通过仿真探究自行车是如何保持平衡的？

主要观点总结

本文介绍了使用COMSOL Multiphysics软件模拟自平衡自行车的运动情况。文章详细描述了如何建立自行车的多体动力学模型，包括车轮的无滑移约束和自行车各组件的惯性特性。通过模拟，分析了初始前进速度和转向轴倾角对自行车自稳定性的影响，并得出结论：自行车的自稳定性受多种因素影响，包括几何结构、质量分布和前进速度等。

关键观点总结

关键观点1: 自行车自平衡能力的模拟

使用COMSOL Multiphysics软件模拟了自行车在受到扰动后的自平衡运动情况，通过多体动力学模块建立了自行车的几何结构和运动方程。

关键观点2: 自行车自稳定性的影响因素

分析了影响自行车自稳定性的因素，包括几何结构、质量分布、前进速度、转向轴倾角等。通过参数分析，研究了这些参数对自行车稳定性的影响。

关键观点3: 无滑移约束的施加

通过方程在刚性车轮上施加了无滑移的约束，并将这些约束与自行车多体模型相耦合，以模拟自行车的实际运动情况。

关键观点4: 模拟结果的分析与讨论

根据模拟结果，讨论了自行车在不同构型下的稳定性情况，包括初始前进速度和转向轴倾角对自行车自稳定性的影响。通过计算这些参数，发现一种构型下稳定的自行车在其他构型中可能变得不稳定。

文章预览

假设你正在骑自行车，突然有人从旁边推了你一下。为了迅速让自己保持平衡，你会向同一方向转动自行车的把手以防止跌倒。骑车的人出于本能会这样做，但神奇的是，我们的自行车也能做到这一点。现代自行车设计中的自平衡功能，能在其运动失控时很好地保持平衡。让我们一起来看看如何在 COMSOL Multiphysics 中模拟这种效应。 自行车的自稳定性 一个多世纪后的今天，科学家们仍在努力寻找使自行车保持自平衡的关键。那么怎样才能让不受控制的自行车保持平衡呢？截至目前已有大量的研究论文通过解析方程解释了自行车的运动动力学。其中，最早的一篇代表性作品是 Francis Whipple 撰写的论文。他在论文中推导出了用于计算正在发生倾斜的无人操控自行车动力学的一般非线性方程。 长期以来，人们普遍认为自行车能够保持稳定的因素有 2 个： ………………………………