自行車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)解釋及穩(wěn)定性分析研究綜述

自行車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)解釋及穩(wěn)定性分析研究綜述【摘要】“自行車為什么不倒”問題困擾了科學(xué)家兩百年：為什么自行車騎行不會(huì)倒一直沒搞明白。在研究電動(dòng)獨(dú)輪車AI算法的時(shí)候發(fā)現(xiàn)電動(dòng)獨(dú)輪車和人力獨(dú)輪車在加速、減速、失衡糾正、轉(zhuǎn)向時(shí)遵循的物理學(xué)理論都是相同的，實(shí)際控制過程邏輯也是相同的，僅僅是控制主體不同電動(dòng)獨(dú)輪車的控制主體是傳感器和微電腦而人力獨(dú)輪的控制主體是騎行者。以日常生活行為中物理學(xué)基本規(guī)律是必須遵守的客觀規(guī)律為前提原則，用物理學(xué)力學(xué)和控制論基礎(chǔ)知識(shí)深入分析證實(shí)自行車（人力獨(dú)輪車）玩家學(xué)習(xí)過程中心理與行為動(dòng)作過程。在研究自行車騎行過程中騎行者的行為控制過程，用成熟的物理學(xué)矢量法則、控制論、系統(tǒng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)求證在騎自行車活動(dòng)中騎行者的行為控制過程及相關(guān)的心理活動(dòng)內(nèi)容。用物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，證實(shí)騎自行車過程和發(fā)射衛(wèi)星過程物理學(xué)抽象的運(yùn)動(dòng)控制本質(zhì)是相同的都是物體運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)控制過程?？陀^上物體運(yùn)動(dòng)時(shí)由前一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向后一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變換必須先打破前一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的平衡，提出了騎行者學(xué)會(huì)了騎自行車的結(jié)果不僅僅學(xué)會(huì)了如何控制自行車騎行時(shí)的平衡，一定還學(xué)會(huì)了如何打破自行車騎行時(shí)的平衡。[Abstract]Thequestionofwhybicyclesdonotfallhaspuzzledscientistsfortwohundredyears:whybicyclesdonotfallwhileridinghasneverbeenunderstood.WhenstudyingtheAIalgorithmofelectricunicycles,itwasfoundthatbothelectricunicyclesandmanualunicyclesfollowthesamephysicaltheoriesinacceleration,deceleration,imbalancecorrection,andsteering.Theactualcontrolprocesslogicisalsothesame,exceptthatthecontrolsubjectsofelectricunicyclesaredifferent.Thecontrolsubjectsofelectricunicyclesaresensorsandmicrocomputers,whilethecontrolsubjectsofmanualunicyclesarecyclists.Basedonthepremiseprinciplethatthebasiclawsofphysicsindailylifebehaviormustbefollowedasobjectivelaws,thisstudydeeplyanalyzesandconfirmsthepsychologicalandbehavioralactionprocessesofbicycle(humanpoweredunicycle)playersinthelearningprocessusingbasicknowledgeofphysicsmechanicsandcontroltheory.Instudyingthebehaviorcontrolprocessofcyclistsduringcycling,maturephysicsvectorlaws,controltheory,systemsscience,andcomputerscienceareusedtoverifythebehaviorcontrolprocessandrelatedpsychologicalactivitiesofcyclistsduringcyclingactivities.Usingbasicknowledgeofphysics,itisconfirmedthattheessenceofmotioncontrolintheabstractphysicsofcyclingandsatellitelaunchprocessesisthesame,bothofwhichareprocessesofobjectmotionandattitudecontrol.Objectively,whenanobjectmovesfromthepreviousstateofmotiontothenextstateofmotion,itmustfirstbreakthebalanceofthepreviousstateofmotion.Itisproposedthattheresultofcyclistslearninghowtorideabicycleisnotonlytolearnhowtocontrolthebalancewhileridingabicycle,butalsotolearnhowtobreakthebalancewhileridingabicycle。【關(guān)鍵詞】摩擦力；平衡狀態(tài)打破；重力等效力；慣性力。【正文】現(xiàn)分析一下近200年間，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家發(fā)表了幾百篇相關(guān)的文獻(xiàn)資料，一共提出了3個(gè)可能的正確性：第一，陀螺效應(yīng)。自行車前輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，慣性和離心力會(huì)幫助它保持平衡，就像抽陀螺的時(shí)候，陀螺會(huì)保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣。理論上陀螺效應(yīng)是可以影響騎自行車平衡的保持。騎行時(shí)陀螺效應(yīng)存在理論上只有利于保持平衡，卻不利于打破平衡尤其是轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，轉(zhuǎn)彎的時(shí)候前、后輪的旋轉(zhuǎn)軸方向都要改變的，但實(shí)際同樣影響不大。第二，離心力效應(yīng)。當(dāng)自行車往一邊傾斜時(shí)，騎車的人也把前輪轉(zhuǎn)向同一側(cè)，自行車就會(huì)沿著傾斜那一側(cè)的圓周前進(jìn)。這時(shí)候離心力朝圓周外，就會(huì)把自行車扶正了。而且自行車的速度越快，離心力和慣性就越大，越容易控制。我們有時(shí)間見到有人騎車的時(shí)候?qū)㈦p手放開，就是基于這個(gè)原理。在實(shí)際自行車騎行中，轉(zhuǎn)向的時(shí)候騎車的人把前輪轉(zhuǎn)向一側(cè)（新手學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)這么做動(dòng)作），自行車就會(huì)做圓周運(yùn)動(dòng)。