新科学想法 学术文库 学术文献 浏览文献

有读书笔记A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Caster Effects

唐唐 添加于 2011-6-20 04:02 | 2083 次阅读 | 0 个评论
  •  作 者

    Kooijman JDG, Meijaard JP, Papadopoulos JM, Ruina A, Schwab AL
  •  摘 要

    A riderless bicycle can automatically steer itself so as to recover from falls. The common view is that this self-steeringis caused by gyroscopic precession of the front wheel, or by the wheel contact trailing like a caster behind the steer axis.We show that neither effect is necessary for self-stability. Using linearized stability calculations as a guide, we builta bicycle with extra counter-rotating wheels (canceling the wheel spin angular momentum) and with its front-wheel ground-contactforward of the steer axis (making the trailing distance negative). When laterally disturbed from rolling straight, this bicycleautomatically recovers to upright travel. Our results show that various design variables, like the front mass location andthe steer axis tilt, contribute to stability in complex interacting ways.
  •  详细资料

    • 文献种类: Journal Article
    • 期刊名称: Science
    • 期刊缩写: Science
    • 期卷页: 2011  332 6027 339-342
    • ISBN: 0036-8075
  • 学科领域 工程技术 » 机械工程

  •  所属群组

    工程学综合  
  • 相关链接 DOI URL 

  •  唐唐 的文献笔记  订阅

    为什么自行车自己会“掌舵”
    自行车重量分布特别是前部重量中心位置,可能极大影响了其稳定性

    概念车:全天候自行车,拥有透明车篷,可以防雨。
     
    传统的自行车最终会被重新设计,但我们现在就想要这样的车子。所以,我们才说,要给自行车里放进点科学。
    ——研究自行车的荷兰达尔福特大学科学家阿诺德·舒瓦特
     
    第一次以这么科学的方式重新设计自行车。首先进行的改革便是自行车坐垫和带车手的头管之间的角度。此外,也会对两轮之间距离,以及前叉的几何结构进行革新。
    ——与“自行车科学家”展开合作的荷兰自行车厂商巴特维斯公司负责人罗伯·里根莫特
     
    关于自行车,你以为能自己修理,就算在行了?尝试回答这几个问题:如果骑车时不扶把手,可 以一直坚持下去吗?自行车为何不能自己竖着不倒?看似简单的自行车中存在哪些数学和物理原理?完美自行车应该什么样?就是这些问题,让15世纪的达·芬奇 伤了脑筋,而今天的自行车厂家同样回答不了。经过150年的演化,自行车绝对不只是代步工具了,它甚至发展出美学意义,成为一种文化符号,但是令人诧异的 是,人们竟然不知道自行车的全部工作原理。
     
    最近,一向庄重的《科学》杂志收录了一篇名为“一辆自行车可以不带陀螺或轮脚作用而自我平 衡”的论文。这题目够让人忍俊不禁了,自行车居然跟基因、脑神经科学、粒子物理等前沿科学挤在一起,寒碜得要命。但是有一点要牢记,《科学》杂志不是在搞 “科技扶贫”,自行车也不像人们想象得那么简单。自行车从150年前发展到今天,已经成为最普通的交通工具,但如何设计一辆完美自行车,依然是谜团。在 《科学》上刊登论文的几个自行车科学家认为,要找到自行车的物理本质,首先要从平衡性出发。
     
    自我平衡性 困惑很多人
     
    自行车为什么能平衡地前进呢?这看似无比简单。
     
    车头是大部分人调整自行车的工具。骑自行车时,人们会随时调整车头,一旦车子看着要往某边倾斜,我们便会调整车头让其重新回到轨道上来。
     
    但也有人可以潇洒地不扶车把骑车,他们利用身体的倾斜度调整来控制自行车的平衡。
     
    不过,哪怕没有人骑,自行车自己也可以调整平衡:把一辆自行车推一下,它会自动向前行驶一段路,直到倒下,这个过程被称为“自我平衡”或“自我稳固”。这个特征,曾经在过去的一百多年中困惑了很多人。
     
    “为什么自行车会在需要的时刻自己掌舵,我们目前还没有简单的物理学解释。”研究论文中写道。
     
    不过,这群把物理天赋用在自行车而不是宇宙大爆炸上的物理学家们,还是找到了一些研究线索。虽然我们还是不知道自行车到底怎么保持自我平衡,但至少他们把原因缩小到几个方面。
     

