腳踏車及機車的動力學
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腳踏車及機車的動力學是有關腳踏車及機車以及其零組件,因受力而產生運動的物理學,屬於多體動力學(英語:Multibody dynamics)的範疇。動力學屬於物理學中古典力學的領域。腳踏車的運動中,比較多人在意的包括力學平衡、反向操舵(countersteering)、煞車、加速度、懸吊系統靈活性、以及振動。對於腳踏車運動的研究從十九世紀末就開始了,目前仍有相關的研究[1][2][3]
腳踏車及機車都是二個輪子共平面,可以只產生一個輪跡的單軌車輛(英語:single-track vehicle),因此其運動有許多的基本共同點,本質上也和其他車輛(例如兩輪同軸的雙輪車、自行三輪車、四輪車(英語:quadracycle))不同,並且更加困難[4]。腳踏車和單輪車類似,在靜止時沒有側向的穩定性,大部份情形下,腳踏車在前進時,車身需維持直立。實驗及數學模型可以證明,當腳踏車的質心被操控維持在車輪上時,車身可以維持直立。多半就是騎車的人來操控,有時腳踏車也可以在無人控制的情形下維持平衡。包括幾何、質量分佈及陀螺效應的幾個因素都在不同程度影響其本體穩定度。但長期存在宣稱以陀螺效應與曳距為的單一效應(例如陀螺效應或腳踏車和機車的幾何(英語:Bicycle and motorcycle geometry))決定腳踏車的穩定,的假設已確定不成立[1][5][6][7]。
學習腳踏車時,初期目標就是如何使車輛在行進間穩定直立,不過在轉彎時,為了維持平衡,腳踏車需要傾斜:若速率越快,或是轉彎半徑越小,其傾斜程度要越大。傾斜可以平衡離心力及重力的影響。傾斜一般是瞬時往反方向轉向,稱為反向操舵。反向操舵之技巧是透過運動技能學習所習得的,是透過程序記憶運作,不是透過有意識的思考。腳踏車和其他的車輛不同,其主要控制輸入是給龍頭的力矩,而不是位置[8]。
腳踏車在靜止時有縱向的穩定性,而腳踏車的重心較高,軸距較短,因此在有足夠加速度或是減速度的情形下,可以使一個輪子離地(英語:wheelie)。在煞車時,依照腳踏車及騎者重心位置的不同,以及前輪接觸地面的位置,腳踏車有可能前輪打滑(英語:Skid (automobile)),也有可能是腳踏車旋轉,腳踏車及騎者一起翻到前輪之前。在加速時也會有類似的情形,不過加速時會相對後輪來分析[9][自述來源]。