這時(shí)候離心力朝圓周外側(cè)，會(huì)打破自行車的平衡造成傾倒（新手學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣現(xiàn)象）。為了保持不傾倒騎自行車轉(zhuǎn)向時(shí)騎車的人都需要提前采取措施（不提前采取措施，不傾倒就違背物理學(xué)定律）。第三，腳輪效應(yīng)。行駛的自行車傾斜時(shí)，前輪會(huì)自動(dòng)向傾斜的那一側(cè)產(chǎn)生一個(gè)偏轉(zhuǎn)角，自行車靠偏轉(zhuǎn)的離心力就會(huì)自動(dòng)扶正。行駛中的自行車慣性力（離心力也是慣性力）有保持物體原有狀態(tài)的效果，是慣性力固有的特點(diǎn)，騎行中慣性力保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)狀態(tài)的趨勢(shì)與騎行者騎行目標(biāo)相同的情況不可能一直是相同的。不受外力的系統(tǒng)動(dòng)量是守恒的。行駛的自行車（人力獨(dú)輪車）要實(shí)現(xiàn)預(yù)定的騎行目標(biāo)就只能通過騎行者（或者AI智能系統(tǒng)）對(duì)外力（不能是隨機(jī)也不能是固定的，實(shí)際是根據(jù)失衡量或者騎行目標(biāo)計(jì)算得出的動(dòng)態(tài)值，過程遵循控制論原理）成功控制才可以實(shí)現(xiàn)騎行目標(biāo)。腳輪效應(yīng)的分析用下圖俯視圖效果要好些，自行車在平衡狀態(tài)勻速直行時(shí)轉(zhuǎn)向把手旋轉(zhuǎn)軸延長(zhǎng)線與地面交點(diǎn)P、前輪胎著地點(diǎn)Q、騎行者與自行車共同重心G、后輪胎著地點(diǎn)W在同一平面且為垂面，行駛到路口時(shí)需要向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，假設(shè)前輪向左轉(zhuǎn)向30度。轉(zhuǎn)向把手旋轉(zhuǎn)軸延長(zhǎng)線與地面交點(diǎn)P、騎行者與自行車共同重心G、后輪胎著地點(diǎn)W仍在同一平面且為垂面，前輪胎著地點(diǎn)Q在垂面右、重心G在地面垂點(diǎn)在前輪胎著地點(diǎn)Q和后輪胎著地點(diǎn)W連線左側(cè)。這時(shí)重力分力會(huì)產(chǎn)生向左旋轉(zhuǎn)力矩記為M1，腳輪效應(yīng)表現(xiàn)出打破平衡效果（在實(shí)踐中為了實(shí)現(xiàn)騎行目標(biāo)打破平衡是必要的，總保持維持平衡目標(biāo)就無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、加速、減速就無法完成騎行目標(biāo)），這時(shí)如果要保持平衡需要把前輪向左轉(zhuǎn)向恢復(fù)到0度與實(shí)際轉(zhuǎn)向需求矛盾（所有物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變都需要從打破前一狀態(tài)開始的，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)不同打破方式不同）。這個(gè)向左旋轉(zhuǎn)力矩是騎行者與自行車共同重心G離地高度，前輪胎著地點(diǎn)Q和后輪胎著地點(diǎn)W連線長(zhǎng)度，騎行者與自行車總質(zhì)量、前輪改變角度大小的函數(shù)（不是速度的函數(shù)，即大小不受速度變化影響）。在實(shí)際騎行中騎行者與自行車共同重心G會(huì)隨騎行者身姿調(diào)整略有變化，現(xiàn)忽略不計(jì)。在實(shí)際正常騎行中（實(shí)踐中在開始學(xué)習(xí)騎自行車是會(huì)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎時(shí)速度慢情況下因重力分力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而倒下，速度過快會(huì)因離心力分力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而倒下，沒有被注意到而被忽略）向左轉(zhuǎn)彎時(shí)沒有因重力分力產(chǎn)生向左旋轉(zhuǎn)力矩M1倒下。說明向左轉(zhuǎn)彎時(shí)重力分力產(chǎn)生向左旋轉(zhuǎn)力矩M1一定得到控制或者被抵消，反正法如果向左轉(zhuǎn)彎時(shí)重力分力產(chǎn)生向左旋轉(zhuǎn)力矩M1沒有得到控制或者沒有被抵消且不倒下就就違反了物理學(xué)規(guī)律。左轉(zhuǎn)彎時(shí)重力分力（小于騎行者與自行車總重力）產(chǎn)生向左旋轉(zhuǎn)力矩M1（向左進(jìn)一步傾斜身體可以加大M1）是被離心力分力產(chǎn)生向右旋轉(zhuǎn)力矩M2抵消，但離心力是騎行者與自行車總質(zhì)量、前輪改變角度大?。崔D(zhuǎn)彎半徑）、速度平方的函數(shù)。自行車和摩托車的速度可以從接近0到時(shí)速80千米/每小時(shí)，離心力的變化范圍很大。理論上在沒有控制的情況下M2和M1方向相反、大小相等概率是很低的，實(shí)踐騎行中成功騎行過程是M2和M1成功受控過程的證明，整個(gè)過程的分析需要用控制論原理和物理學(xué)力學(xué)。（離心力是慣性力，是實(shí)際不存在的虛擬力，實(shí)際產(chǎn)生向右旋轉(zhuǎn)力矩M2的力是地面的摩擦力和地面支持力共同作用的結(jié)果。）2011年，《科學(xué)》雜志刊登了一篇名為《一輛自行車可以不借助陀螺或腳輪效應(yīng)而保持平衡》的論文，文中荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)的研究者們否定了維持自行車穩(wěn)定的陀螺效應(yīng)和腳輪效應(yīng)，是完全正確的。（所有維持穩(wěn)定的措施，在適當(dāng)?shù)臈l件下都符合打破穩(wěn)定的措施）。近200年間，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家發(fā)表了幾百篇相關(guān)的文獻(xiàn)資料，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家在研究自行車為什么不到時(shí)，在兩個(gè)特別重要的影響因素被忽略沒有被討論，那就是摩擦力的實(shí)際作用和動(dòng)量守恒。真正讓轎車和自行車（人力獨(dú)輪車）加速前進(jìn)的外力是與地面接觸產(chǎn)生的摩擦力，不是發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出力和腳踏力。在完全無摩擦力得表面，在自行車從開始傾斜到倒地過程是不會(huì)產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)的，因?yàn)樵谕耆珶o摩擦力得表面，自行車傾倒時(shí)是沒有水平外力作用的，自行車水平方向的動(dòng)量是守恒的，由于有重力和地面支持力作用的存在自行車垂直方向的動(dòng)量是可以變化的。自行車速度無論是多大，在完全無摩擦力得表面，自行車從開始傾斜到倒地過程需要的時(shí)間和速度為零從開始傾斜到倒地過程需要的時(shí)間是相同的。行人或者自行車或者人力獨(dú)輪車在完全無摩擦的表面無論有無初速度的，僅依靠自身的任何動(dòng)作都無法改變整體的水平動(dòng)量值，表現(xiàn)為即使是倒地過程（因?yàn)橛兄亓偷孛嬷С至Φ淖饔么怪眲?dòng)量值可以改變）也無法改變重心在水平面垂點(diǎn)位置，即靜止的時(shí)候僅依靠自身的任何動(dòng)作都無法改變重心在水平面垂點(diǎn)位置（在重力和地面支持力的共同作用下是可以傾斜和可以倒地的,卻不會(huì)改變重心在水平面垂點(diǎn)位置）。