車輪視覺反轉現(xiàn)象的原理分析

彭博成

【摘 要】喜歡觀察的人時常會看到汽車或火車向前行駛，但汽車輪卻向后轉動的現(xiàn)象。同學們聚會聊天時提到了這個話題，但是當時卻沒人能對這個問題做出圓滿的解釋。這使我產(chǎn)生了強烈的欲望，查了很多的資料，思考加整理分析，從定性和定量兩個方面對這個問題做了科學的解釋，希望能對那些平時喜歡觀察但又知其然而不知其所以然的同學有所幫助。

【關鍵詞】車輪;視覺反轉;原理分析

在日常生活中，我們經(jīng)常會看到汽車或火車向前行駛，但汽車輪卻向后轉動的現(xiàn)象。在電視中也經(jīng)常見到這一現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生實際是由人眼的視覺暫留現(xiàn)象引起的，先分析如下：

一、定性分析

人眼在觀察景物時，光信號傳人大腦神經(jīng)，需經(jīng)過一段短暫的時間，光的作用結束后，視覺形象并不立即消失，仍保留一段時間的現(xiàn)象，視覺的這一現(xiàn)象則被稱為“視覺暫留”。其原因是由視神經(jīng)的反應速度造成的，其時值是二十四分之一秒。

任何儀器設備都有自己的測量范圍—量程，當被測信號在儀器的量程以內時，測量的結果是準確的;當被測信號在儀器測量量程以外時，測量結果就會和實際信號不一致，產(chǎn)生很大誤差。人眼也是一樣，當被觀測對象屬于人眼視覺神經(jīng)能正確感知的范圍以內時，其視覺形象是真實的，當被觀測對象在人眼視覺神經(jīng)能正確感知的范圍以外時，其視覺形象就會與被測對象產(chǎn)生很大的偏差。因此，由于視覺暫留，當進入人眼視覺神經(jīng)信號的變化頻率在24赫茲以下時，在大腦神經(jīng)中產(chǎn)生的視覺形象和實際信號是一致的，當信號的變化頻率大于24赫茲時，視覺形象和實際信號不一致。我們平時觀察到的車輛向前行駛而車輪卻向后轉動就是由于視覺暫留產(chǎn)生的視覺錯誤。設我們所觀察的汽車向右行駛，在某一時刻我們看到車輪某輻條在某一位置，經(jīng)過二十四分之一秒后，我們觀察到有一輻條在反時針方向離前述位置的夾角比順時針方向的輻條的夾角大，則觀察到車輪是順時針方向轉動，即車輪轉動的方向和汽車前進的方向一致;若觀察到該輻條在反時針方向離前述位置的夾角比順時針方向的輻條的夾角小，則我們看到車輪是反時針方向轉動，即車輪轉動的方向與汽車前進的方向相反，即觀測到車輪視覺反轉。電視中看到的車身運動方向和車輪轉動方向相反的現(xiàn)象是由電視攝像機攝像頻率引起的。由于攝像機是以一定的頻率拍攝圖片的，在相鄰兩次拍攝圖片中，如果第二幅圖片中的輻條的位置與第一幅圖片中相近的輻條形成順時針夾角，在電視中回放時，車輪轉動的方向和車身前進的方向相同;如果形成反時針夾角，則在電視回放中，出現(xiàn)車輪轉動方向和車身前進方向相反的現(xiàn)象。

二、定量分析

車輪出現(xiàn)視覺反轉現(xiàn)象與車輪的轉動速度和車輪的輻條數(shù)目有關。為分析方便，下面以兩幅條車輪為例。在設汽車以速度v向右行駛，車輪轉動的角速度為ω=，時輻條與x軸的夾角θ=0，則當t=秒時，輻條與x軸間的夾角為θ=。當θ位于第一象限或第三象限時，該輻條的位置與x軸的夾角小于另一輻條與x軸的夾角，且在反時針方向，車輪視覺反轉;當θ位于第二象限或第四象限時，該輻條的位置與x軸的夾角小于另一輻條與x軸的夾角，但在順時針方向，車輪視覺正轉。即當nπ<θ=<π（n=0，1，2，|）時，車輪視覺反轉。也即汽車的行駛速度24nπr<v<12（2n+1）πr （n=0，1，2，|）時，我們就會觀察到汽車向前行駛，車輪向后反轉的想象。當汽車行駛的速度不在上式的范圍以內時，不會觀察到車輪視覺反轉現(xiàn)象。具體說來就是當汽車行駛的速度在v<24πr時，車輪轉動的方向與車身前進的方向相同;但當24πr<v<36πr時，車輪轉動的方向與車身前進的方向相反，即發(fā)生車輪視覺反轉現(xiàn)象;當汽車的速度為36πr<v<48πr，車身運動方向與車輪轉動方向相同;而當車身的速度為48πr<v<60πr時，又出現(xiàn)車輪視覺反轉現(xiàn)象。以此類推，在車身前進的速度不斷變化的過程中，車輪視覺正轉現(xiàn)象和視覺反轉現(xiàn)象交替出現(xiàn)。

（作者單位：邵東一中）