关于Countersteering--摩托车的推胎/推把

最近一些初骑摩托的朋友跟我讨论到关于推胎/推把(Countersteering)的问题。坦白讲,我一直都没有认真考虑过这个问题,只是凭感觉以倾斜身体为主来高速过弯。所以这一次我就细致地思考和学习了它背后的物理知识,并在实践中再次检验。

基本介绍

什么叫做Countersteering / 推胎 / 推把呢?

What is countersteering?

如上图,countersteering,顾名思义,“反向导向”——"Push left, go left; Push right, go right"最简单直白地形容,便是左转推左把手,右转推右把手。下面图中的车手,进入右弯,他推了右把手,从而使得前轮偏左:

推胎

Countersteering这件事情,一定程度上违背我们的直觉,因为根据我们驾驶汽车和平时骑自行车的经验,打方向的手法应当是车头方向同目标方向一致——左转时推右把手使得车头往左,右转时推左把手使得车头向右。根据直觉来说,如果不推把手,那在两轮车上,我们也应当是采取偏移重心(车/身体)向目标方向的做法——左转时左倾,右转时右倾,而不是反直觉地countersteer。不过,如果不counterintuitive,这个技巧也不会叫countersteering了。

但其实客观来讲,推胎这件事,我们可能或多或少都做过或者见过,比如下面这张图:

countersteer

这位工作人员通过左推把手实现了左转,这便是非常典型的coutersteering。大家是否能回想起来自己自己有时候高速骑车/玩滑板车的时候,想要左转,却一刹那间有些出乎意料的脱离控制的时候呢?那便多半就是我们第一次体会到countersteering/推胎的时候。

物理原理

倾角

倾斜身体,移动重心来过弯是符合直觉也不无道理的。我们来简单地复习一下初中物理。物体具有惯性,一个做匀速圆周运动的物体要保持匀速圆周运动而不是直线运动,则需要外界的合力形成一个向心力F。微观地看,物体的惯性会使得它从A运动到B,而向心力(外界合力)使得它从B到C,从而保持在圆周上:

我们假设时间为delta t,圆周半径为r,速度表示为v,加速度表示为a,则有下面推导,得到向心力F=mv^2/r:


很显然,我们现在看“匀速圆周运动”的视角,并不是一个惯性参考系,所以接下来的受力分析,我们需要引入一个离心力(=向心力mv^2/r),才能继续使用牛顿定律:

受力分析

而很显然,下图中的f1和f2也是需要相等才能受力平衡的:

因此有该角beta = arccot (v^2 / (gr)):


所以我们过弯的时候,速度v越大,所需要的倾角theta = (90-beta)也就越大。从这个意义上讲,与其说是我们通过倾斜来过弯,不如说过弯如果要保持速度,我们就不得不保持相当的倾斜。

那么这一切跟推胎/countersteering又有什么关系呢?

Countersteering

Gyroscopic Effect 陀螺仪效应

引用一个百度百科的解释:重力对高速旋转中的陀螺产生的对支撑点的力矩不会使其发生倾倒,而发生小角度的进动。此即陀螺效应。进动说一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转——注意,是转轴旋转。

首先想象一个转轴垂直的陀螺,如果受到了水平方向的力使得支撑点不平衡,它的陀螺仪效应(进动)很容易想象:

而更通俗地说,我们可以认为物体有一种保持原轴旋转的惯性。而车轮旋转速度越快,角速度越快,则角动量(及动量矩)也就越大,这种“惯性”就越大,也就越稳定。这就是为什么高速骑行时,更容易保持平衡的原因。

Countersteering

在弯道行进的摩托车,如下图所示,向心力和重力分别会对车轮产生一个力矩,实现了平衡:

从这里我们便可以想象出推胎的原理了:比方说一个想右转的车手,现在车体和身体都保持正直,向前推了右车把,车头偏左,此刻向左的向心力则有了一个力矩,迫使车身向右倾斜,而这正是我们高速右转所需要的。这也就是说,因为左转需要向左侧倾斜,而在不倾斜的情况下,一个向左转的倾向(车头),会使得车身向反方向(右)倾斜,为车手所利用,进行转向。

同时,因为陀螺仪效应,我们转动车头(前胎)时,前轮产生进动,这也是(向相反方向的)倾斜产生的一部分原因。

实际操作

比较常见的说法,是高速骑行时(比如说至少12英里每小时以上的速度),countersteering才有必要使用。这是一种很直接的体会,但是并不准确。

根据上面的分析,我们已经可以看到,countersteering的原理跟速度并没有关系,所以本质上,低速运动时,countersteering也是可以使用的。但是我们为什么往往没有注意到呢?容易想到,低速骑行时,保持速度过弯需要的倾角非常小,我们很容易通过身体稍微倾斜来完成。并且,低速时我们会无意识地很频繁地调整车头,从而完全忽视了countersteering的存在。

在实际的骑行之中运用countersteering是非常简单的——只需要记住"Push left, go left; Push right, go right"并执行就可以了。当然,我们要把一个违反直觉的操作变成直觉,这需要不断的训练和用经验说服自己。

不得不说的是,掌握countersteering,并将其变成肌肉记忆,对于骑行安全是一个关键点。因为在过弯时如果速度非常快,不论是因为入弯前减速不到位也好,还是没有预知到这个弯道也好,我们都需要维持一个更大的倾角来过弯——因为此时减速造成骑行不稳定这一风险其实更大。但是这一点在速度过快,我们有些失去冷静的时候是很难做到的——本来就在一个狭窄的陡弯30mph地过弯,没有及时减速的骑手有些失去了自信,此时还要往弯道相反的方向推车把。在紧急关头保持冷静做出正确判断,是很难得的素质,所以我们最好的做法,就是为自己培养出countersteering的本能,让我们的应急反应成为正确反应。

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