扭扭車的運動原理

生活科學趣談

扭扭車總共有6個輪子,最前面的兩個懸空小輪是避免小朋友因身體過度前傾而翻車的安全設計。兩個觸地的前輪則位於把手轉軸的後方,這種設計如同大賣場購物車的活動輪(萬向輪),當推動車子時,活動輪會迅速轉到轉軸的後方

這個轉軸垂直地面的點與輪子觸地點之間的距離稱為曳距(trail)

「曳」字意味著推著購物車前進時,輪子跑到轉軸的後面,我們施加的力量不是推著輪子往前,而是“拖曳”著輪子向前。當施力拖曳著輪子前進時,輪子不容易改變方向,而是隨著拖曳的施力方向穩定前進,如此指向性就會很好。縱使輪子方向被地上小石碰歪,朝向運動方向後方的地面摩擦力亦能將其拉正,這是藉由摩擦力對轉軸不為零的力矩所造成的旋轉來達成,直到摩擦力對轉軸的合力矩為零之穩定平衡拖曳狀態。另外,自行車煞後輪較容易穩定住直線方向性;或是汽車若只換兩個輪胎時,抓地力較好的新胎一定要安置在後輪也是同樣的安全機制。這種活動輪的曳距設計雖有利於直線穩定性,但遇到購物車下電扶梯後若要轉向180度繼續下樓時,我們會發現轉個向非常的困難,得拐彎很大的半徑,這就是拖曳距過大的缺點。這時只要停下來把購物車向後拉一下,讓輪子的觸地點變到轉軸的前面,就很容易靈活的轉彎了,各位朋友下次到大賣場購物時不妨實際體驗一下。

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請留意觀察下則影片開頭的部分,小女孩從靜止將方向盤順時針轉向右側時,前輪隨即開始向右側移動。如果不是這個活動輪的設計,當曳距為零,前輪就不會側向移動出去,只會像汽車靜止時打方向盤那樣僅原地轉動輪胎。顯然這是藉由施加在扭扭車方向盤上的扭矩,導致活動輪在地面上產生橫向摩擦力,這是地面施加在車輪上的側向力。因為將方向盤順時針轉向右側時,在轉軸後方的活動輪會向左以曳距為半徑而繞著轉軸同樣依順時針方向轉動,但由於輪子無法側向滑動,此時就如同轉向的同時拿根竿子頂在車子左側地面來推地,這個施力的反作用力就會造成車子前段向右移動,車子與人的系統於是具有轉動動能

隨後將把手擺正時,這個轉動動能即能轉變成前進的移動動能

接著來看一則滑冰時以葫蘆形的方式前進或後退。前進時身體重心稍微往前傾斜,雙腳張開時以V字形向外推開(腳尖略微抬起以腳根用力);雙腳夾緊時則以內八字拉回(腳跟略微抬起以腳尖用力)。若是以葫蘆形的方式後退,則雙腳張開時以內八字向外推開,夾緊時以V字形拉回

在下列這則腳踩版本中,由於雙腳各自前推時都做正功,以能量觀點而言,這個正功就可以轉換為車子前進的動能

因此左右擺動運動是利用車輪上的側向力(地面摩擦力)先增加側向的轉動動能,然後透過轉正把手來轉換成車輪滾動方向的前進移動動能。這就類似於直排輪在起跑時,是藉助於直排輪對地面的側向推力所產生的反作用力來加速前進

結論:施加在方向盤上的扭矩會導致活動輪對地面產生橫向推,如此地面對活動輪的反作用力就可以產生指向前方的分力,從而使扭扭車加速向前。這種驅動車前進的能量,來自於施加在車把手上的雙手所做的正功。滑冰者則透過以V字形縱橫交錯的方式反覆推地,從而產生類似的力量來加速

Carveboarding 滑板運動也是透過傾斜身體同時執行一系列交替的急轉彎來做類似的事情

搖擺車亦同

延伸閱讀:The Physics of the Roller Racer and the Plasma Car