在摩擦系數(shù)很大的表面，在腳輪效應(yīng)控制下自行車傾斜做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，離心力分力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩小于重力分力產(chǎn)生的相反旋轉(zhuǎn)力矩時(shí)，自行車?yán)^續(xù)傾斜，離心力分力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩會(huì)延長(zhǎng)傾斜時(shí)間，部分抵消重力分力產(chǎn)生的相反旋轉(zhuǎn)力矩。如果離心力分力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩（直行時(shí)沒有離心力分力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩）大于重力分力產(chǎn)生的相反旋轉(zhuǎn)力矩，自行車就被扶正。自行車被離心力分力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩扶正的狀態(tài)下就無法繼續(xù)向傾斜方向做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)根據(jù)騎行目標(biāo)如果要求繼續(xù)向傾斜方向做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),（在實(shí)際騎摩托車時(shí)，時(shí)速8千米及以上速度時(shí)轉(zhuǎn)彎是常見動(dòng)作）騎行者就必須主觀主動(dòng)控制外力（實(shí)際是摩擦力大?。┎趴梢詫?shí)現(xiàn)繼續(xù)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)（只有水平外力不為零才能改變水平動(dòng)量大?。ㄟ@時(shí)自我平衡是有利于保持平衡，卻是不利于騎行目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)騎行目標(biāo)就必須打破自我平衡），如果自行車速度很大直接轉(zhuǎn)動(dòng)車把手做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)（在學(xué)會(huì)騎自行車之前會(huì)做這樣動(dòng)作），離心力同樣很大，騎行者有可能會(huì)被離心力甩出去，這樣的現(xiàn)象在機(jī)動(dòng)車高速轉(zhuǎn)彎時(shí)是可以見到。通過觀察和力學(xué)分析實(shí)際騎行時(shí)在自行車速度很大做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，離心力同樣很大，騎行者是利用速度不能躍變通過提前向轉(zhuǎn)彎方向傾斜身體加大重力的分力產(chǎn)生更大的旋轉(zhuǎn)力矩抵消隨后轉(zhuǎn)彎時(shí)（減小圓周半徑）離心力分力產(chǎn)生的相反旋轉(zhuǎn)力矩，過程中騎行者主觀能動(dòng)性起到關(guān)鍵作用（心理過程是內(nèi)隱的，是心理學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容）。如果抵消失敗騎行者就有可能跌到或者被離心力甩出去。人力獨(dú)輪車或自行車自我平衡功能（比如陀螺效應(yīng)）雖然有時(shí)是有利于平衡的保持，騎行者騎人力獨(dú)輪車或自行車是為了實(shí)現(xiàn)主觀的騎行目標(biāo)，人力獨(dú)輪車或自行車自我平衡的保持結(jié)果和騎行者主觀騎行目標(biāo)相同的很少，在平衡的保持結(jié)果和騎行者主觀騎行目標(biāo)沖突時(shí)就需要打破人力獨(dú)輪車或自行車自我平衡功能，這時(shí)就必須依靠騎行者（或者AI智能系統(tǒng)）的主動(dòng)控制作用，所以在人力獨(dú)輪車或自行車騎行中騎行者（或者AI智能系統(tǒng)）的主動(dòng)控制作用很重要。在荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)的停車場(chǎng)和籃球館，研究者們以每小時(shí)8千米的速度把這輛小車向外推了出去，它自己行駛了相當(dāng)長(zhǎng)的距離，如同任何一輛傳統(tǒng)自行車一樣，它能夠平衡自己。研究者甚至還在自行車自我行駛過程中略微推了它一下，很快這輛小車又自己調(diào)整到直線軌道。參與研究者瑞納說：“沒人知道這是為什么?！痹摯髮W(xué)的另一名科學(xué)家阿諾德·舒瓦特說：“這輛自行車證明，自我平衡還無法用任何簡(jiǎn)單的詞來解釋。”自行車自己調(diào)整到直線軌道，自我平衡原理解釋如下：為了研究者在自行車自我行駛過程中略微推了它一下后的結(jié)果及原因，先分析自行車兩輪著地直立平衡時(shí)略微推了它一下后的結(jié)果及原因，假設(shè)地面的摩擦力為0，在力的作用點(diǎn)與重心重合，方向垂直向右，自行車整體向右加速移動(dòng)，加速度為a1=F/M,F為推力，M為自行車質(zhì)量；同樣大小的F力作用點(diǎn)在重心垂直上方，方向垂直向右，自行車整體向右加速移動(dòng)，加速度小于a1，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向右旋轉(zhuǎn)的力矩M1,，力的作用點(diǎn)與重心垂直距離越大M1越大，產(chǎn)生的加速度就越小。同樣大小的F力作用點(diǎn)在重心垂直下方，方向垂直向右，自行車整體向右加速移動(dòng)，加速度小于a1，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向左旋轉(zhuǎn)的力矩M2,，力的作用點(diǎn)與重心垂直距離越大M2越大，產(chǎn)生的加速度就越小。同樣大小的F力作用點(diǎn)在重心水平前方，方向垂直向右，自行車整體向右加速移動(dòng)，加速度小于a1，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力矩M3，力的作用點(diǎn)與重心垂直距離越大M3越大，產(chǎn)生的加速度就越小。同樣大小的F力作用點(diǎn)在重心水平后方，方向垂直向右，自行車整體向右加速移動(dòng)，加速度小于a1，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力矩M4，力的作用點(diǎn)與重心垂直距離越大M4越大，產(chǎn)生的加速度就越小。同樣大小的F力作用點(diǎn)不在重心水平或者垂直線上時(shí)，可以等效分解為兩個(gè)同時(shí)作用在重心水平和垂直線上的力。研究者在自行車自我行駛過程中略微（必須是略微的）推了它一下（在自行車接近倒地時(shí)理論上需要無窮大離心力才可以扶正自行車），假設(shè)略微推了它一下力作用點(diǎn)在重心垂直上方，方向垂直向右，由于有摩擦力的存在自行車沒有整體向右加速移動(dòng)，一定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向右旋轉(zhuǎn)的力矩M5，傾斜后與重力分力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩重合，自行車會(huì)向右傾倒同時(shí)向右做圓周運(yùn)動(dòng)，如果自行車行駛行駛速度慢，離心力分力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩小于重力分力產(chǎn)生的相反旋轉(zhuǎn)力矩，自行車有可能倒地。