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专家解析:自行车选手接踵而行 为何比孤骑独影快

  本专题指导专家:中国科技新闻协会副理事长、科普电视栏目《科技之光》主编  赵致真

  文/记者  黄蓉芳

  不知道你是否留意到,当一队自行车选手在公路上行驶,他们总喜欢不即不离、衔尾相随。你知道吗?这是因为自行车选手接踵而行要比孤骑独影速度更快。

  赵致真分析,自行车在空气中的阻力和速度的平方成正比。“测试表明,当车速度上升到每秒11米时,空气阻力便占前进总阻力的80%。”因此,最有效的措施是减少“人-车系统”在前进方向上的截面积。身体蜷伏、臀部高跷、背部平直的骑行姿势能大大减少空气阻力,“羊角把”的设计便是为了成全这种姿势。

  自行车的力量传动是通过一系列的“轮轴”来完成。轮轴实质上就是以轴心为支点的连续旋转杠杆。脚蹬和牙盘构成了“省力轮轴”,后轮和飞轮构成了“费力轮轴”。多组变速齿轮的灵活切换能让自行车运动员在不同环境状况下选择最合适的蹬车频率。上坡时可以每蹬两圈让轮子转一圈,平地时可以每蹬一圈让轮子转两圈。

  “当一队自行车选手不即不离、衔尾相随时,我们不由想到南飞的雁群在天空排成的 一 字和 人 字。”赵致真说,大自然让那些聪明的鸟儿更早懂得了空气动力学并知道如何在长途迁徙中节约体能。自行车运动也是一样。在场地赛和公路赛中,一队自行车选手衔尾相随,尾随的选手如果待在领骑者背后的涡流里,空气阻力就会明显减少。有趣的是,后面的选手因为削弱了涡流效应,也能使得前面运动员因此受益,减少所承受的压差阻力。这就是为什么自行车选手接踵而行要比一位选手孤骑独影的速度更快。不过尽管有“双赢效果”,先行者仍会付出更多消耗。

  赵致真说,随着自行车竞赛的速度接近极限,人们越来越从细微末节处挖掘点滴效能。用有限元分析法将自行车分解为上万个单元,通过“虚拟风洞”优选出部件;把自行车的管材截面从圆形改成椭圆或水滴型;让刹车线和变速线乃至每处螺栓、螺母都隐藏在车身内;特别由于轮圈和轮胎远离轴心,具有最大的转动惯量,因此除了尽可能减轻重量还需将胎内的压缩空气换为氦气 任何铢积寸累都值得珍惜,计算表明,自行车在每小时30英里速度下,只要将阻力削减1%,就能每英里领先5英尺。这是一个足以决定夺取金牌还是名落孙山的数值!

  曾经有统计显示以骑自行车为工作常态的邮递员平均寿命最长。而用科学的尺度来衡量,在任何机械和生物的运动包括人的步行中,自行车的高效和节能都是无可比拟的。

  自行车只有两个轮子

  为什么却可以不倒?

  自行车可以说是人类最机智和简洁的发明,也是奥运会上唯一用轮子代替脚步的竞赛项目。百年来,这种“一个三角加两个圆圈”的坐骑凝聚了无数人的聪明才智。1817年,德国人德莱斯制造出既无传动也无转向装置的“木马轮”,这种号称“快脚”的玩具是自行车最早的雏形。1861年,法国米邵父子发明“虎头蛇尾”的自行车曾风行欧洲,双脚每当踩动一小圈,巨型的前轮就旋转一大圈,因此获得很高的速度。但由于重心太高安全性差而终遭淘汰。1869年法国人发明了链条传动,使得自行车两轮匀称,重心降低,基本框架和形制渐渐确定了下来。可是,你知道为什么自行车只有两个轮子却可以不倒吗?

  赵致真说,这其中的道理曾引起人们长期的推究。他说,这其实是一个可控制运动的稳定问题。当我们在车身倾斜时将车把转向同侧,而“人车重心”的惯性力却继续向前,便和前轮支撑点之间产生力矩,将自行车“扶直”。即使车速很慢时也能起到不断调整支撑面的作用,让前后轮接地点的连线始终处于自行车重心之下,动态抵消它的倾翻力矩。“这很像来回挪动手掌让上面直立的扫帚保持平衡。”他说。另一方面,“陀螺效应”也会让一切旋转物体都倾向于保持原有旋转轴不变。

  赵致真说,如何在确保自行车“铁三角”稳定强固的前提下减轻重量,这是设计者们持久的课题。铝合金取代钢铁是一大进步,钛金属则是强度和重量比最好的材料。而更轻更强的碳纤维能够让设计者像一个“巧裁缝”,按照车架不同部位受力差异来调理碳纤维的分布方向。

  

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