不倒的自行车

自行车

现代社会中，自行车是人们重要的代步工具之一，但是很少有人知道，到底是谁发明了自行车。19世纪初，德国一个叫德莱斯的看林人，由于每天都需要走很长一段的路去看护森林，便想要发明一种交通工具。他看到马车的轮子之后便想，如果人可以坐在轮子上的话，就可以使速度大大加快。就这样，德莱斯开始设计与制造自行车。他先是用两个木轮、一个鞍座和一个安在前轮上可以起到控制作用的车把，制作成了一辆最简单的轮车。人只需要坐在车上，用双腿不停地蹬动着，便可以驱动木轮运动。就这样，世界上第一辆自行车正式问世了。

1817年，德莱斯第一次骑着亲自制作的轮车出行，却在一路上受尽了人们的奚落。但是德莱斯却信心百倍，他认为自己所创造的这种交通工具总有一天会让人们刮目相看的。后来的一次比赛中，马拉车用了15个小时通过的距离，德莱斯骑车只用了4个小时。

1839年，苏格兰人麦克米伦发明了脚蹬，并将其装在了自行车的前轮上，从而使自行车的性能大大地提高了。几十年后，自行车的外观与性能都得到了极大的改进与发展。

为什么骑自行车不会摔倒?我们知道，现实生活中，物体之所以会呈现为静止状，是因为其内合外力为零。自行车在垂直平面的内合外力为零，所以才会保持行进中的不倒。在垂直平面内的自行车会受到重力与支持力的作用，支持力会随着车偏离垂直面的夹角的增大而减少。但是在自行车运动起来后，处于垂直平面内静止状态下，自行车在垂直平面内的受力真的就只有这两种吗?还有没有其他力在支撑着自行车不倒下?

当自行车竖直放于地面的时候，通常自行车与地面的垂面会呈现为微小的角度，从而使地面对车的支持力大大小于重力，但是由于车在运动中会产生力，所以自行车在摔倒时的痕迹会呈现为弧状。

当自行车在人的控制下前行时，会产生一个新的作用力——摩擦力。在摩擦力与车轮的弹性两者共同作用下，会产生一种垂直方向上的力，对支持力进行向上的弥补，使得垂直方向上的合外力为零。

如果你还是不了解这种新力是如何产生的话，你可以参照一下球类以及一些弹性物体的一个特有现象:如果把气球水平地放在桌面上，用手在水平方向对气球进行挤压，你的手会感觉到一个呈现为垂直向上的力。所有的弹性物质或多或少都会存在这一特性——力与力之间的相互传递性，而自行车的车轮也是基于同样的道理。由于分子间力的相互传递可以呈现为不同方向，当一个分子打在两个分子之间时，这两个分子便会向上、下两个方向不停地运动，而其他的分子之间的撞击也会使力能呈现为四处传递状。这些力会最终令球类物体发生变形，当有物体对其变形过程产生阻止时，球类物体便会获得一个与接触面完全垂直的力。如果变形过程没有物体阻挡的话，球类物体便不会受到力。

自行车垂直放于水平面上时，都无法直立不倒，除非有物体支撑。只有在绝对的运动状态下，车子才不会倒下。在运动过程中，摩擦力挤压车轮，使车轮发生了变形，而车轮的变形是呈现为四面八方的，处于下方的车辆会对地面产生挤压，并产生一种向上的力。而这一力量正是自行车不倒的原因。

所以，垂直方向上合力为零是保持自行车不倒下的原因。但是其中也有一难点，便是支持力的变化因素。当自行车呈现为斜放状态时，支持力会减少，原本是向下运动的，但是摩擦力的产生使得自行车最终绕着接触点开始做圆圈运动。

当自行车运动起来的时候，轮胎的挤压产生向上的力，这使得总体的合力为向上状。有些人认为这种力量非常大，但事实上却未必如此。自行车的倾斜角度很小时，向下的合力也非常小，只不过越到后来，角度越大，合力也会越大，当合力到达一定程度的时候，车子便会倒下。但是一般情况下，当自行车发生了倾斜的时候，我们便会把它扶正。

另外，空气阻力决定了车轮挤压程度的大小，自行车的速度越快，空气中所产生的阻力也会越大。合力向上时，车轮脚踏板会向上运动，到达最上面的时候，车子便会与地面呈现为垂直状。所以，一般情况下我们所看到的自行车都是垂直地向前行驶的。

但是我们还有一种感觉:在快速骑车的时候，车子总是会比刚刚起步的时候更为稳定，这又是为什么呢?

其实，自行车本身的平衡机制来自于前叉后倾。如果你仔细观察过自行车的话，便会注意，几乎每一辆自行车的车把轴都并非与地面呈现为完全垂直状，而是稍微后倾。由于前轮一直固定于车把的前叉上，因此又被叫作前叉后倾。前叉后倾会使车辆转弯时产生的离心力和其自身所形成的力矩方向，与车轮偏转方向相反，从而使车轮在发生偏转后能自动地恢复到原来的中间位置上。如此一来，车子便会有了自动回正的稳定性。车速越快，它所造成的恢复力矩便会越大，骑车人便会感觉到越为稳定。因此，我们在快速地骑车时，总会感觉车子比刚刚开始骑的时候更加稳定。