如果自行車行駛行駛速度快，離心力分力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩大于重力分力產(chǎn)生的相反旋轉(zhuǎn)力矩，自行車有可能被扶正，但由于扶正的速度是不能躍變的，自行車會(huì)繼續(xù)向左傾倒同時(shí)向左做圓周運(yùn)動(dòng)，重復(fù)以上過程，隨著動(dòng)能的損耗速度越來越小，最后還是要倒下。硬幣在有摩擦的平面上高速滾動(dòng)時(shí)有相似現(xiàn)象。在農(nóng)村勞作之余農(nóng)民可以把一根直木棒垂直放在一個(gè)拇指上通過準(zhǔn)確控制水平加減速（不能是隨機(jī)也不能是固定的，實(shí)際是根據(jù)失衡量計(jì)算得出的動(dòng)態(tài)值，過程遵循控制論原理）運(yùn)動(dòng)方向和大小保持木棒垂直不倒下（雜技演員會(huì)表現(xiàn)的更好），如圖，物理學(xué)原理分析如下圖，可以用理論也可以用實(shí)踐證實(shí)在水平方向360度范圍內(nèi)任意角度發(fā)生傾斜形成旋轉(zhuǎn)失衡時(shí)如果得不到及時(shí)有效控制就會(huì)傾倒（因?yàn)樗俣炔荒苘S變，段時(shí)間失衡是可以的，概率為百分之一百正確，因?yàn)樵谏钪幸脖仨氉袷匚锢韺W(xué)規(guī)律），在游戲過程中開始時(shí)旋轉(zhuǎn)失衡傾斜方向可以是隨機(jī)的，在游戲過程中成功控制過程是需遵循物理學(xué)定律和控制論邏輯。受物理學(xué)定律限制在確定時(shí)刻為了成功糾正轉(zhuǎn)動(dòng)失衡需要做出的水平加減速運(yùn)動(dòng)方向和大小一定不可以是隨機(jī)的。實(shí)際是利用平動(dòng)的變化（即平動(dòng)加速度大小和方向的變化）時(shí)外力合力的作用方向不通過重心會(huì)產(chǎn)生力矩控制糾正轉(zhuǎn)動(dòng)失衡，在實(shí)際騎行中糾正完成過程一直存在卻沒有得到很好的認(rèn)識(shí)（和內(nèi)隱學(xué)習(xí)過程中人工語法的作用相同），自行車左右轉(zhuǎn)動(dòng)平衡的控制、平衡車前后轉(zhuǎn)動(dòng)平衡的控制、電動(dòng)獨(dú)輪車水平360度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)平衡的控制、人力獨(dú)輪車水平360度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)平衡的控制都是利用這一技術(shù)?？刂菩Ч瑒?dòng)作過程都是一樣的，僅僅是控制主體不同和控制范圍不同（自行車在前后失衡前只需要控制左右轉(zhuǎn)動(dòng)平衡、人力獨(dú)輪車需要控制360度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)平衡，四輪轎車和人力三輪車在任意方向失衡前不需要控制轉(zhuǎn)動(dòng)平衡），實(shí)際生活中學(xué)習(xí)騎自行車和人力獨(dú)輪車過程就是對(duì)以上控制轉(zhuǎn)動(dòng)平衡技術(shù)掌握的過程（過程符合心理學(xué)中內(nèi)隱定義）。糾正轉(zhuǎn)動(dòng)失衡過程中所需水平加減速運(yùn)動(dòng)方向和大小確定和實(shí)施過程是分析重點(diǎn)（對(duì)研究?jī)?nèi)隱的主觀能動(dòng)性很重要），借助物理學(xué)定律和控制論分析自行車和人力獨(dú)輪車騎行過程，深入客觀了解騎行者心理和行為過程。在騎人力獨(dú)輪車時(shí)如果身體先向前傾斜5度，緊接著馬上開始做向前加速運(yùn)動(dòng)（加速度是可以躍變，騎行者身體的傾斜速度是不可以躍變的，是物理學(xué)基本知識(shí)點(diǎn)在這不解釋），那么騎行者身體是向前傾倒還是向后傾倒還是保持平衡不傾倒呢？答案如下圖如果F4=F3木棒不會(huì)向前也不會(huì)向后傾斜是保持不穩(wěn)平衡的（F1和F2合力方向通過支點(diǎn)，只要通過支點(diǎn)才能不產(chǎn)生力矩，木棒有可能是非垂直的，即符合理論也符合實(shí)踐）不產(chǎn)生力矩（和沒有加速度時(shí)垂直狀態(tài)等效，可參考愛因斯坦等效理論）。（木棒實(shí)際只受重力F1（慣性力F2也可以稱為引力等效力，是不存在的在物理學(xué)中為了便于計(jì)算的假設(shè)力）、手指的支持力、摩擦力作用，F(xiàn)4只是慣性力F2的分力，F(xiàn)3只是重力F1的分力），如果F4略大于F3木棒逐漸向后傾斜，市場(chǎng)上銷售的電動(dòng)平衡車騎行時(shí)在檢測(cè)到騎行者身體向后傾斜時(shí)（必須是形成向后旋轉(zhuǎn)力矩）會(huì)制動(dòng)形成一個(gè)負(fù)加速度，如果F4略小于F3木棒逐漸向前傾斜，如果不進(jìn)行控制木棒會(huì)逐漸向前傾斜，直至倒地，市場(chǎng)上銷售的電動(dòng)平衡車騎行時(shí)在檢測(cè)到騎行者身體向前傾斜時(shí)（必須是形成向前旋轉(zhuǎn)力矩）會(huì)調(diào)控加速度增大(加速度和傾斜角度@(0-90度)成反比且是非線性的),電動(dòng)平衡車內(nèi)部算法應(yīng)該是各企業(yè)的機(jī)密，從實(shí)際騎行中可驗(yàn)證電動(dòng)平衡車傳感器檢測(cè)到玩家站上后（玩家站上前電動(dòng)平衡車的智能控制系統(tǒng)會(huì)以保持直立為調(diào)控目標(biāo)）且前、后旋轉(zhuǎn)力矩不為0時(shí)，電動(dòng)平衡車的智能控制系統(tǒng)會(huì)以F4=F3為目標(biāo)調(diào)控加速度的大小，不會(huì)主動(dòng)控制F4大于或者小于F3（如果電動(dòng)平衡車的智能控制系統(tǒng)主動(dòng)控制F4大于F3就會(huì)出現(xiàn)像乘客站在公交車上加速時(shí)，乘客身體會(huì)表現(xiàn)出不受控制向后傾斜、或者表現(xiàn)出類似不到翁運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象而無法正常騎行，無法實(shí)現(xiàn)勻加速運(yùn)。）可證明可觀察在實(shí)際騎人力獨(dú)輪車的時(shí)候騎行者是按照主觀目標(biāo)通過肢體動(dòng)作通過間接控制人力獨(dú)輪車與地面的摩擦力的方法控制加速度的大小和方向跟隨騎行者已經(jīng)完成的身體傾斜角度大小和方向（準(zhǔn)確講應(yīng)該是跟隨形成的旋轉(zhuǎn)力矩大小和方向）變化而變化的，達(dá)到保持加速度為從變量，即騎自行車主動(dòng)轉(zhuǎn)向是先通過轉(zhuǎn)車把手和傾斜身體打破平衡，再控制離心力建立一個(gè)新的平衡，打破平衡和糾正失衡力矩方向是相反的，傾斜身體利用重力打破平衡的力矩方向是無法改變的，離心力的力矩方向是可以通過改變車把方向而改變的，所有實(shí)踐騎自行車（人力獨(dú)輪車）過程中，傾斜身體只能打破平衡狀態(tài)不能糾正糾正失衡，而離心力（慣性力）即能打破平衡狀態(tài)也能糾正糾正失衡狀態(tài)。騎行者通過意識(shí)（可以是內(nèi)隱的）控制騎行者身體傾斜角度（形成旋轉(zhuǎn)力矩），再依據(jù)傾斜身體形成的旋轉(zhuǎn)力矩通過肢體動(dòng)作間接控制自行車（人力獨(dú)輪車）與地面的摩擦力控制加速度進(jìn)一步控制速度，客觀上只有加速度的大小和方向準(zhǔn)確跟隨騎行者已經(jīng)完成的身體傾斜角度大小和方向才可以達(dá)到糾正旋轉(zhuǎn)失衡的目標(biāo)，如果加速度的大小和方向不能準(zhǔn)確跟隨騎行者已經(jīng)完成的身體傾斜后產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩大小和方向結(jié)果只能制造新的旋轉(zhuǎn)失衡，比如公交車加速起步時(shí)加速度的大小和方向就是不能跟隨騎行者身體傾斜后產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩大小和方向。