平衡电动车的奥秘

徐杰

有一种“酷炫”的平衡电动车，由于操作简便，易于携带，很受年轻人的喜爱。今天，我们一起来探秘平衡电动车是如何实现自动平衡的。

实验材料

细木棍、黏土、电动刮胡刀、火柴棒、棒冰棍、珠针、保丽龙胶。

实验过程

一般的单摆是悬挂着摆锤，支点固定在上方。而反向单摆支点在下方，摆锤在上方。如何让反向单摆摆锤维持平衡，不会掉下来呢？

人力平衡（实验一）

1.取一根1米以上长的细木棍，试着让木棍直立在手指上保持平衡。

2.晃动身体，可以发现木棍不太容易直立在手指上。

3.在木棍的顶端粘上黏土，再试着让木棍直立在手指上保持平衡。结果发现：平衡较容易！

振动平衡（实验二）

1.取一个左右振动的刮胡刀，将刀片取下（不要使用旋转刀片的刮胡刀）。

2.剪一小段棒冰棍，在棒冰棍前端钻一个小洞。

3.把珠针先剪短一些，再将其尖端插入火柴棒中。

4.另一端棒冰棍涂点保丽龙胶后，插入刮胡刀中央原本插刀片的凹槽中。

5.等保丽龙胶干燥之后，打开刮胡刀开关，带动火柴棒开始振动。

6.火柴棒可以直立，也不会掉下来。将刮胡刀倾斜，还是可以平衡。

实验一

科学原理

木棍转动的角加速度和旋转半径成反比。因此，粘上黏土的木棍角加速度变小，那么单位时间内转动的角度就变小，手指移动到平衡位置的时间就比较充裕，这样在操作上比较容易维持平衡。

实验二

科学原理

上下快速振动的单摆可以维持直立平衡，呈现了动态稳定的现象。当反向单摆往下振动时，带动摆锤运动，摆锤受到的惯性力朝上。反之，单摆由下往上振动时，惯性力朝下，形成的力矩会使摆锤远离中心轴。两轮平衡车就是一种两个支点的动态平衡体。身体前倾前进，身体后倾时平衡车后退，站立时平衡车保持平稳。我们知道，一个静止的物体至少需要3个支点才能保持当前姿态稳定，这就是静态平衡体。当物体跟地面的接触点少于3个，就不可能保持姿态稳定，它会在地心引力的作用下朝某个方向倾斜。但如果物体能够在接触点对地面施加特定的力，让物体不断获得平衡，就能一直维持当前姿态。这就是动态平衡的全部秘訣。