平衡電動(dòng)車的奧秘

徐杰

有一種“酷炫”的平衡電動(dòng)車，由于操作簡便，易于攜帶，很受年輕人的喜愛。今天，我們一起來探秘平衡電動(dòng)車是如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡的。

實(shí)驗(yàn)材料

細(xì)木棍、黏土、電動(dòng)刮胡刀、火柴棒、棒冰棍、珠針、保麗龍膠。

實(shí)驗(yàn)過程

一般的單擺是懸掛著擺錘，支點(diǎn)固定在上方。而反向單擺支點(diǎn)在下方，擺錘在上方。如何讓反向單擺擺錘維持平衡，不會掉下來呢？

人力平衡（實(shí)驗(yàn)一）

1.取一根1米以上長的細(xì)木棍，試著讓木棍直立在手指上保持平衡。

2.晃動(dòng)身體，可以發(fā)現(xiàn)木棍不太容易直立在手指上。

3.在木棍的頂端粘上黏土，再試著讓木棍直立在手指上保持平衡。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：平衡較容易！

振動(dòng)平衡（實(shí)驗(yàn)二）

1.取一個(gè)左右振動(dòng)的刮胡刀，將刀片取下（不要使用旋轉(zhuǎn)刀片的刮胡刀）。

2.剪一小段棒冰棍，在棒冰棍前端鉆一個(gè)小洞。

3.把珠針先剪短一些，再將其尖端插入火柴棒中。

4.另一端棒冰棍涂點(diǎn)保麗龍膠后，插入刮胡刀中央原本插刀片的凹槽中。

5.等保麗龍膠干燥之后，打開刮胡刀開關(guān)，帶動(dòng)火柴棒開始振動(dòng)。

6.火柴棒可以直立，也不會掉下來。將刮胡刀傾斜，還是可以平衡。

實(shí)驗(yàn)一

科學(xué)原理

木棍轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度和旋轉(zhuǎn)半徑成反比。因此，粘上黏土的木棍角加速度變小，那么單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就變小，手指移動(dòng)到平衡位置的時(shí)間就比較充裕，這樣在操作上比較容易維持平衡。

實(shí)驗(yàn)二

科學(xué)原理

上下快速振動(dòng)的單擺可以維持直立平衡，呈現(xiàn)了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的現(xiàn)象。當(dāng)反向單擺往下振動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)擺錘運(yùn)動(dòng)，擺錘受到的慣性力朝上。反之，單擺由下往上振動(dòng)時(shí)，慣性力朝下，形成的力矩會使擺錘遠(yuǎn)離中心軸。兩輪平衡車就是一種兩個(gè)支點(diǎn)的動(dòng)態(tài)平衡體。身體前傾前進(jìn)，身體后傾時(shí)平衡車后退，站立時(shí)平衡車保持平穩(wěn)。我們知道，一個(gè)靜止的物體至少需要3個(gè)支點(diǎn)才能保持當(dāng)前姿態(tài)穩(wěn)定，這就是靜態(tài)平衡體。當(dāng)物體跟地面的接觸點(diǎn)少于3個(gè)，就不可能保持姿態(tài)穩(wěn)定，它會在地心引力的作用下朝某個(gè)方向傾斜。但如果物體能夠在接觸點(diǎn)對地面施加特定的力，讓物體不斷獲得平衡，就能一直維持當(dāng)前姿態(tài)。這就是動(dòng)態(tài)平衡的全部秘訣。