根據(jù)物理學(xué)原理和控制論原理可證實(shí)在成功完成騎行人力獨(dú)輪車行為時(shí)即使騎行者沒有意識(shí)到也必須完成正確感知人力獨(dú)輪車的平衡或者失衡數(shù)據(jù)（方向和大?。┎⒗^續(xù)完成信息處理形成正確的決策，再根據(jù)決策用腳控制人力獨(dú)輪車加減速、轉(zhuǎn)向操作達(dá)到控制人力獨(dú)輪車不傾倒或者完成加減速、轉(zhuǎn)向目標(biāo)，以上是嚴(yán)格遵循教科書的理論論證，在實(shí)踐檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果也是百分之一百正確。（再小概率的錯(cuò)誤存在都會(huì)和物理學(xué)定律沖突，結(jié)果必須是百分之一百正確）。下圖還有一個(gè)奇妙的地方，如果把圖中前改為右，后改為左，圖里為前，圖外為后就是騎自行車的控制圖，得到離心力也是加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力等效力、或者稱慣性力，符合離心力定義（可參考離心力定義）?？梢宰C明在騎自行車向右轉(zhuǎn)彎如果不預(yù)先向右傾斜身體（右傾斜身體可以利用重力形成一個(gè)向右的力矩），在向右轉(zhuǎn)彎的時(shí)候離心力會(huì)形成向左的力矩，表現(xiàn)出向左傾斜現(xiàn)象，用物理學(xué)原理分析可以得到是和乘客在公交車上向前加速時(shí)，乘客身體向后傾斜是相同的物理學(xué)現(xiàn)象，為進(jìn)一步分析自行車騎行時(shí)控制方式提供了理論基礎(chǔ)。下圖人力獨(dú)輪車失衡發(fā)生時(shí)間越長(zhǎng)，角度@就越小，分力F3越大（小于等于F1），重力F1大小不變。為了保持旋轉(zhuǎn)平衡F4=F3，角度@就越小，F(xiàn)2就必須越大，根據(jù)力的矢量分解法則，角度@接近0時(shí)，F(xiàn)2就接近無窮大，F(xiàn)2是為了方便計(jì)算假設(shè)的力，實(shí)際是不存在的，實(shí)際存在起作用的是摩擦力，摩擦力的大小由摩擦系數(shù)和人力獨(dú)輪車（包括騎行者）重量共同確定是有限值，當(dāng)理論上F2大于實(shí)際摩擦力控制就會(huì)失?。ê蛯?shí)踐符合，在冰面上摩擦系數(shù)?。Ｍ砣肆Κ?dú)輪車失衡發(fā)生時(shí)間越短越容易控制恢復(fù)旋轉(zhuǎn)平衡，實(shí)踐和物理學(xué)理論是完全相符的，經(jīng)得起嚴(yán)格理論計(jì)算和試驗(yàn)檢驗(yàn)。根據(jù)以上的實(shí)例及物理學(xué)課本知識(shí)可以證實(shí)運(yùn)動(dòng)所有物體實(shí)際日常中感受到的是重力合力不一定全是垂直向下的，只有在靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候感受的重力是垂直向下的，人在開車加、減速向前或者做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，騎自行車加速、減速向前的時(shí)候或者做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，做公交車加、減速的時(shí)候，騎人力獨(dú)輪車加、減速向前的時(shí)候或者圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，百米短跑加速的時(shí)候，花樣滑冰向前加、減速和做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，飛機(jī)駕駛員非垂直飛行加速的時(shí)候，在所有有水平加速度的運(yùn)動(dòng)時(shí)候，感受到的都是重力和超重力（另一種說法是加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力等效力,有的文獻(xiàn)也稱為慣性力，都是根據(jù)加速度定律F=ma或者是沖量定律FT=MV推論出來的，運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量不變，時(shí)間變化是固定的，在速度V的變化過程中即加速度不為零必然有力的產(chǎn)生，這個(gè)力也就是理論中的加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的超重現(xiàn)象或者慣性力，也是可以查到的另一種描述是物體加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力等效力即愛因斯坦等效原理）的合力都不是垂直地面向下的（以上結(jié)論是根據(jù)教科書知識(shí)推論的無需證實(shí)，反證法如果以上推論是錯(cuò)誤就會(huì)導(dǎo)致教科書知識(shí)是錯(cuò)誤的結(jié)論，這是不可能的），（網(wǎng)上有很多資料可供參考，飛機(jī)駕駛員飛行時(shí)加速度在2.9g至9.1g時(shí)合力會(huì)引發(fā)”黑視”現(xiàn)象，高速導(dǎo)彈在追飛機(jī)小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)合力會(huì)引發(fā)導(dǎo)彈解體）。等效原理，是由愛因斯坦提出的著名假設(shè)。它告訴我們，究竟是均勻重力加速度g還是參考系加速度的a=-g，這在局部范圍內(nèi)是無法加以區(qū)分的。一般情況下，要說出給定的力中有多少是重力，有多少是慣性力是不可能的。自行車（人力獨(dú)輪車）騎行過程要準(zhǔn)確說出騎行者實(shí)際感受的力中有多少是重力mg，有多少是慣性力ma是不可能的。自行車（人力獨(dú)輪車）騎行過程騎行者實(shí)際感受到的力只是一個(gè)合力。根據(jù)等效原理在勻加速a不太大時(shí)，F(xiàn)4=F3時(shí)騎行者身體是傾斜的和靜止直立時(shí)的平衡是等效的，手里拿的重物會(huì)比靜止時(shí)大些。公交車站立乘客兩腳與車最前接觸點(diǎn)為C1最后接觸點(diǎn)為C2，假設(shè)在加速前乘客重心在地面的垂直投影點(diǎn)在C1和C2的中間C3位置，重心與C2距離為L(zhǎng)1與地面夾角為@。如果公交車乘客其中一只腳向前邁開C1和C2點(diǎn)前后距離變大（被動(dòng)受力情況與自行車等效）前后勢(shì)能不是最大，在F1和F2（慣性力）的合力方向在C1和C2點(diǎn)連線之內(nèi)時(shí)（包含C1和C2點(diǎn)）身體不會(huì)前后傾斜。如果公交車乘客其中一只腳向左邁開C1和C2點(diǎn)左右距離變大（被動(dòng)受力情況與電動(dòng)平衡車等效）左右勢(shì)能不是最大，在F1和F2（離心力）的合力方向在C1和C2點(diǎn)連線之內(nèi)時(shí)（包含C1和C2點(diǎn)）身體不會(huì)左右傾斜。同理三輪車在騎行時(shí)，F(xiàn)1和F2的合力方向在三個(gè)車輪著地點(diǎn)連線組成的平面內(nèi)時(shí)（包含三個(gè)車輪著地點(diǎn)連線）身體是不會(huì)向任何方向傾斜。相反如果乘客兩只腳并立后單腳尖著地C1和C2點(diǎn)重合平衡時(shí)（被動(dòng)受力情況與人力獨(dú)輪車等效）勢(shì)能最大，身體失衡傾斜后必須控制F2才可以恢復(fù)旋轉(zhuǎn)平衡（符合不穩(wěn)平衡定義）。（平衡影響因素分析和轎車轉(zhuǎn)彎時(shí)的平衡影響因素分析過程是相同的，由重心高度，總質(zhì)量，輪距共同決定）。