    利用仿生学的自行车,可根据人体高度自行调节。
     
    不是购物车 也不是陀螺
     
    对于自行车的自我平衡能力,目前有不同的解释。
     
    在获过诺贝尔奖提名的物理学家阿诺德·索菲尔德参加的一篇研究论文中提到,自行车能够自我 平衡是类似“陀螺”的一种表现。陀螺会产生自旋,随着能量消减而停下来,自行车也有同样的作用。陀螺仪作用在导航定位系统中起了很大的作用,而阿诺德等人 也认为,在自行车的平衡力上,陀螺也发挥了关键作用。
     
    此外,一些科学家认为,自行车主要是由于“轮脚作用”而能够保持一定程度上的平衡。所谓“轮脚”作用,即自行车的前轮可以像超市购物车的前轮一样起到方向控制作用。
     
    不过,在这次新的研究中,这群自行车科学家们则提出,自行车可以既不像陀螺,又不像超市购 物车前轮那样实现自我平衡。此前的理论并不一定适用,很多依此增加了车轮陀螺作用或主动驾驶能力的自行车,稳定性并没有增加多少,而且一旦速度提高,就失 去了陀螺效应,反而平衡能力减少。
     

    可折叠轻便自行车,可折叠到车轮大小。
     
    自行车平衡 原因太复杂
     
    为了证明这点,这群科学家们从反常规入手,设计了一辆排除了陀螺或轮脚作用的自行车。
     
    这辆自行车只带两个小轮,最大限度地减少了车轮的自旋转动量。为了进一步减少陀螺效应,他们还给自行车前轮增加了反自旋轮,用相反方向的旋转消减车轮的自旋。而两个轮胎的设计类似冰鞋,前轮的触地点比驾驶轴略微提前了一点,使得轮脚作用几乎为负。
     
    “虽然我们的实验车看上去像是辆折叠踏板车,但它依然是一辆自行车,带两轮,两个车轮架,三个轴。”研究者写道。
     
    在荷兰达尔福特大学的停车场和篮球馆,这群科学家以每小时8千米的速度把这辆小车向外推了 出去,它自己行驶了相当长的距离,如同任何一辆传统自行车一样,它能够平衡自己。研究者甚至还在自行车自我行驶过程中略微推了它一下,很快,这辆小车又自 己调整到直线轨道。“没人知道这是为什么。”参与研究者瑞纳说。
     
    “这辆自行车证明,自我平衡还无法用任何简单的词来解释。”另一名达尔福特大学的科学家阿诺德·舒瓦特在展示视频中说道。
     

    科学家用作试验的排除陀螺或轮脚作用的自行车,样子像个折叠踏板车。
     
    为造自行车 来学数学
     
    除了否定陀螺和轮脚作用的关键性之外,他们的实验还显示,自行车重量分布可能对平衡起到很大的作用,特别是自行车前部重量中心的位置,可能极大影响了自行车稳定性。
     
    虽然科学家依然没有得出自行车的完美数学公式,但是,至少他们得到了一些启发——陀螺、轮 脚作用和自行车前部重心位置这三点,虽然不会各自对平衡力起决定性作用,但可能三者有一股微妙的交互关联,影响自行车的平衡力。研究论文中提到,他们发现 当对这三点调整失误后,反而会令自行车更为不稳定。
     
    研究者还提到,决定一辆自行车的稳定性还有其他很多因素,比如驾驶轴的几何原理,两轮之间的距离或更重要的车体重量分布。
     
    “自行车演化到今天,都是现行常规的设计,但在设计空间上,还有很多地方有着开发潜能。”论文中写道。这群科学家,希望自己的理论研究,能让人们打开思路。
     
    虽然在一个多世纪中,人们尝试着给自行车写出一道完美的力学公式却没能如愿,但是,或许只有懂点数学,才能造出更好的自行车。(来源:新京报 金煜)
管理选项: 导出文献|

评论(0 人)

facelist doodle 涂鸦板

Copyright;  © 新科学想法 2016-2017   浙公网安备 33010202000686号   ( 浙ICP备09035230号-1 )