为什么超市购物车的脚轮能够自由转动

黄飞

  超市里的购物车,或者机场里运行李的手推车,下方都有4个脚轮。仔细观察就可以发现,脚轮的轮轴和车体并不固定,而是可以绕垂直轴自由旋转。因为轮轴如果和车体固定,脚轮就只能朝前直行,车子就不能拐弯了。

  此外还可以发现,当你推车前进时,脚轮总是跟随在旋转轴的后方。如果从前进改为后退,脚轮就会突然绕垂直轴转过180°,还是处于跟随旋转轴的位置。一般情况下,脚轮的滚动方向必须和前进方向保持一致才能使购物车顺当地运动。一旦脚轮的滚动方向和车体前进方向不一致,地面的摩擦力就会对前方的垂直旋转轴产生力矩,推动脚轮转到与行走方向一致的位置。

  和购物车的脚轮相似,自行车也有类似的现象。如果将自行车前叉的旋转轴延长到地面,它和地面的交点总是位于前轮和地面接触点的前面。当你手扶坐垫向前推车时,前轮很顺从地跟随前进方向。如果向后倒退推车,前轮和前叉的相对位置正好相反,侧向摩擦力的推动方向也相反,前轮就会左右摇晃。

  自行车的前叉旋转轴和前轮与地面接触点之间的相对位置,对于保证自行车的行驶稳定性有非常重要的作用。要了解这种作用,可以专门制作一辆特殊的自行车,使自行车前叉的`旋转轴延长线与地面的交点位于前轮和地面接触点的后面。骑上这种特殊的自行车,任凭你的骑车技术如何高明,自行车都不能稳定。

  虽然自行车自发明以来已有200多年历史,但是要解释为什么静止的自行车一推就倒,骑行起来却稳定不倒的力学原理,却并不很容易。上面提到的前轮旋转轴的位置就是影响自行车稳定性的重要因素,甚至比车轮旋转时的惯性作用更为重要。