中學(xué)課本案例：試驗(yàn)者(質(zhì)量為M1)靜止站在摩擦系數(shù)不為0的小車上，小車(質(zhì)量為M2)靜止放在無摩擦的冰面上，試驗(yàn)者向前以V1速度運(yùn)動(dòng)，小車就以V2速度向后運(yùn)動(dòng)，且滿足?M1*V1=?M2*V2，這就是動(dòng)量守恒，試驗(yàn)者換成騎行者和自行車，小車換成地球同樣成立。試驗(yàn)者換成衛(wèi)星，小車換成衛(wèi)星上姿態(tài)控制火箭噴出的氣體也是同樣成立。如果一個(gè)系統(tǒng)不受外力作用或者所受外力的矢量和為零，那么這個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變，這就是動(dòng)量守恒定律。動(dòng)量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一，它既適用于宏觀物體，也適用于微觀粒子；騎行者和自行車系統(tǒng)中，騎行者和自行車的動(dòng)量每一次變化?M1*V1，都必須伴隨另一個(gè)或者幾個(gè)?mv的存在，一個(gè)或者幾個(gè)?mv的矢量和必定等于-?M1*V1。m是地球時(shí)m可以看成無窮大，v就無窮小，雖然v無窮小但也必須存在，因?yàn)閯?dòng)量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一（如果在很小很輕的木船上騎行時(shí)v就表現(xiàn)的很明顯）。v無窮小在騎自行車或者開汽車加速的時(shí)候無法感覺到被忽略了是不利于人的心理和行為的研究的。物理學(xué)關(guān)于不穩(wěn)定平衡定義如下：不穩(wěn)平衡定義，指一個(gè)平衡處于相對(duì)不穩(wěn)定的狀態(tài)。不穩(wěn)平衡表示一個(gè)物體從平衡的位置運(yùn)動(dòng)短距離，接著無法回到原來位置而進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)的狀況，即若處于平衡狀態(tài)的物體在受到外力的微小擾動(dòng)而偏離平衡位置時(shí)，若物體無法自動(dòng)恢復(fù)到原先的狀態(tài)，這樣的平衡叫做不穩(wěn)平衡。處于不穩(wěn)平衡的物體，其勢(shì)能的一階導(dǎo)數(shù)為零，且二階導(dǎo)數(shù)為負(fù)，勢(shì)能處于極大值。關(guān)于不穩(wěn)平衡的定義也可以這樣理解，所有不穩(wěn)平衡物體從平衡的位置運(yùn)動(dòng)短距離后必須執(zhí)行符合一定條件的系統(tǒng)控制操作才可以回到原來位置恢復(fù)到原先的狀態(tài)（如果不需要系統(tǒng)控制操作就可以回到原來位置恢復(fù)到原先的狀態(tài)就與定義不符，也與實(shí)踐不符，概率為百分之百正確）。有加速度的不穩(wěn)平衡和穩(wěn)定平衡時(shí)外力合力方向都必須通過作用點(diǎn)和重心否則就會(huì)產(chǎn)生力矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。不穩(wěn)平衡是外力合力作用點(diǎn)在外力合力方向上重心后側(cè)，穩(wěn)定平衡是外力合力作用點(diǎn)在外力合力方向上重心前側(cè)。自行車和人力獨(dú)輪車在靜止直立時(shí)或者勻速直行時(shí)的平衡是典型的不穩(wěn)平衡，在生活中自行車和人力獨(dú)輪車在騎行過程中存在大量離開平衡的位置后又回到原來位置恢復(fù)到原先狀態(tài)的情況，根據(jù)不穩(wěn)平衡定義。不穩(wěn)平衡物體是無法自動(dòng)恢復(fù)到原先狀態(tài)的，現(xiàn)在自行車和人力獨(dú)輪車在騎行過程中存在回到原來位置恢復(fù)到原先狀態(tài)現(xiàn)象，自行車和人力獨(dú)輪車在騎行過程中一定受到外力的作用，如果外力是任意不受控的，人力獨(dú)輪車或自行車在騎行中的狀態(tài)就是任意不受控的是無法完成騎行過程與實(shí)踐不符，實(shí)踐中是一個(gè)可以受騎行者心理控制的力（過程可能沒有被意識(shí)到，但可以用物理學(xué)規(guī)律和控制論原理證實(shí)力的控制過程存在），因?yàn)橹挥惺茯T行者心理控制的力，才可以控制自行車或人力獨(dú)輪車的運(yùn)功軌跡按照騎行者的意圖前行，才可以到達(dá)目的地，完成整個(gè)騎行過程，這個(gè)力是摩擦力，反證法如果沒有摩擦力在騎自行車和人力獨(dú)輪車時(shí)是無法完成加減速和轉(zhuǎn)彎行為，實(shí)踐中向前加速時(shí)人力獨(dú)輪車或者公交車乘客車受到由摩擦產(chǎn)生的向前推力是作用在支點(diǎn)水平向前不通過人力獨(dú)輪車和騎行者或者公交車乘客車重心的，會(huì)產(chǎn)生向后旋轉(zhuǎn)力矩，公交車乘客或者不熟練的人力獨(dú)輪車玩家都會(huì)發(fā)生向后傾倒無法保持平衡，現(xiàn)實(shí)生活中熟練的人力獨(dú)輪車玩家是不會(huì)發(fā)生向后傾倒，能保持平衡，通過生活實(shí)踐中觀察和接下來理論分析可證明熟練的人力獨(dú)輪車玩家和電動(dòng)平衡車都是在向前加速前先靈活地準(zhǔn)確地向前傾斜身體利用重力分力（小于重力）產(chǎn)生的向前旋轉(zhuǎn)力矩（產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)速度不能躍變）抵消了由向前摩擦力產(chǎn)生的向后旋轉(zhuǎn)力矩，熟練的人力獨(dú)輪車玩家可以成功準(zhǔn)確地在變化的騎行過程中根據(jù)玩家身體傾斜產(chǎn)生的力矩方向及時(shí)控制加速方向和大?。ú皇歉鶕?jù)加速方向和大小控制身體的傾斜方向和角度大?。?，保持平衡不傾倒的同時(shí)按照騎行者的騎行目標(biāo)傾斜身體，再根據(jù)身體傾斜產(chǎn)生的力矩控制人力獨(dú)輪車加速度大小和方向成功完成騎行目標(biāo)，人力獨(dú)輪車騎行過程與市場(chǎng)上的電動(dòng)平衡車的前后（只限前后運(yùn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)過程中外部受力情況、前后平衡及前后速度大小的控制動(dòng)作執(zhí)行過程及結(jié)果是完全相同的，僅僅是控制的主體不一樣，所以電動(dòng)平衡車的算法及人工智能系統(tǒng)對(duì)人力獨(dú)輪車（自行車）騎行過程中騎行者的心理和行為動(dòng)作研究有重要參考價(jià)值。高中物理題，公交車以9.8米/秒^2向前加速行駛的時(shí)候，用50厘米長(zhǎng)繩子把小鐵球掛在公交車頂上（可以看成是一個(gè)簡(jiǎn)易加速度計(jì)，平衡時(shí)繩子向后和車頂每個(gè)夾角都對(duì)應(yīng)一個(gè)確定大小的加速度，且繩子永遠(yuǎn)不可能達(dá)到絕對(duì)水平，加速度增大到一定大時(shí)繩子會(huì)斷，這些都是由物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)決定的可以參考物理學(xué)課本），在繩子向后和車頂保持多少度夾角的時(shí)候小鐵球可以保持穩(wěn)定？答案是45度夾角，小鐵球是穩(wěn)定平衡系統(tǒng)，在受到外力干擾時(shí)能自動(dòng)恢復(fù)平衡狀態(tài)，同時(shí)站在車廂里的乘客手不扶扶手,身體不依靠任何支撐也是需要身體向前傾斜45度夾角才可以保持穩(wěn)，是不穩(wěn)定平衡，在偏離平衡時(shí)是不能自動(dòng)恢復(fù)平衡狀態(tài)必須借助外力才可以恢復(fù)平衡狀態(tài),在生活中騎人力騎獨(dú)輪車時(shí)以9.8米/秒^2向前加速行駛的時(shí)候，騎行者和人力獨(dú)輪車要向前和地面保持多少度夾角騎行者和人力獨(dú)輪車才可以保持穩(wěn)定？答案也是45度角（和電動(dòng)獨(dú)輪車的操作說明及實(shí)際操作是相對(duì)應(yīng)的，答案是由物理學(xué)課本基礎(chǔ)知識(shí)推導(dǎo)出來的，如果用試驗(yàn)驗(yàn)證是百分之百符合）。