平衡電動車的奧秘

徐杰

有一種“酷炫”的平衡電動車，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車是如何實現自動平衡的。

實驗材料

細木棍、黏土、電動刮胡刀、火柴棒、棒冰棍、珠針、保麗龍膠。

實驗過程

一般的單擺是懸掛著擺錘，支點固定在上方。而反向單擺支點在下方，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（實驗一）

1.取一根1米以上長的細木棍，試著讓木棍直立在手指上保持平衡。

2.晃動身體，可以發現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。結果發現：平衡較容易！

振動平衡（實驗二）

1.取一個左右振動的刮胡刀，將刀片取下（不要使用旋轉刀片的刮胡刀）。

2.剪一小段棒冰棍，在棒冰棍前端鉆一個小洞。

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，帶動火柴棒開始振動。

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。

實驗一

科學原理

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

實驗二

科學原理

上下快速振動的單擺可以維持直立平衡，呈現了動態穩定的現象。當反向單擺往下振動時，帶動擺錘運動，擺錘受到的慣性力朝上。反之，單擺由下往上振動時，慣性力朝下，形成的力矩會使擺錘遠離中心軸。兩輪平衡車就是一種兩個支點的動態平衡體。身體前傾前進，身體后傾時平衡車后退，站立時平衡車保持平穩。我們知道，一個靜止的物體至少需要3個支點才能保持當前姿態穩定，這就是靜態平衡體。當物體跟地面的接觸點少于3個，就不可能保持姿態穩定，它會在地心引力的作用下朝某個方向傾斜。但如果物體能夠在接觸點對地面施加特定的力，讓物體不斷獲得平衡，就能一直維持當前姿態。這就是動態平衡的全部秘訣。