我想大部份的人都有騎腳踏車或機車的經驗。
相對於汽車而言,腳踏車是相當有效率的機械裝置。
(汽車不到 20%的能量用來讓車子前進,大部份的能量都轉化為 熱能消耗掉了)。
腳踏車在平坦的路面很容易行進,也很方便停放。(尤其在停車不易的現代都市裡)
結構也較汽車簡單多了,而且各項組件都顯而易見。
有沒有想過:
為何腳踏車是兩輪的,而不做成三輪的?
靜止時,三個輪子不是更容易平衡嗎?兩輪的車子,一停下來馬上會傾倒。
過去的時代也有過三輪車(人力計程車),現在或許偶而可以看見收垃圾的三輪車。
為何 那些車子不做成四輪的呢?(當然就不叫三輪車了!)
通常桌椅都有四個腳,在平坦的路面上 當然很平穩。
但是 地面若稍有高低起伏,則桌子會容易 晃來晃去。
一次只有三個腳 接觸地面。(為何 只有三個腳 接觸地面呢? 與 三度空間有無關連呢?)
三個腳的桌子,在凹凸不平的地面上,只要重心不超出三個腳構成三角形的底面積。
就會是處於平衡狀態。
車子必須在不同的路面上行進,於是三輪的與 四輪的 人力車在路面行走時,
哪一個較穩定呢?
當然 你會想到 汽車通常都是 四輪的,不是嗎?可是,比較一下
三輪車的輪子,是固定在車身上的,與車身整體一起運動。
當然汽車的輪子與車體也一起運動,但是車輪碰到凹凸不平的路面時,
車體也會稍有振動,但和輪子的振動並不一致。
因為車身是靠 彈簧(與避振器)撐起來的,輪子與車體間的距離是可變的。
回到腳踏車的問題上。既然靜止時 三輪車很穩定,
為何只有還不太會平衡的小孩或 身體有障礙的人士 才騎乘 三輪的腳踏(機)車呢?
想一想,小孩子騎三輪腳踏車直線行進時很安穩,
![](http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/everydayPhysics/bicycle2.gif)
但是如果從斜坡上滑下(較快速),
且方向稍有偏轉時,是不是很危險呢?
由於 物體本身的慣性,當車體轉彎時,
慣性仍想依照原來的方向行進,
若重心過高,車速過快或是轉彎太急,
即使摩擦力足夠提供轉彎時所需的向心力,
但是同時對質心所產生的力矩,
會使的車體旋轉(翻倒),是很危險的。
腳踏車在靜止時,是完全不穩定的(需要另一隻腳來支撐)。
但是行進轉彎時,可以藉由人與車體的傾斜產生反方向的力矩來減少,
由 摩擦力所產生向外翻倒的力矩,自然就比較穩定。
或是從輪子的接觸點來看,當 身體與車體傾斜的方向,
正好在 摩擦力與正向力合力的同一方向時,則沒有任何力矩。如下圖:
![](http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/everydayPhysics/bicycle3b.gif)
但是三輪的車子則無法如此偏轉,因此在高速時反而變成不穩定。
雖然雙輪腳踏車在靜止時並不穩定,但是在行進中的腳踏車,
由於輪胎所具有的角動量,對於車體有一定的平衡作用。
因此 雙手不扶著車把,在一定速度以上,車子一樣可以維持前進不倒下。
另外 腳踏車的車輪設計上,更有另一個特殊的設計,更加幫助車子的穩定性。如圖:
![](http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/everydayPhysics/bicycle4.gif)
注意 前車輪的支架的沿線並不通過車輪與地面的交接點,而是稍微前面一些。
當車子向左側傾倒時,將會產生力矩使得車把也向左側轉彎。
(用手比一比,你找出為什麼了嗎?其道理和打陀螺會徑動(Precission)的原理相同。)
於是使得車子恢復直立而回到平衡處。
若是讓前輪支架的沿線通過車輪與地面交點的後方,則作用恰相反,很容易倒下。
只要沿線在交接點之前便是穩定平衡狀態,當然相距越遠則平衡性越好,
但是轉彎時也會越不容易。(較費力)
通常小孩子的腳踏車前端支架是直的,因此平衡性較好。(如上圖)
但是成人騎的單車則支架處會稍微往後彎,使得沿線恰在交接點前端一些。
則較容易轉彎,但也需要較高的平衡性(人體重心的移動)。
如同小孩子的三輪車一般,早期的腳踏車踏板是裝在前輪上,腳踏著踏板前進,
為了使得腳踏的速度小於車輪的速度,前輪必須很大才方便。
於是腳踏板轉一圈,可以行進較長的距離。如下圖
![](http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/everydayPhysics/bicycle5.gif)
是 19 世紀的產物,雖然在平地上很方便,但是上坡時可就踩不動了。
(腳板踏的力量要較大)。
前輪驅動很不方便,輪子轉腳要跟著轉。且腳到踏板的距離要跟身高配合。
現代則改為 後輪驅動,再加上利用輪軸與 絞鍊的組合,前輪可以輕易的轉動。
可真是方便多了!還有各種不同的變速腳踏車呢!