同樣問題，在騎自行車以9.8米/秒^2向心加速度做圓周行駛的時(shí)候，騎行者和自行車要向圓心方向和地面保持多少度夾角的時(shí)候騎行者和自行車才可以保持左右穩(wěn)定不傾倒，答案也是45度角，在騎行中向心加速度變大時(shí)騎行者和自行車與圓心方向地面夾角就必須同時(shí)變小(如摩托車高速轉(zhuǎn)彎時(shí)馬奎斯的極限壓彎)，在騎行中向心加速度變小時(shí)（即半徑變大或者速度變?。T行者和自行車與圓心方向地面夾角就必須同時(shí)變大（是動(dòng)態(tài)值），在平衡時(shí)即加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力等效力和重力合力方向通過自行車兩輪支點(diǎn)連線（人力獨(dú)輪車在平衡時(shí)即加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力等效力和重力合力方向通過人力獨(dú)輪車車輪在地面的支點(diǎn)，人力三輪車在加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力等效力和重力合力方向通過人力三輪車3個(gè)車輪在地面的支點(diǎn)聯(lián)成的面時(shí)都是平衡，人力三輪車在加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力等效力和重力合力方向通過人力三輪車后左或者后右輪子與前輪子的連線時(shí)三輪車就變成兩輪自行車（部隊(duì)偏三輪訓(xùn)練時(shí)時(shí)常發(fā)生），人力三輪車在加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力等效力和重力合力方向通過人力三輪車后面兩個(gè)輪子的連線時(shí)變成平衡車，人力三輪車在加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力等效力和重力合力方向通過人力三輪車后左或者后右輪子（輪子要具有制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)功能）支點(diǎn)時(shí)變成獨(dú)輪車），平衡時(shí)向心加速度大小與騎行者和自行車與圓心方向地面夾角大小是唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系。騎行者和自行車系統(tǒng)是不穩(wěn)定平衡系統(tǒng)如果受到外力干擾后是不能自動(dòng)恢復(fù)平衡狀態(tài)的，失去平衡狀態(tài)如果要恢復(fù)平衡就必須得有力的作用（力是改變物體狀態(tài)的唯一因素）（本文討論的是在標(biāo)準(zhǔn)的柏油路面上的情況，在完全無摩擦力的地面是無法完成轉(zhuǎn)彎、加速、減速過程的），如果角度保持不正確就會(huì)有力矩產(chǎn)生發(fā)生傾斜，在沒有得到及時(shí)糾正是不能恢復(fù)平衡狀態(tài)。在實(shí)際騎自行車轉(zhuǎn)彎的時(shí)候半徑和向心加速度是在一定范圍內(nèi)變化的，騎行者如果角度大小或者角度傾斜開始及結(jié)束的時(shí)間保持不正確就會(huì)有力矩產(chǎn)生發(fā)生傾斜（可以重復(fù)驗(yàn)證）。在騎自行車的時(shí)候向心加速度是在一定范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的，根據(jù)物理學(xué)原理和控制論原理整個(gè)成功的騎行過程中，騎行者必須正確感知，正確判斷，正確完成操控行為（在初學(xué)習(xí)騎自行車的時(shí)候會(huì)時(shí)常發(fā)生操控行為失敗，只是后果不嚴(yán)重沒得到人的重視）。了解一下物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變必須遵守的基本物理學(xué)規(guī)律：1、外力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的根本原因。2、物體狀態(tài)的改變(產(chǎn)生加速度)一定是受到一個(gè)或者幾個(gè)合力不為零的外力的作用。3、物體在不受外力或者受所有外力合力為零時(shí)，保持靜止?fàn)顟B(tài)或者勻速直線運(yùn)動(dòng)。為了研究自行車騎行時(shí)為什么不會(huì)倒先把騎自行車過程分為以下多個(gè)狀態(tài)：狀態(tài)1、騎行者和自行車正立以時(shí)速10公里勻速直線運(yùn)動(dòng)。狀態(tài)2、騎行者和自行車正立以時(shí)速20公里勻速直線運(yùn)動(dòng)。狀態(tài)3、騎行者和自行車傾斜做半徑為R1時(shí)速為10公里勻速圓周運(yùn)動(dòng)（平衡時(shí)傾斜角度是不可以指定，三個(gè)量只可以指定兩個(gè)，指定前兩個(gè)量后平衡時(shí)第三個(gè)量就是確定的唯一的，如果第三個(gè)量無法確定或者確定的起始時(shí)間或者大小確定失敗、騎自行車的騎行控制必定失敗（基于課本的基礎(chǔ)知識(shí)推導(dǎo)出來的無需證明，反證法如果第三個(gè)量無法確定或者起始時(shí)間或者大小確定失敗、騎自行車的騎行控制成功，會(huì)得到物理學(xué)和控制論知識(shí)是錯(cuò)誤的結(jié)果）。在騎行者自動(dòng)根據(jù)感知騎行者和自行車狀態(tài)結(jié)果并結(jié)合自身知識(shí)判斷生成正確的傾斜角度大小是騎行中控制不傾倒的必要條件，在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中由傳感器采集信息、控制電腦準(zhǔn)確的計(jì)算得到傾斜角度并執(zhí)行，騎行者控制行為過程中的心理活動(dòng)是內(nèi)隱的可證實(shí)可重復(fù)驗(yàn)證，嚴(yán)格遵守物理學(xué)定律成功概率為百分之百）。狀態(tài)4、騎行者和自行車傾斜做半徑為R1時(shí)速為20公里勻速圓周運(yùn)動(dòng)。狀態(tài)5、騎行者和自行車傾斜做半徑為R2時(shí)速為10公里勻速圓周運(yùn)動(dòng)(R2＞R1)。狀態(tài)6、騎行者在自行車后座右側(cè)綁帶50公斤的貨物時(shí)速為10公里做直線勻速運(yùn)動(dòng)。參考一下衛(wèi)星發(fā)射及變軌過程，運(yùn)送衛(wèi)星的火箭在地面點(diǎn)火加速上升（加速度為a1），加速到預(yù)定速度V1并運(yùn)行一段時(shí)間上升到達(dá)預(yù)定高度時(shí)衛(wèi)星和火箭分離，衛(wèi)星進(jìn)入在半徑為r1的軌道（狀態(tài)a），再通過變軌控制變?yōu)榘霃綖閞2的軌道，變軌過程要控制姿態(tài)保持太陽能電池正面向著太陽。衛(wèi)星在變軌之前要進(jìn)行精確計(jì)算，變軌開始要點(diǎn)火施加一個(gè)外力F（大小方向是持續(xù)受控的），先打破狀態(tài)a的平衡，衛(wèi)星繼續(xù)在外力（大小和方向要受控）作用下產(chǎn)生加速度向狀態(tài)b變化，在到達(dá)狀態(tài)b時(shí)要撤去外力或者保持外力合力為零，保持狀態(tài)b運(yùn)行。打破狀態(tài)a的平衡是向狀態(tài)b變軌的前提條件。在騎自行車時(shí)先用力踩腳踏板借助產(chǎn)生的摩擦力加速向前，在達(dá)到預(yù)定速度V1繼續(xù)保持騎行一段距離（中途28大架自行車后座上坐的人下車）再圍繞一個(gè)中心點(diǎn)w做狀態(tài)3的運(yùn)動(dòng)，再由狀態(tài)3變?yōu)闋顟B(tài)5，在騎行過程中騎行者和自行車不能傾倒。整個(gè)控制過程和控制條件是和衛(wèi)星發(fā)射及變軌相同的（地面對(duì)自行車的支持力和自行車對(duì)地面的壓力大小相等方向相反合力為零不產(chǎn)生加速度和力矩，忽略不計(jì)）計(jì)算公式及數(shù)據(jù)也是通用的。