会发现此时人都坐直了身子，蹬车的都会比较均匀，其实是在尽可能地不使自己重心和左右蹬力发生太大变化

15、，其间，同样也在不断地通过对车座和脚蹬适当加力来努力地维持车身平衡。4、 因此，无论自行车的快或慢，稳或不稳都只取决于人体的平衡机制。对自行车自身而言，在没有支撑腿的情况下，单靠两轮时，无论静或动、无论快或慢，在左右方向上都是不平衡的，都是“不稳”的，根本就没有它自身会比较“稳”这一说。“稳”或“不稳”只是人脑的自我感觉！如果有人坚持“快时就比较稳”。那么请问：快时碾到个石子容易倒还是慢时容易倒？肯定是快时吧！“快时既然稳”怎么遇到个同样的石子会更容易倒呢？其实快慢都一样“不稳”，只是慢时人体来得及也比较容易做出调整，而快时往往还来不及调整就摔倒了。总而言之，直行的自行车在左右方向上根本就不存

16、在物理学上的“稳”或“不稳”，而是始终“不稳”即“不稳定平衡”；所谓的“稳”和“不稳”都只是一种人体在生理上的一种自我感觉而己，只是反映了人体自身的平衡能力而己。四、 自行车转弯时的特殊平衡状态。GAB前述只是说明了直线行进时自行车的平衡状态，但在实际的骑行过程中，经常会通过转动车前把来不断地调整前行方向和整体平衡。1、事实上，当自行车的前轮发生偏转时，尤其是在自行车转弯时，前轮面与车身形成了夹角，此时，自行车的重力作用范围会变成一个三角形ABG（如上右图所示），应该说，自行车在此种状况下在左右方向上也应该是稳定平衡状态，但由于AB边长的数值较小，而AG、BG与之AB相比要长得多（图中是一种夸

17、张的画法），人车总重心又比较靠后，而且除去转弯时，车把的转向总是在稍微地不断左右调整变化着，这种短时间的“稳定平衡”实际上非常不稳定，而是处于快速地不断地变化之中，也就失去了实际价值。而且，转动车把越频繁，人车总重心位置变化就越剧烈，反而越不利于平衡。2、而在自行车进行真正地比较大的转弯动作时，尤其是在自行车赛的弯道上进行比较规整的较长时间的转弯动作时，上图中的重力作用范围ABG确实相对而言变化较小，自行车更应该是处于稳定平衡状态。但是，由于自行车的转弯动作主要是靠人主动转动车把和改变人体重心位置产生一个向心力来实现的，此时，惯性也会施加给人车一个向外的离心力，在此种情况下，人体事实上很难把握

18、好车把的转角、对车把施加的不均衡的力和人车重心的偏离分寸，因而整体而言，转弯时掌握平衡事实上更加困难。高手调整地比较快和分寸掌握地比较适度就转得就会比较“稳”；而初学者调整地慢或不合适，就会车把乱扭反复调整，甚至摔倒。因此，在转车把及转弯时，虽然自行车在左右方向上会存在短时的“稳定平衡状态”，但由于人体调节平衡的难度增加，反而会感到更加地“不稳”。五、 其它相关平衡问题的简要解释。就如：骑独轮车，其轮胎面在前后方向上虽然是“面接触”，但轮轴却是可以前后转的；而在左右方向上如前所述实际上是“点接触”，所以独轮车在前后左右各个方向上始终都处于不稳定的平衡状态，只能通过骑手不断地扭动身体、摆动双臂和

19、小幅转动车轮来调整平衡，以使人车总重心始终维持在轮轴中间的垂直线上。这样一来，慢了反而容易“稳”，快了就会更容易摔倒。再如：杂质演员用细木杆挑篮球（篮球是不转的），此时篮球本身处于不稳定平衡状态，但演员们通过找准并不断调整篮球与指尖（或木杆）的支撑点，以使得这个支撑点尽可能地与篮球的重心在一条垂线上，从而使篮球不容易掉下来。但不是不会掉下来！民间的立鸡蛋和立筷子也是同样道理。其实都“不稳”，只是技巧而己。而花样篮球演员在指尖上高速旋转篮球的道理与上相似，但更主要是应用了陀螺效应的惯性原理。（而关于陀螺效应对自行车平衡的作用，我个人认为是没有意义的。因为：陀螺效应实际上是惯性的一种特殊情形。前面已经说过，惯性对自行车本身的平衡没有实质性作用，而且陀螺效应的特征进动性和定轴性，在自行车前行过程中并没有任何实用性体现。我认为：陀螺的前动性产生的原因可能与地磁场有关，就如同在南半球和北半球垂直流到浴盆中的水流转向会不同一样，在真空中旋转的陀螺应该是不会前动的。不知道这种想法是否正确。而且，陀螺在产生前动时，其力矩的方向其实是一定的。在地面上旋转的陀螺会“乱跑