小谈自行车的平衡问题

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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、

2、物体的“惯性”。我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

3、的平衡，这种平衡在外力撤消后虽不一定能恢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

4、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

5、（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）、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“

6、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ABGH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

7、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