不同之處是騎自行車做圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度是通過傾斜騎行者身體和自行車與地平面形成夾角后由重力的一個(gè)分力產(chǎn)生的，最終是受騎行者主觀控制（可推理可觀察可重復(fù)驗(yàn)證），騎行者身體和自行車與地平面的角度隨半徑及速度變化的變化過程符合控制論要求（不符合就要摔倒，或者稱變軌失?。?。參考衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)結(jié)合基礎(chǔ)科學(xué)深入研究騎自行車過程中人的行為和心理活動(dòng)規(guī)律完全是正確。對(duì)騎自行車行為可定義為騎行者通過主觀意識(shí)控制肢體動(dòng)作，再通過肢體動(dòng)作間接控制摩擦力對(duì)自行車速度、平衡、方向以達(dá)到自行車在騎行時(shí)保持不傾倒以一定的速度把騎行者帶到目的地的控制行為過程。維納把控制論看作是一門研究機(jī)器、生命社會(huì)中控制和通訊的一般規(guī)律的科學(xué)，是研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在變的環(huán)境條件下如何保持平衡狀態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)的科學(xué)（應(yīng)該還包括由一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換）。引入控制論原理結(jié)果發(fā)現(xiàn)騎行自行車的控制行為過程完全符合控制論之父維納對(duì)控制論的定義。在當(dāng)今社會(huì)中機(jī)器的控制研究案例豐富，但缺生命社會(huì)中的典型案例，參考認(rèn)知控制論原理來（感知控制理論）分析“系統(tǒng)”中的控制、反饋、通信定義。騎自行車控制過程符合《認(rèn)知控制論原理》認(rèn)知控制案例（在認(rèn)識(shí)上有部分是內(nèi)隱的但可以用物理學(xué)和控制論原理證明存在）。騎自行車過程中所有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化過程都和衛(wèi)星發(fā)射過程是一樣的從打破前一個(gè)狀態(tài)的平衡開始，比如騎自行車向右轉(zhuǎn)彎的時(shí)候的先向右傾斜身體或者轉(zhuǎn)動(dòng)車把手打破平衡，這時(shí)地面會(huì)產(chǎn)生向右的水平摩擦力，騎行者和自行車水平總的動(dòng)量發(fā)生變化，騎行者和自行車和地球總的動(dòng)量是沒變的，（摩擦力和衛(wèi)星變軌時(shí)變軌火箭點(diǎn)火產(chǎn)生的推力作用相似），騎人力獨(dú)輪車向前加速的時(shí)候先向前傾斜身體，如果不先打破平衡就會(huì)出現(xiàn)像站在公交車上公交車突然加速身體會(huì)不由自主地向后跌倒相同的不受控制的非預(yù)期得結(jié)果。騎人力獨(dú)輪車是先向前傾斜身體再加速（符合獨(dú)輪車使用說明和實(shí)際操作，可以參考網(wǎng)上電動(dòng)平衡車在遙控起步加速時(shí)的視頻，是可證明可觀察可重復(fù)驗(yàn)證），騎行者加油門，加電門，用力踩腳踏板都是騎行過程中通過肢體動(dòng)作操控自行車?yán)玫孛婺Σ亮Υ蚱破胶鉅顟B(tài)，形式不同但最終都是通過利用地面摩擦力產(chǎn)生加速度改變騎行者自行車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（水平動(dòng)量）。騎人力獨(dú)輪車向前加速之前先向前傾斜身體都是必要的、基本的、一直被執(zhí)行的卻沒有被充分認(rèn)識(shí)的基本動(dòng)作。（打破平衡狀態(tài)行為動(dòng)作完成過程在所有騎自行車行為中一直存在并被遵守和執(zhí)行卻沒有得到認(rèn)識(shí)到這些理論在騎自行車過程中發(fā)揮應(yīng)用，但實(shí)際生活中寫電動(dòng)平衡車和電動(dòng)獨(dú)輪車算法人員是一定意識(shí)了并且研究的很成熟，也得到實(shí)踐驗(yàn)證是正確的，對(duì)證實(shí)和研究的內(nèi)隱控制過程中心理和行為過程有重要意義），是可以重復(fù)觀察，可以重復(fù)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。騎自行車在轉(zhuǎn)彎時(shí)由于離心力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)致人和自行車傾倒的力矩，騎自行車在轉(zhuǎn)彎時(shí)向轉(zhuǎn)彎的方向側(cè)傾著身子是保持平衡不傾倒的必要?jiǎng)幼?，用物理學(xué)和控制論知識(shí)分析可以得到向預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)彎方向提前傾斜身子不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，而是一個(gè)系統(tǒng)過程，根據(jù)騎行目標(biāo)為得到保持騎自行車的人和車子不傾倒需所的騎行者身體和自行車與地平面的角度角度大小，需要先時(shí)時(shí)通過感知采集自行車速度，人和車子的總重量（自行車后座上放置重物重量不同，操控感受是不一樣的），還有預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)彎半徑的大小再經(jīng)過加工運(yùn)算才可以得到身體傾斜角度的大小，其中任意一個(gè)量發(fā)生變化（實(shí)際騎行時(shí)速度和半徑是經(jīng)常變化的，有時(shí)候重量也是可以改變的）傾斜身子的角度都要變化（體育頻道自行車比賽和摩托車比賽速度很快，在轉(zhuǎn)彎時(shí)身體和車的提前傾斜角度就大）。如不及時(shí)向預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)彎的方向側(cè)傾著身子或者傾斜角度大小不正確，人車系統(tǒng)將傾倒，現(xiàn)實(shí)中這類現(xiàn)象在開始學(xué)習(xí)騎自行車時(shí)經(jīng)常發(fā)生但沒有被重視。這個(gè)動(dòng)作過程和邏輯關(guān)系可以隨時(shí)重復(fù)驗(yàn)證概率百分之百正確（因?yàn)樵谏钪形锢韺W(xué)規(guī)矩是違背不了的）?，F(xiàn)在已經(jīng)有摩托車自動(dòng)駕駛技術(shù)可以模擬人在騎自行車行駛過程中的平衡控制行為，如果能給自行車裝上微型電腦、加速度計(jì)、速度等傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)采集和分析（市面上的電動(dòng)平衡車和電動(dòng)獨(dú)輪車有大量的傳感器采集的數(shù)據(jù)可惜沒有被充分利用），就可以得到理想結(jié)果，可以通過調(diào)整不同參數(shù)后采集大數(shù)據(jù)來研究各參數(shù)對(duì)自行車保持平衡性的影響效果。在自行車慢騎比賽時(shí)，自行車的速度很低接近于零且平衡時(shí)為了騎行目標(biāo)前輪尾跡作用是有利于打破平衡（物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變是從打破前一狀態(tài)開始的，不破不立，自行車轉(zhuǎn)向時(shí)同樣需要先打破前一狀態(tài)才可以再建立新的狀態(tài)。），自行車的速度很低接近于零且失衡時(shí)前輪尾跡作用隨操作的不同有時(shí)是有利于加強(qiáng)打破平衡，有時(shí)是有利于恢復(fù)平衡，通過觀察